Plan du cours Cochlée :...2 rappel anatomo-fonctionnel... 2 Rôle des cellules ciliées internes (CCI) : les "vraies" cellules sensorielles... 4 Rôle des cellules ciliées externes (CCE)... 5 Synthèse du fonctionnement cochléaire... et de sa régulation centrale... 6 voies et centres auditifs...9 voies primaires et non primaires... 9 Intégration comportementale... 10 Physiopathologies neurosensorielles de la cochlée...11 physiopathologie des cellules ciliées et des neurones ganglionnaires... 11
Cochlée : rappel anatomo-fonctionnel A gauche : cochlée humaine à la fin de son développement morphologique (5 mois in utero). La capsule osseuse a été disséquée, laissant apparaître les 2 tours et demi de spire de la cochlée membraneuse : noter les fenêtres ronde (flèche rouge) et ovale (flèche jaune). A droite, cochlée de rat en microscopie électronique à balayage ; après dissection de la capsule osseuse et du labyrinthe membraneux, les 3 tours de spire de l organe de Corti sont visibles : la cochlée humaine ne comporte que 2 tours 1/2. Organe de corti en microscopie électronique à balayage Au fort grossissement, l arrangement des cellules ciliées internes (CCI) sur une rangée et externes (CCEs) sur 3 rangées apparaît clairement. A droite : coupe transversale. NB. Dans chaque cochlée humaine il y a 3.500 CCI et 12.500 CCE : un nombre ridiculement faible si on le compare à la vingtaine de millions de photorécepteurs rétiniens! Et ces cellules une fois différenciées (à 3 mois in utero) ne se renouvellent plus : on ne peut qu'en perdre!
Comparaison entre la vue en microscopie à balayage (scanning, à gauche), plongeant sur la surface des cellules ciliées, et l image en microscopie optique (Nomarski, à droite). Zoom sur les cils des cellules ciliées internes (rangée du bas) et externes (3 rangées du haut) Cette simple présentation des principaux acteurs de la physiologie cochléaire, les cellules ciliées, est déjà un indice fort de la dualité fonctionnelle de cet organe sensoriel. De fait, on peut parler de "cochlée des cellules ciliées internes" et cochlée des cellules ciliées externes et cette dualité va être confortée par la neurobiologie. Innervation de l'organe de Corti : neurones ganglionnaires Les CCI sont reliées aux neurones du ganglion spiral (GS) par les fibres myélinisées de la lame spirale osseuse (LSO). Il existe 2 types de neurones : les plus gros (flèches bleues) et plus nombreux (95%) sont branchés sur les CCI et véhiculent les messages auditifs. Les petits neurones non myélinisés (flèche verte) branchés sur les CCE ne véhiculent pas de message auditif : ils informent le SNC sur l'électromotilité des CCE.
Rôle des cellules ciliées internes (CCI) : les "vraies" cellules sensorielles Les cellules ciliées internes Innervation de la cellule ciliée interne : cablée pour transmettre rapidement le message codé au SNC. Les cellules ciliées internes sont les vraies cellules sensorielles, au sens où elles effectuent l'ensemble des opérations de transduction en passant le message au nerf auditif (représenté en bleu) ; la synapse glutamatergique est régulée en rétro-controle (feed-back) par le système efférent latéral (représenté en rose). Les neurotransmetteurs de ces deux synapses sont indiqués. La cellule ciliée interne (CCI) et son complexe synaptique La base d'une CCI est entourée, en moyenne, d'une dizaine de complexes synaptiques = la CCI (i) fait synapse avec une dendrite du nerf auditif (a), elle même contactée par des terminaisons efférentes (flèches vertes) ; la flèche jaune représente une synapse efférente.
Fonctionnement de la synapse CCI / nerf auditif Le basculement des cils de la CCI ouvre les canaux K+; au pôle synaptique, la dépolarisation libère le glutamate qui excite la fibre auditive (bleue). Rôle des cellules ciliées externes (CCE) Les cellules ciliées externes : ou le "préampli-tuner" Les cellules ciliées externes et leur innervation L'électromotilité des cellules ciliées externes, responsable d'une pré-amplification et d'un filtrage actif de la vibration, est contrôlée par le système efférent médian (représenté en rouge), principalement cholinergique. Une information sur cette activité est renvoyée au SNC par les neurones de type II (représentant 5 % du nerf auditif, en vert) : il ne s'agit pas d'un message auditif! Le mécanisme actif des cellules ciliées externes
La base physiologique du mécanisme actif des cellules ciliées externes repose sur la présence, au niveau de leur membrane latérale, d'une mosaïque de molécules transmembranaires de prestine, protéine qui change de conformité (se raccourcit) lorsque les ions K+ pénètrent dans la cellule (voir transduction). La liaison entre ces molécules de prestine (véritables moteurs) et le réseau du cytosquelette de la CCE induit sa contraction (dépolarisation), puis son élongation (hyperpolarisation). L'électro-contraction des CCE amplifie localement la vibration de la partition cochléaire et les CCI vont être excitées avec un maximum d'efficacité. Synthèse du fonctionnement cochléaire... et de sa régulation centrale Le fonctionnement de l'organe de Corti, pour un son de faible intensité (parole par exemple) peut schématiquement se résumer en 5 phases : (1) Les vibrations sonores transmises à la périlymphe font onduler la membrane basilaire vers le haut et le bas. La tonotopie passive (onde propagée?) mobilise la membrane basilaire de la base (sons aigus) à l'apex (sons graves) de la cochlée. (2) Les stéréocils des CCE, implantés dans la membrane tectoriale sont déplacés horizontalement : lorsque la membrane basilaire s'élève, les cils sont basculés vers l'extérieur et la CCE est dépolarisée (entrée des ions K+). (3) Les CCE excitées (dépolarisées) se contractent (électromotilité). Du fait du couplage étroit entre CCE, membrane basilaire et lame réticulaire, ce mécanisme actif fournit de l'énergie amplifiant la vibration initiale ; en même temps il joue un rôle de filtre sélectif (tonotopie active). (4) La CCI est excitée, probablement par un contact direct avec la bande de Hensen de la membrane tectoriale. (5) La synapse entre CCI et fibre du nerf auditif est activée et un message est envoyé au cerveau.
Résumé du fonctionnement d'une cochlée saine Dans une cochlée normale, l'onde dite de Békésy provoque un maximum de vibration sur la partition cochléaire en fonction de la fréquence du son : c'est la tonotopie passive (aiguës à la base, graves à l'apex). Cela provoque 1) la stimulation des CCE qui se contractent (électromotilité) et 2) amplifient et accordent en fréquence l'onde de vibration qui 3) excite sélectivement la cellule ciliée interne (CCI). Le message est alors transmis au SNC par le nerf auditif. En retour le SNC peut contrôler l'électromotilité (système efférent médian) et la synapse entre la cellule ciliée interne et le nerf auditif (système efférent latéral). Nota : l'électro-contraction des CCE se transforme aussi en vibration des liquides cochléaires et peut être récupérée par un microphone posé dans le conduit auditif externe : ce sont les oto-émissions acoustiques (OAE) devenues un test objectif de la fonction cochléaire, non invasif et rapide, très utilisé chez le nouveau-né.
Résumé du fonctionnement d'une cochlée privée de cellules ciliées externes Sans CCE, la cochlée perd sa sensibilité et sa sélectivité en fréquences. Il faut un son beaucoup plus fort (+ 60 db) pour stimuler directement les CCI. Pire, le mécanisme d'accord en fréquences étant perdu,la même CCI peut être stimulée par des fréquences voisines : la discrimination fréquentielle ne pourra plus se faire correctement dans le cerveau. Cf. plus loin : pathologies neurosensorielles de la cochlée.
voies et centres auditifs voies primaires et non primaires Voie auditive primaire (à gauche) : spécifique à l'audition et discriminative (revoyez les principes de fonctionnement au chapitre "généralités"). Le nerf auditif (neurones de type I branchés sur les cellules ciliées internes) entre dans le tronc cérébral où un premier relais est effectué (noyaux cochléaires), la voie primaire croise la ligne médiane pour monter au cerveau : elle relaie dans l'olive supérieure, le colliculus inférieur et le thalamus (corps genouillé médian) avant d'aboutir au cortex auditif (temporal). Voie non primaire (réticulaire, à droite) : non spécifique (revoyez les principes de fonctionnement au chapitre "généralités"). Après le premier relais (noyaux cochléaires), les informations auditives sont intégrées aux autres informations sensorielles dans la formation réticulée; cette voie bilatérale passe par le thalamus non-spécifique et aboutit entre autre au cortex associatif.
Intégration comportementale Schéma synthétique du fonctionnement et des interactions des deux types de voies : Nota : revoir à ce propos le cours sur les généralités Nota : revoir à ce propos le cours sur les généralités
Physiopathologies neurosensorielles de la cochlée physiopathologie des cellules ciliées et des neurones ganglionnaires Physiopathologie des cellules ciliées Surdité liée à la perte des CCE, à la suite d'un traitement ototoxique par exemple. On note une perte progressive des cellules ciliées externes (CCEs) se traduisant par une baisse de sensibilité et de discrimination en fréquences. La figure du bas où la majorité des CCEs a disparu correspond à une perte de 60 db et une discrimination fortement atténuée. Cela se traduit, sur l'audiogramme vocal de droite par la courbe rouge : impossibilité de répéter un mot avant 60 db et impossibilité de dépasser 70% de réponses justes quel que soit le niveau, alors qu'il suffit de 20 db pour qu'un sujet normo-entendant (courbe bleue) obtienne 100% de réponses justes! Perte totale des cellules ciliées (externes et internes) = surdité totale. La disparition de toutes les cellules ciliées entraîne une surdité totale. Les cellules ciliées détruites n ont pas la propriété de régénérer (en tout cas dans la cochlée de mammifère)... même si les recherches se poursuivent dans ce domaine. Seul l implant cochléaire, qui stimule directement les fibres du nerf auditif, peut redonner quelques facultés auditives.
Physiopathologie des neurones ganglionnaires La cellule ciliée interne surstimulée libère trop de glutamate. Il peut en en résulter : - une phase aiguë avec surdité temporaire et acouphène (voir plus bas) - une phase retardée avec mort neuronale et surdité définitive En condition de bruit excessif (mais c'est aussi le cas en condition ischémique), la CCI libère trop de glutamate et son action excitotoxique détruit la postsynapse. En phase aiguë, la synapse peut se réparer et fonctionner à nouveau (surdité temporaire). En phase retardée, la répétition de ce phénomène peut entraîner une mort neuronale, liée à l entrée massive de calcium (surdité définitive). Lésion de la terminaison du nerf auditif et déclanchement d'un acouphène La libération excessive de glutamate (cf. ci-dessus) détruit la synapse, mais aussi irrite la terminaison du nerf auditif qui se met à envoyer au système nerveux central des volées de messages aberrants interprétés comme des acouphènes.