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Les cellules ciliées sont les cellules sensorielles de la cochlée, l’organe de l’audition, et assurent la transduction des stimulations acoustiques en message nerveux compréhensible par le système nerveux central. Nous avons étudié le rôle du cytosquelette dans le transfert synaptique et dans le cadre d’une neuropathie auditive.La première partie de cette thèse a consisté à déterminer le rôle des filaments d’actine dans l’exocytose des cellules ciliées. Pour ce faire, nous avons infusé des toxines connues pour dépolymériser les filaments d’actine directement dans les cellules ciliées internes. Après 10 minutes d’infusion, nous avons mesuré l’exocytose des cellules ciliées à partir de l’enregistrement de la capacité membranaire, indice de la fusion vésiculaire. Dans nos expériences, la dépolymérisation de l’actine provoquait une augmentation de l’exocytose. De plus nos résultats suggèrent qu’une fraction des vésicules éloignées des canaux calciques se rapproche des sites de libération après dépolymérisation du réseau d’actine. Ces travaux ont donc permis d’identifier une sous-population de vésicules synaptiques dont la disponibilité aux sites de fusion est dépendante des filaments d’actine. La seconde partie de cette thèse porte sur les mécanismes à l’origine d’une neuropathie auditive, la surdité AUNA1. Cette dernière se caractérise par la surexpression cytoplasmique de la protéine Diaph3, dont la fonction est de réguler la nucléation de l'actine et des microtubules. Pour étudier AUNA1, nous avons montré que les souris transgéniques qui surexpriment la protéine Diap3 (protéine murine) développent une surdité progressive, similaire à la neuropathie auditive AUNA1 : soit une élévation des seuils auditifs et des otoémissions normales, témoins de l’activité des cellules ciliées externes (qui ont pour rôle d’amplifier les stimulations sonores). En outre, le potentiel de sommation, qui reflète l’activité in vivo des cellules ciliées internes est altéré chez les souris transgéniques. L’observation des cellules ciliées internes en microscopie électronique à balayage montre un gonflement de la plaque cuticulaire, qui est une plateforme dense en actine servant à ancrer les stétéocils. L’observation en microscopie confocale du réseau de microtubules montre que ce dernier entoure la plaque cuticulaire chez les souris sauvages. A l’inverse, les microtubules envahissent la plaque cuticulaire chez les souris transgéniques. L’ensemble de ces résultats a donc permis de montrer un défaut d’adressage des microtubules à l’origine de la surdité AUNA1. / Inner hair cells transduce sound stimulation into neurotransmitter release onto the afferent auditory nerve fibers. Here, we studied how cytoskeleton modulates the transduction capabilities of the inner hair cells. Exocytosis at the inner hair cell ribbon synapse is achieved through the coupling between calcium channels and glutamate-filled synaptic vesicles. Using membrane capacitance measurements, we probed whether the actin filament network regulates the exocytosis of synaptic vesicles at the auditory hair cell. Our results suggest that actin network disruption increases exocytosis and that actin filaments may spatially organize a sub-fraction of synaptic vesicles with respect to the calcium channel.The auditory neuropathy 1 (AUNA1) is a form of human deafness, which results from a point mutation in the 5’untranslated region of the Diaphanous homolog 3 (DIAPH3) gene. Strikingly, the DIAPH3 mutation leads to the overexpression of the Diaph3 protein, a formin family member involved in the cytoskeleton nucleation and stabilization. Here, we examined in further details the anatomical, functional and molecular mechanisms that account for AUNA1. We found out that the Diap3-overexpressing transgenic mice show a progressive threshold shift associated to a defect in the inner hair cells. While synaptic function was not affected, Diap3-overexpression results into a selective and early-onset alteration of the inner hair cells cuticular plate, a dense plateform anchoring the stereocilia bundle. Molecular dissection of the apical components revealed that the microtubule meshwork undergoes an aberrant targeting into the cuticular plate of the transgenics’ inner hair cells at early onset, leading to the inabilities of these sensory cells to transduce incoming sound stimulation at later stages.

La neuropathie auditive est une forme de surdité caractérisée par une atteinte des cellules ciliées internes (qui détectent les ondes sonores et les transforment en message nerveux) et/ou des neurones afférents primaires (qui véhiculent les messages nerveux jusqu'au noyau cochléaire), associée à une activité normale des cellules ciliées externes (qui amplifient les ondes sonores). AUNA1 est la première neuropathie auditive héréditaire à avoir été décrite. Elle est causée par une mutation ponctuelle située dans le promoteur du gène DIAPH3, résultant en une surexpression de DIAPH3. La protéine DIAPH3, un membre de la famille des formines, est connue pour promouvoir la nucléation et l’élongation des filaments d’actine ainsi que la stabilisation des microtubules. Nous avons étudié les mécanismes d’AUNA1 à partir d’un modèle murin transgénique surexprimant le gène diap3, l’orthologue murin de DIAPH3. Les souris transgéniques développent une surdité dont les caractéristiques sont semblables à celles d’AUNA1. Cette surdité est due à une perte d’activité des cellules ciliées internes. L’activité synaptique et les courants potassiques de ces cellules ne sont pas altérés. En revanche, la microscopie électronique révèle une fusion des stéréocils (expansions cytoplasmiques qui permettent la détection des ondes sonores) et une déformation de la plaque cuticulaire (plateforme qui assure l’ancrage des stéréocils). Par la technique d’immunomarquage, nous avons mis en évidence une invasion de la plaque cuticulaire par des microtubules. Enfin, nous avons démontré que la protéine Diap3 est localisée dans la plaque cuticulaire des cellules ciliées internes, suggérant ainsi que la surexpression de diap3 provoque un remodelage du réseau de microtubule des cellules ciliées internes, à l’origine de la surdité AUNA1. / Auditory neuropathy is a type of deafness characterized by an alteration of the inner hair cells (which detect the acoustic waves and transform them into neural messages) and/or of the primary afferent neurons (which conduct the neural messages to the cochlear nucleus), associated with a normal activity of the outer hair cells (which amplify the acoustic waves).AUNA1 is the first hereditary auditory neuropathy which has been described. It is caused by a point mutation in the promoter of the DIAPH3 gene, resulting in an overexpression of DIAPH3. The DIAPH3 protein, a formin family member, is known to promote the actin filament nucleation and elongation and to stabilize the microtubules.We studied the AUNA1 mechanisms using a transgenic mouse model which overexpresses the diap3 gene, the mouse homologue of DIAPH3. Transgenic mice develop a deafness whose characteristics are similar to the ones of AUNA1. The hearing loss is due to a defect in the inner hair cell activity. The synaptic activity and the potassium currents of these cells are not altered. However, electron microscopy reveals a fusion of the stereocilia (cytoplasmic expansions which detect the acoustic waves) and a disruption of the cuticular plate (plateform which maintains stereocilia). By immunolabeling, we showed an invasion of the cuticular plate by microtubules. Eventually, we demonstrated that Diap3 is located in the inner hair cell cuticular plate, suggesting that the overexpression of diap3 provokes a remodeling of the inner hair cell microtubule network, underlying the AUNA1 deafness.

Les cellules sensorielles auditives, les cellules ciliées internes (CCI), transforment les ondes sonores en message nerveux. Les synapses des CCI se distinguent de celles du système nerveux par leur anatomie. En effet, les synapses des CCI sont dotées d'un organite appelé ruban synaptique. Ce dernier a pour fonction de concentrer les vésicules synaptiques à proximité des zones actives. Il est important de souligner qu'un déficit de la libération synaptique à la première synapse auditive est à l'origine de surdités chez l'homme. Si la physiologie des synapses à rubans des cellules ciliées a été intensivement étudiée, la composition moléculaire des ces synapses reste en grande partie inconnue. L'objectif de cette thèse était donc d'isoler les protéines clefs de la machinerie synaptique. Pour ce faire, nous avons utilisé la technique du double hybride à partir d'une banque d'ADN complémentaire de cochlée et de la protéine Ribeye, composant majeur des rubans, comme appât. La difficulté majeure de notre étude provient de la structure de Ribeye, qui est constitué par deux domaines A et B. Tandis que le domaine A est dirigé vers le cœur du ruban synaptique et aurait une fonction structurale, le domaine B est fortement homologue au facteur de transcription Ctbp2. Ainsi, nous avons identifié plusieurs candidats comme étant des facteurs de transcription. Ces derniers interagissent probablement avec Ctbp2 dans le noyau. Nos résultats obtenus soulignent la difficulté d'identifier des protéines d'interactions, inhérente à l'utilisation de Ribeye comme appât. Parmi les autres candidats, nous avons isolés des composants du système de l'ubiquitine, suggérant une régulation ubiquitine-dépendante de l'activité ou de la structure des rubans synaptiques. / Inner hair cells (IHCs) are the sensory cells of the cochlea, the organ of hearing. IHCs transduce sound stimulation into the release of glutamate onto the afferent auditory nerve fibers. To achieve this task, IHCs harbor at their presynaptic side a large organelle, the so-called synaptic ribbon, surrounded by a monolayer of glutamate-filled synaptic vesicles. Exocytosis of glutamate at the hair cell ribbon synapse seems to be unconventional as the synaptic machinery, depicted so far, differs from most of the nervous system synapses. The goal of this work was to identify new members of the synaptic machinery of the hair cell ribbon synapse. To do so, we took advantage of the yeast two-hybrid system using a cochlea cDNA library as the prey and Ribeye (the major ribbon component) as the bait. Transcription factors were highly represented in our screening assay, most probably because Ribeye is highly homologous to the transcription factor Ctbp2. They probably interact with Ctbp2 in the nucleus. Our results underlined the difficulty to identify protein interactions because of the nature of Ribeye itself. However, we found ubiquitin system components among the other candidates, suggesting an ubiquitin-dependent regulation of the activity and/or structure of synaptic ribbons.

L'implantation cochléaire reste à ce jour le seul moyen capable de restaurer la perception auditive chez les personnes présentant une surdité sévère ou profonde en échec d'appareillage conventionnel. Son principe repose sur la stimulation électrique directe des neurones auditifs de la cochlée par un faisceau d'électrode inséré dans l'oreille interne. Malgré les progrès réalisés dans le manufacturage des électrodes et dans la technique chirurgicale, le geste d'insertion du faisceau d'électrode demeure traumatique. Ce traumatisme est souvent responsable de la perte de l'audition résiduelle sur les fréquences graves et d'une réaction inflammatoire conduisant à une cicatrisation fibreuse. Cette réaction fibreuse est délétère à la fois pour le fonctionnement de l'implant, car augmentant l'impédance des électrodes, mais aussi pour l'audition résiduelle lorsqu'elle est préservée, limitant ainsi les possibilités de stimulation hybride électro-acoustique. Aussi les recherches actuelles tendent à réduire cette fibrose par des moyens pharmacologiques limités, utilisant un corticoïde (dexaméthasone), sans pour autant que son efficacité n'ait été démontrée de manière formelle in vitro ou in vivo. En outre, les cibles moléculaires visées lors de la réaction inflammatoire et fibrotique dans la cochlée n'étant pas clairement identifiées, il est difficile de savoir si cette approche thérapeutique est la plus adaptée. Dans ce travail nous avons donc mis au point des modèles in vitro de culture de tranche de cochlée et d'explant cochléaire de rat pour tester l'efficacité antifibrotique et la toxicité de plusieurs drogues, dont la dexaméthasone, mais aussi l'aracytine, antimitotique non ototoxique et d'utilisation sûre au contact du système nerveux central. Entre nos mains, il apparaît que la stratégie antimitotique par application d'aracytine était plus efficace contre la fibrose et moins toxique pour les cellules sensorielles que la dexamethasone. Dans une seconde partie de ce travail, nous avons utilisé deux modèles in vivo de fibrose cochléaire, à savoir : l'induction d'une labyrinthite immune à Keyhole Limpet Hemocyanin et l'implantation chronique d'un corps étranger intra-cochléaire. A nouveau, l'aracytine délivrée par pompe osmotique intracochléaire permettait de réduire significativement la fibrose dans le modèle de labyrinthite alors que l'effet de la dexamethasone n'était pas significatif. De même la préservation de l'audition était statistiquement meilleure dans le groupe des animaux traités par antimitotiques. Aussi seule l'aracytine a été testée dans l'autre modèle de corps étranger intracochléaire. Elle permettait également de réduire la fibrose observée dans la cochlée, sans effet toxique sur les neurones auditifs. Si la préservation de l'audition était impossible dans le groupe contrôle, l'audition sur les basses fréquences était conservée chez les animaux traités par aracytine. Enfin, les seuils de stimulation électrique capables de provoquer une réponse électrophysiologique par le potentiel évoqué auditif étaient significativement inférieurs dans le groupe traité par aracytine. Ainsi, nous avons pu montrer qu'une stratégie antimitotique était capable d'inhiber efficacement la fibrose dans la cochlée in vitro et in vivo, et ce avec une efficacité supérieure à la dexaméthasone. Nous recommandons donc d'envisager en pratique clinique l'utilisation de l'aracytine pour prévenir la fibrose cochléaire. De plus, ce travail souligne l'intérêt de mieux décortiquer les voies cellulaires conduisant à l'inflammation et à la fibrose cochléaire, de sorte à déterminer les meilleures cibles et molécules candidates. Ces mêmes molécules pourront être testées sur les modèles que nous avons mis au point afin de proposer de nouvelles alternatives thérapeutiques à la prévention de la fibrose cochléaire. / Cochlear implantation is the only treatment capable of restoring the auditory pathways in patient suffering from severe to profound hearing loss with poor benefit from hearing aids. Its functioning relies on direct electric stimulation of primary auditory neurons through an electrode array inserted into the cochlea.Despite the advances in electrode design and surgical technique, the act of inserting the electrode array is still traumatic. These traumas result in the loss of residual hearing in low frequencies and provoke an inflammatory reaction leading to fibrous scarring. This fibrous reaction is deleterious to not only the implant performance by increasing the impedance of the electrodes, but also the preserved residual hearing which limit the possibilities of hybrid electro-acoustic stimulation.Current researches aim at limiting this fibrosis by drug application, such as corticosteroids. Therefore dexamethasone is frequently used, but its effectiveness has been only demonstrated formally in vitro or in vivo. Furthermore, the molecular targets set in the fibrotic and inflammatory reaction in the cochlea are not clearly identified, and it is unclear whether this therapeutic approach is best suited.In this study we have developed in vitro models of rat cochlear slice and cochlear explants culture to test the antifibrotic efficacy and toxicity of various drugs, including dexamethasone, but also aracytine, an antimitotic drug with very low ototoxicity which is safely used in contact with the central nervous system. In our hands, it appears that antimitotic aracytine is more effective against fibrosis and less toxic to the sensory cells than the anti-inflammatory drug dexamethasone.In the second part of this study, we used two in vivo models of cochlear fibrosis namely the KLH(keyhole limpet hemocyanin)-induced sterile labyrinthitis and the foreign-body-induced chronic labyrinthitis. Again, the intracochlear fibrosis in the model of KLH-induced labyrinthitis was signticantly reduced by the osmotic pump with aracytine, while the effect of dexamethasone was not significant. Also the preservation of the hearing was statistically better in the group of animals treated with this antimitotic drug. Consequently, aracytine was the only drug tested in the other model of foreign-body-induced labyrinthitis. Again, aracytine reduced fibrosis in the cochlea, without any toxic effects on auditory neurons. While the preservation of the hearing was not achieved in the control group, the low frequencies hearing was preserved in animals treated with aracytine. Finally, the thresholds of electrical stimulation eliciting auditory brainstem response recordings were significantly lower in the treated group by aracytine.Thus, we have shown that an antimitotic strategy was able to inhibit fibrosis effectively in the cochlea in vitro and in vivo, and this with a greater efficiency than dexamethasone. We therefore recommend considering in clinical practice the use of aracytine to prevent cochlear fibrosis. In addition, this study stresses the importance of analyzing the cellular pathways of cochlear inflammation and fibrosis, in order to determine the best targets and candidate molecules. These molecules could be tested on the models that we have developed in order to offer new therapeutic options to prevent cochlear fibrosis.

Notre capacité à communiquer et à apprécier la musique repose sur une discrimination de fréquences couvrant une large gamme de fréquences sonores. Cette propriété résulte de cellules mécanosensorielles « ciliées », qui sont réglées pour répondre de façon maximale à une fréquence caractéristique qui varie monotoniquement le long de l’axe de l’organe auditif, la cochlée. Les mécanismes cellulaires et moléculaires qui définissent la fréquence d’une cellule ciliée et régulent sa valeur pour différentes cellules afin de couvrir la gamme auditive demeurent néanmoins inconnus. Notre hypothèse de travail est que cette fréquence est réglée en partie par les propriétés mécaniques passives et actives de la « touffe ciliaire », l’antenne mécanosensorielle de la cellule ciliée. A l’aide d’une préparation excisée de la cochlée du rat, nous avons combiné l’iontophorèse de chélateurs de calcium (BAPTA ou EDTA) pour casser les liens de bout-de-cil qui connectent les stéréocils voisins de la touffe ciliaire, une stimulation grâce à un micro-jet de fluide pour estimer la raideur de la touffe ciliaire et des enregistrements en « patch-clamp » de courants de transduction afin de compter le nombre de liens de bout-de-cil intacts qui contribuent à la réponse. Avec les mouvements évoqués par la rupture des liens de bout-de-cil et avec nos mesures de raideur, nous avons pu estimer la tension dans toute la touffe ciliaire, ainsi que la tension dans un seul lien de bout-de-cil en connaissant le nombre de liens qui contribuent à cette tension. Dans les cellules ciliées externes, qui sont impliquées dans l’amplification du stimulus sonore mais qui n’envoient pas d’information neuronale au cerveau, nous avons observé un gradient de tension et de raideur lorsque la fréquence caractéristique de la cellule ciliée augmente, suggérant que ces paramètres physiques peuvent être impliqués dans le réglage d’une cellule ciliée à sa fréquence caractéristique. Au contraire, pour les cellules ciliées internes, les vraies cellules sensorielles de la cochlée, nos observations ne montrent pas de gradient significatif. De plus, nous avons observé des mouvements de la touffe ciliaire induits par la variation de la concentration en calcium, correspondant à une tension accrue pour des concentrations en calcium plus faibles. Ces mouvements sont similaires à ceux évoqués dans d’autres classes de vertébrés, tels que chez la grenouille ou chez la tortue. Ainsi, nos résultats réconcilient les expériences faites chez les vertébrés inférieurs et chez le mammifère, et montrent l’implication des gradients de la mécanique de la touffe ciliaire pour l’importante sélectivité fréquentielle de la cochlée / Our ability to communicate and appreciate music relies on acute frequency discrimination over a broad range of sound frequencies. This property results from the operation of mechanosensory “hair" cells, which are each tuned to respond maximally to a characteristic frequency that varies monotonically along the axis of the auditory organ, the cochlea. The cellular and molecular mechanisms that set the characteristic frequency of a hair cell and regulate its value among different cells to cover the auditory range have remained elusive. Our working hypothesis is that tuning results in part from passive and active mechanical properties of the “hair" bundle, the mechanosensory antenna of the hair cell.Using an excised preparation from the rat cochlea, we combined iontophoresis of a calcium chelator (BAPTA or EDTA) to break the tip links that interconnect neighbouring stereocilia of the hair-cell bundle, fluid-jet stimulation to estimate hair-bundle stiffness and patch-clamp recordings of transduction currents to count the number of intact transduction channels contributing to the response. From the movements evoked by tip-link breakage and our stiffness measurements, we were able to estimate tension in the whole hair bundle as well as, knowing the number of tip links contributing to this tension, in a single tip link.In outer hair cells, which are involved in sound amplification but do not send neural information to the brain, we observed a gradient of tension and stiffness from the low-frequency to the high-frequency end of the cochlea, suggesting that these physical parameters may help tune the hair cell to its characteristic frequency. Interestingly, with inner hair cells - the true sensors of the cochlea, our observations do not show any significant gradient. Furthermore, we observed calcium-evoked hair-bundle movements corresponding to an increased tension in the tip links at decreased concentrations of calcium. These movements were similar to those evoked in other classes of vertebrates, such as the frog or the turtle. Together, our results reconcile experiments performed in lower vertebrates with those performed in mammals and show the implication of hair-bundle mechanical gradients in the sharp frequency tuning of the cochlea

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京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第22324号 / 医博第4565号 / 新制||医||1041(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 髙折 晃史, 教授 竹内 理, 教授 生田 宏一 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

Les implants cochléaires (IC) sont utilisés pour traiter la surdité profonde en insérant chirurgicalement un réseau d'électrodes dans l'organe de l'audition, la cochlée. Les images tomodensitométriques (TDM) pré et post-opératoires sont utilisées couramment pour la planification chirurgicale et l'évaluation de l'implantation cochléaire. Cependant, en raison de la petite taille et de la topologie complexe de la cochlée, l'information anatomique qui peut être extraite des images est limitée. Le premier axe de ce travail vise à définir des méthodes automatiques de traitement d'images adaptées à la forme en spirale de la cochlée pour étudier en étudier la variabilité à partir d'images de micro-TDM (μTDM) haute résolution. Le deuxième axe vise à développer et à évaluer un nouveau modèle paramétrique de forme cochléaire. Le modèle est appliqué pour extraire des paramètres cliniquement pertinents spécifiques au patient, tels que la profondeur d'insertion maximale des portes électrode. Grâce à la quantification de l'incertitude, fournie par le modèle, la fiabilité des segmentations issues de TDM a pu être évaluée par rapport à la vérité terrain fournie par μTDM. Enfin, le dernier axe concerne un modèle de forme cochléaire (et de ses sous-structures) et d'apparence combiné dans un cadre bayésien probabiliste génératif. La méthode de segmentation proposée a été appliquée à une grande base de données de 987 images de TDM et a permis la caractérisation statistique de la variabilité anatomique cochléaire ainsi que la quantification de la symétrie bilatérale. Ce travail ouvre la voie à de nouvelles applications cliniques telles que l'amélioration du diagnostic en identifiant les formes cochléaires pathologiques ; la planification préopératoire du choix de l'électrode et de l'axe d'insertion ; l'estimation postopératoire de la position de l'électrode et évaluation de l'implantation ; et la simulation d'implantation cochléaire. / Cochlear implants (CI) are used to treat hearing loss by surgically inserting an electrode array into the organ of hearing, the cochlea. Pre- and post-operative CT images are used routinely for surgery planning and evaluation of cochlear implantation. However, due to the small size and the complex topology of the cochlea, the anatomical information that can be extracted from the images is limited. The first focus of this work aims at defining automatic image processing methods adapted to the spiral shape of the cochlea to study the cochlear shape variability from high-resolution μCT images. The second focus aims at developing and evaluating a new parametric cochlear shape model. The model is applied to extract patient-specific clinically relevant metrics such as the maximal insertion depth of CI electrode arrays. Thanks to the uncertainty quantification, provided by the model, we can assess the reliability of CT-based segmentation as compared to the ground truth segmentation provided by μCT scans. Finally, the last focus concerns a joint model of the cochlear shape (and its substructures) model and its appearance within a generative probabilistic Bayesian framework. The proposed segmentation method was applied to a large database of 987 CT images and allowed the statistical characterization of the cochlear anatomical variability along with the quantification of the bilateral symmetry. This work paves the way to novel clinical applications such as improved diagnosis by identifying pathological cochlear shapes; preoperative optimal electrode design and insertion axis planning; postoperative electrode position estimation and implantation evaluation; and cochlear implantation simulation.