Mécanosensation - Mechanosensation

La mécanosensation est la transduction de stimuli mécaniques en signaux neuronaux. La mécanosensation fournit la base des sens du toucher léger, de l'ouïe, de la proprioception et de la douleur. Les mécanorécepteurs présents dans la peau, appelés mécanorécepteurs cutanés, sont responsables du sens du toucher. De minuscules cellules de l'oreille interne, appelées cellules ciliées , sont responsables de l'audition et de l' équilibre . Les états de douleur neuropathique, tels que l' hyperalgésie et l' allodynie , sont également directement liés à la mécanosensation. Un large éventail d'éléments sont impliqués dans le processus de mécanosensation, dont beaucoup ne sont pas encore entièrement compris.

Mécanorécepteurs cutanés

Les mécanorécepteurs cutanés sont classés physiologiquement en fonction de la vitesse de conduction , qui est directement liée au diamètre et à la myélinisation de l'axone.

Mécanorécepteurs à adaptation rapide et adaptation lente

Les mécanorécepteurs qui possèdent un grand diamètre et une myélinisation élevée sont appelés mécanorécepteurs à bas seuil . Les fibres qui répondent uniquement aux mouvements de la peau sont appelées mécanorécepteurs à adaptation rapide (RA), tandis que celles qui répondent également à l'indentation statique sont appelées mécanorécepteurs à adaptation lente (SA).

Fibres Aδ

Les fibres Aδ sont caractérisées par des axones minces et des gaines de myéline minces , et sont soit des récepteurs D-hair, soit des neurones nociceptifs . Les fibres Aδ conduisent à une vitesse allant jusqu'à 25 m/s. Les récepteurs D-hair ont de grands champs récepteurs et des seuils mécaniques très bas, et se sont révélés être les plus sensibles des mécanorécepteurs cutanés connus. Les mécanorécepteurs à fibres A (AM) ont également une myélinisation fine et sont connus pour leurs terminaisons nerveuses « libres ». On pense que les mécanonocicepteurs à fibres A ont une sensibilité mécanique élevée et de grands champs récepteurs, et sont responsables de douleurs mécaniques et thermiques rapides.

Fibres C

Les fibres C ont des vitesses de conduction lentes inférieures à 1,3 m/s car elles n'ont pas du tout de gaine de myéline . Les fibres C représentent 60 à 70 % des neurones afférents primaires qui innervent la peau. Les fibres C sont activées à la fois par des stimuli mécaniques et thermiques, et répondent également aux produits chimiques algésiques , tels que la capsaïcine . Certaines fibres C ne répondent qu'à des stimuli mécaniques. Par conséquent, la classification des fibres C est décomposée davantage. Les nocicepteurs à fibres C qui répondent à la fois aux stimuli mécaniques et thermiques comprennent le C-mécano-chaleur (C-MH), le C-mécano-froid (C-MC) et le C-mécano-chaleur (C-MHC). Les nocicepteurs à fibres C qui ne répondent qu'à des stimuli mécaniques sont appelés mécanonocicepteurs C (CM). D'autres groupes de fibres C comprennent les mécanorécepteurs à faible seuil de la fibre C (C-LT), qui sont impliqués dans le toucher non discriminant, et les afférences mécaniquement insensibles (MIA), qui manquent de mécanosensibilité et sont également connus sous le nom de nocicepteurs « silencieux » ou « endormis ». Les fibres C appelées "C-mécano insensibles à la chaleur et insensibles à la chaleur" (C-MiHi) représentent environ 15-25% de toutes les fibres C.

Mécanismes moléculaires

Les mécanismes moléculaires connus de la mécanosensibilité cutanée ne sont pas complètement compris. Très probablement, un seul processus de transduction unificateur par lequel tous les neurones sensoriels fonctionnent n'existe pas. On pense, cependant, que les neurones sensoriels utilisent des canaux cationiques rapides et à déclenchement mécanique, et que la dépolarisation qui en résulte à travers la membrane est suivie par la génération d'un potentiel d'action dépendant du sodium au site de transduction. On pense que les canaux cationiques rapides et à déclenchement mécanique sont caractéristiques de tous les neurones sensoriels. La dépolarisation membranaire, à son tour, conduit à un potentiel d'action dépendant du sodium à cet endroit. On pense également que la contrainte mécanique est détectée par les canaux ioniques à travers les composants cytoplasmiques et extracellulaires. L'existence d'un processus de transduction distinct pour tous les neurones sensoriels est hautement improbable. Il a été émis l'hypothèse que l'attachement des canaux ioniques aux structures cytoplasmiques et extracellulaires est responsable de la distinction de la contrainte mécanique sur la membrane cellulaire, et que la courbure cellulaire ne peut pas directement bloquer ces canaux ioniques seuls. La mécanosensation contribue également à la croissance et au développement cellulaires par l'interaction de la matrice extracellulaire (ECM) et la traction des récepteurs de l'intégrine qui facilitent l'adhésion.

Canaux TRP

La « doctrine des énergies nerveuses spécifiques » stipule que l'activation de voies nerveuses particulières provoque diverses modalités sensorielles. La classification des récepteurs sensoriels par rapport à la fonction suggère que différentes modalités sensorielles sont régies par des classes de récepteurs distinctes. Les canaux potentiels des récepteurs transitoires ( canaux TRP) ( canaux ioniques ) introduisent l'idée que l'expression de "capteurs moléculaires" spécifiques régit la sensibilité à certains stimuli. Les chercheurs pensent que la capacité de divers neurones récepteurs somatosensoriels à répondre à des stimuli spécifiques est le résultat de « l'expression combinée » de divers canaux ioniques dans chaque classe neuronale spécifique. Les canaux de transduction fonctionnent dans leur environnement spécifique et doivent être traités comme tels. Les canaux TRP jouent un rôle important dans la mécanosensation. Il existe sept sous-familles de TRP : TRPC, TRPM, TRPV, TRPN, TRPA, TRPP et TRPML. Certains de ces canaux TRP répondent à la tension des lipides membranaires, notamment TRPY et TRPC1. D'autres réagissent directement à la force mécanique, comme TRPN, TRPA1 et TRPV. D'autres sont activés par un second messager, tel que TRPV4. La sous-famille TRPA joue un rôle important dans la thermosensation. Par exemple, on pense que TRPA1 répond au froid nocif et à la mécanosensation. Le contenu cytoplasmique de chacun d'eux diffère considérablement, ce qui amène les chercheurs à douter que le cytoplasme soit au cœur de la mécanosensation.

Bicouche lipidique

Il existe des preuves que les canaux mécanosensibles peuvent être en tout ou en partie gouvernés par la bicouche lipidique , ce qui contribue aux forces d'étirement qui entraînent l'ouverture du canal. S'il est connu que les propriétés de bicouche lipidique des membranes cellulaires contribuent à la mécanosensation, on ignore encore dans quelle mesure la protéine interagit avec les groupes de tête des lipides. La mécanosensibilité des canaux TREK-1 dans une membrane biologique a été directement attribuée à la génération d'acide phosphatidique dans un processus rapide en deux étapes (<3 ms). L'activation était basée sur un modèle où les microdomaines lipidiques, au sein de la bicouche lipidique, divisent les molécules de signalisation dans des compartiments séparés et le mélange mécanique des signaux conduit à la production d'acide phosphatidique et à la signalisation en aval.

Cellules ciliées

Les cellules ciliées sont la source de la compréhension la plus détaillée de la mécanosensation. Ils sont présents dans les épithéliums sensoriels de l'oreille interne et sont responsables du système auditif et du système vestibulaire .

Structure

Le faisceau de cils qui fait saillie à la surface de la cellule ciliée est l' organite qui participe à la mécanosensation. Chacun de ces faisceaux mesure environ 4 à 10 m de haut et possède 30 à 300 stéréocils et un kinocil , qui a des caractéristiques mobiles. Le long de l'axe de symétrie, chaque rangée successive de stéréocils mesure environ 0,5 à 1,0 µm de plus, le kinocilium se trouvant à côté de la rangée la plus haute. Des structures extracellulaires relient les stéréocils entre eux. Ceux-ci incluent les liens de cheville (entre les stéréocils adjacents), les liens de tige (toute la longueur de la cellule ciliée) et les liens transversaux (latéralement entre les pointes). Les liens de pointe longent les pointes du stéréocil, de l'extrémité la plus courte à l'extrémité la plus longue. Les liens de pointe tirent sur les canaux ioniques pour les ouvrir. Il est connu que le lien de pointe est constitué de deux molécules de cadhérine différentes , la protocadhérine 15 et la cadhérine 23.

Fonction

Lorsqu'un événement se produit qui provoque la déviation du faisceau de cils vers le côté le plus haut, les canaux ioniques s'ouvrent et le courant entrant provoque une dépolarisation de la cellule. C'est ce qu'on appelle une déviation positive. Ce processus implique l'étirement des liens de pointe, qui ouvrent les canaux ioniques. Une déviation dans la direction opposée est appelée déviation négative et provoque le relâchement des liaisons de pointe et la fermeture des canaux ioniques. La déviation perpendiculaire est inefficace. On soupçonne que le site des canaux de transduction se situe aux extrémités des stéréocils. La vitesse à laquelle les canaux ioniques répondent à la déviation amène les chercheurs à croire que les stimuli mécaniques agissent directement sur le canal ionique et n'ont pas besoin d'un second messager. La sensibilité des cils est principalement due à la longueur ciliaire. Les stéréocils des cellules ciliées fonctionnelles ont la capacité de convertir les déflexions mécaniques en signaux neuronaux.

Les recherches en cours

Un aspect de la mécanosensation des cellules ciliées qui reste inconnu est la rigidité des maillons de la pointe. Étant donné que les liens de pointe sont composés de molécules de cadhérine, la modélisation informatique utilisant la dynamique moléculaire dirigée peut estimer la rigidité.

Simulation par ordinateur

La simulation informatique utilise des calculs de dynamique moléculaire. Le lien de pointe se compose de deux molécules de cadhérine différentes. La structure moléculaire de la classe générale des cadhérines est connue. La structure moléculaire est entrée dans l'ordinateur, qui calcule ensuite comment la protéine se déplacerait en utilisant les forces connues entre les atomes. Cela permet de caractériser le comportement de la protéine et de calculer la rigidité. Il a été constaté que les liens de pointe sont relativement rigides, on pense donc qu'il doit y avoir quelque chose d'autre dans les cellules ciliées qui est extensible qui permet aux stéréocils de se déplacer d'avant en arrière.

Études animales

Les animaux sont souvent utilisés dans la recherche pour essayer de découvrir la protéine. Les animaux sourds sont probablement sourds parce qu'ils ont une sorte de mutation dans cette protéine particulière, donc de nombreuses recherches se sont concentrées sur la recherche d'animaux sourds et sur la localisation de la mutation. Par exemple, il existe des souches de souris sourdes. Les défauts de leurs cellules ciliées affectent non seulement leur audition, mais aussi leur équilibre, ils ont donc tendance à tourner en rond. Ces souris sont reconnues depuis plusieurs décennies comme potentielles pour identifier la mutation à l'origine de ces problèmes de surdité et d'équilibre. Certaines sont des mutations dans les deux cadhérines qui constituent le lien de pointe, et d'autres ont été identifiées mais aucune d'entre elles n'est encore le canal ionique.

Blocage des chaînes

FMI-43 est un colorant qui peut être utilisé pour bloquer les canaux ioniques mécanosensibles et constitue donc une technique utile pour étudier les canaux ioniques mécanosensibles. Par exemple, le blocage de certains sous-types entraîne une diminution de la sensibilité à la douleur, ce qui suggère des caractéristiques de ce sous-type en ce qui concerne la mécanosensation.

Études futures

Lorsque la fonction et les mécanismes des cellules ciliées seront mieux compris, il pourrait y avoir deux applications. Il s'agit à la fois de recherches fondamentales dans d'autres domaines et d'applications cliniques dans le domaine des cellules ciliées. Le mécanisme de la cellule ciliée pourrait contribuer à la compréhension d'autres systèmes mécanosensoriels tels que le sens du toucher. Dans le domaine du toucher, le canal ionique qui est activé est également actuellement inconnu, et il est probable qu'il existe plusieurs canaux ioniques différents. À terme, on espère que cette recherche pourra aider les personnes ayant une déficience auditive. Par exemple, si quelqu'un soumet ses oreilles à des sons extrêmement forts, il peut alors subir une perte auditive. C'est probablement le résultat de la rupture des liens de pointe. Normalement, les maillons de pointe repoussent en une demi-journée environ, mais pour certaines personnes, ils sont plus fragiles, ce qui les rend plus sensibles à la perte auditive. Si la cause de cette susceptibilité pouvait être déterminée et si les liens de pointe étaient réparés, un médicament pourrait être développé pour aider les liens de pointe à repousser plus facilement. En règle générale, de nombreuses personnes perdent l'audition dans leur vieillesse, en particulier l'audition à haute fréquence. Ceci est causé par la mort des cellules ciliées, on espère donc que des techniques pourront être développées, telles que l'utilisation de cellules souches ou d'autres manipulations génétiques, pour encourager l'oreille interne à régénérer ses cellules ciliées et à restaurer l'audition.

Antennes cellulaires

Dans les disciplines biologiques et médicales , des découvertes récentes ont noté que les cils primaires dans de nombreux types de cellules chez les eucaryotes servent d' antennes cellulaires . Ces cils jouent un rôle important dans la mécanosensation. La compréhension scientifique actuelle des organites des cils primaires les considère comme « des antennes cellulaires sensorielles qui coordonnent un grand nombre de voies de signalisation cellulaire, couplant parfois la signalisation à la motilité ciliaire ou alternativement à la division et à la différenciation cellulaires ». Certains cils primaires sur les cellules épithéliales des eucaryotes agissent comme des antennes cellulaires , fournissant une chimiosensation , une thermosensation et une mécanosensation de l'environnement extracellulaire. Ces cils jouent alors un rôle dans la médiation d'indices de signalisation spécifiques, y compris des facteurs solubles dans l'environnement cellulaire externe, un rôle sécrétoire dans lequel une protéine soluble est libérée pour avoir un effet en aval du flux de fluide, et la médiation du flux de fluide si les cils sont mobiles . Certaines cellules épithéliales sont ciliées et existent généralement sous la forme d'une feuille de cellules polarisées formant un tube ou un tubule avec des cils se projetant dans la lumière .

Les canaux sodiques épithéliaux (ENaC) qui sont spécifiquement exprimés sur toute la longueur des cils servent apparemment de capteurs qui régulent le niveau de liquide entourant les cils.

Des exemples importants incluent les cils mobiles. Un résumé de haut niveau d'abstraction est que, "en effet, le cil est une machine biologique composée de peut-être plus de 600 protéines dans des complexes moléculaires, dont beaucoup fonctionnent également indépendamment comme des nanomachines". Les domaines de liaison flexibles permettent au domaine protéique de connexion de recruter leurs partenaires de liaison et d'induire une allostérie à longue distance via la dynamique des domaines protéiques . Ce rôle sensoriel et de signalisation place les cils dans un rôle central pour le maintien de l'environnement cellulaire local et peut être la raison pour laquelle les défauts ciliaires provoquent un si large éventail de maladies humaines.

Douleur neuropathique

L'hyperalgésie et l' allodynie sont des exemples de douleur neuropathique. On pense que l'activation de nocicepteurs neuronaux spécialisés est responsable de l'hyperalgésie. Des études suggèrent que l'hyperalgésie et l'allodynie sont déclenchées et entretenues par certains groupes de neurones sensoriels mécanosensibles. Il existe un consensus général au sein de la communauté scientifique sur le fait que les neuropeptides et les récepteurs NMDA sont essentiels à l'initiation d'états de sensibilisation tels que l'hyperalgésie et l'allodynie.

Hyperalgésie

L'hyperalgésie est une sensibilité extrême à la douleur. L'hyperalgésie aux stimuli mécaniques s'étend à une large zone autour de l'emplacement initial du stimulus, tandis que l'hyperalgésie aux stimuli thermiques reste au même endroit que le stimulus initial. L'hyperalgésie qui reste dans la zone initiale est connue sous le nom d'hyperalgésie primaire, et l'hyperalgésie qui s'étend à une vaste zone est l'hyperalgésie secondaire. L'hyperalgésie primaire repose probablement sur un mécanisme central. Il est avancé que les MIA, ou afférences primaires C-MiHi, sont cruciales pour l'initiation de l'hyperalgésie primaire car elles ont une réponse significative à la capsaïcine, qui est un produit chimique couramment utilisé pour induire l'hyperalgésie. On pense que l'hyperalgésie secondaire est causée par une réponse rachidienne amplifiée à la stimulation des nocicepteurs. Il est avancé que les nocicepteurs Aδ sensibles à la chaleur sont responsables de l'hyperalgésie secondaire.

Allodynie

L'allodynie est une douleur résultant d'un stimulus par ailleurs non douloureux. On pense que les connexions synaptiques restructurées dans la moelle épinière sont responsables de l'allodynie. La douleur associée à l'allodynie peut être attribuée aux fibres A myélinisées en raison d'un changement dans leur connectivité fonctionnelle centrale. Les mécanorécepteurs à haute sensibilité au mouvement, à savoir les fibres Aβ, seraient responsables. On ne sait pas encore si un seul mécanorécepteur sensible au mouvement ou tous contribuent à la douleur allodynique. Il existe un consensus général selon lequel l'activité continue des fibres C à l'emplacement du stimulus initial est responsable du maintien de l'allodynie.

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