Congratulations to our new doctor : Jeremie BARRAL who graduated last February 8th 2011 with the congratulations of the Jury !

Hair-bundle amplification by sensory hair cells from the inner ear
The vertebrate ear benefits from nonlinear mechanical amplification to operate over a vast range of sound intensities. The amplificatory process is thought to emerge from active force production by sensory hair cells. The mechano-sensory hair bundle that protrudes from the apical surface of each hair cell can oscillate spontaneously and function as a frequency-selective, nonlinear amplifier.
By analyzing the dynamics of a bullfrog's sacculus hair bundle immersed in various viscous milieus, we evaluated the effect of hydrodynamic friction. We observed that intrinsic fluctuations, owing to the small number of molecules inside the hair bundle, are the dominant source of noise that jostle the hair-bundle response weak stimuli and seriously limit amplification.
Most hair bundles are mechanically coupled by overlying gelatinous structures. By combining dynamic force clamp of a hair bundle with real-time stochastic simulations of hair-bundle mechanics, we could mimic a virtual environment in which a real hair-bundle is elastically coupled to two neighbors. We found that coupling increased the coherence of spontaneous hair-bundle oscillations
by effectively reducing noise. We argue that the auditory amplifier relies on hair-bundle cooperation to overcome intrinsic noise limitations and achieve high sensitivity and sharp frequency selectivity.
Nonlinear amplification is the price to pay for high sensitivity. Two-tone timulation of a single hair bundle generates distortion products and manifests masking phenomena. We showed that the effects of nonlinear mechano-transduction are amplified near the characteristic frequency of spontaneous hair-bundle oscillations. We thus argue that human psychophysical observations, cochlear mechanics and active hair-bundle oscillations rely on the generic behaviour of active nonlinear oscillators that shapes the sensation of sounds at the periphery of the auditory system.

L'amplificateur ciliaire des cellules ciliées de l'oreille interne
L'audition des vertébrés bénéficie d'un dispositif d'amplification non-linéaire afin de détecter une large gamme d'intensités sonores. Le mécanisme sous-jacent pourrait provenir de la production active de force par les cellules ciliées sensorielles. La touffe ciliaire mécano-sensorielle qui projette
de la surface apicale de chaque cellule ciliée peut osciller spontanément et agir comme un amplificateur non-linéaire sélectif autour d'une fréquence caractéristique.
En analysant la dynamique d'une touffe ciliaire issue du saccule de la grenouille taureau immergées dans différents milieux visqueux, nous avons évalué l'effet de la friction hydrodynamique.
Nous avons observé que les fluctuations intrinsèques, dues au faible nombre de molécules
composants la touffe ciliaire, sont la source dominante de bruit qui brouille la réponse de la touffe
ciliaire aux petits stimuli et limite dramatiquement l'amplification.
La plupart des touffes ciliaires sont mécaniquement couplées par des membranes
gélatineuses. En combinant application de force et simulation stochastique en temps réel de la
mécanique de la touffe ciliaire, nous avons mimé un environnement virtuel dans lequel une touffe ciliaire réelle est élastiquement couplée à deux voisines. Nous avons mis en lumière l'effet du couplage sur l'augmentation de la cohérence de phase et la réduction du bruit. Ces résultats indiquent que l'amplificateur auditif dépend de la coopération entre touffes ciliaires voisines afin d'accroître la sensibilité et la sélectivité fréquentielle de la détection auditive.
L'amplification non-linéaire est le prix à payer pour la sensibilité. La réponse d'une touffe ciliaire à un stimulus complexe présente l'émergence de produits de distorsion et de phénomènes de masquages. Nous avons montré que les effets non-linéaires de la mécano-transduction sont amplifiés près de la fréquence caractéristique de l'oscillation spontanée. Nous soutenons que les
observations psychoacoustiques, la mécanique cochléaire ainsi que les oscillations ciliaires spontanées dépendent du comportement générique d'oscillateurs actifs non-linéaires qui façonnent la sensation sonore à la périphérie du système auditif.

Jeremie Barral was a PhD student at Laboratoire Physico-Chimie Curie
CNRS, Institut Curie, UPMC, Université Paris-Diderot