Modèle intégratif de la navigation spatiale chez un micro-organisme mécanosensible – MECHAMO

Pour atteindre ses objectifs, le projet a mobilisé des compétences et des techniques issues de plusieurs domaines distincts, étroitement articulés au sein d'un consortium de trois laboratoires parisiens.

Observer et mesurer le comportement. La nage de la paramécie a été filmée grâce à un système de vidéomicroscopie permettant de reconstruire précisément les trajectoires. Des environnements microstructurés fabriqués par micro-fraisage ont permis de soumettre la paramécie à des situations contrôlées, notamment des obstacles de géométrie variable.

Manipuler le génome. L'identification des canaux mécanosensibles a reposé sur l'interférence ARN, en nourrissant la paramécie avec des bactéries produisant les ARN double-brin ciblant les gènes d'intérêt. Un indicateur calcique génétiquement encodé — le jGCaMP7, réécrit pour le code génétique déviant de la paramécie — a été développé et ciblé vers les cils par fusion avec une protéine ciliaire.

Mesurer la physiologie cellulaire. La paramécie a été immobilisée grâce à un dispositif original dans lequel la cellule est aspirée contre un filtre microporeux, rendant possible l'enregistrement de potentiels d'action et de courants ioniques par microélectrodes. Les courants de transduction mécanique et chimique ont été mesurés respectivement par stimulation piézoélectrique et par dispositif microfluidique. Le battement ciliaire a été quantifié par vélocimétrie par image de particules (micro-PIV).

Modéliser et intégrer. Les données expérimentales ont alimenté des modèles de canaux ioniques ajustés par optimisation non linéaire, grâce à un outil développé pour le simulateur neuronal Brian. Ces modèles ont été progressivement assemblés en un modèle sensorimoteur complet, dont les prédictions ont été confrontées aux comportements observés.

Comportement et navigation. La réaction d'évitement de la paramécie a été caractérisée quantitativement, à haute résolution spatiale et temporelle (Escoubet et al., 2023). La relation entre les propriétés du contact avec un obstacle (angle d'incidence, intensité) et les caractéristiques de la réaction d'évitement (durée de la nage en arrière, amplitude du changement de direction) a été quantifiée. Nous avons démontré l'existence de trois réactions possibles: glissement, réaction d'évitement (RE) instantanée, et RE retardée, et proposé un modèle électrophysiologique explicatif. Nous avons également développé une technique computationnelle (IA) permettant de mesurer la position 3D des paramécies (Hosseini et al., 2025).

Outils génétiques. Les gènes de canaux mécanosensibles de la famille Piezo impliqués dans la réaction d'évitement ont été testés par interférence ARN. Nous avons montré que ces gènes ne sont pas impliqués dans la réaction d'évitement. En revanche, celle-ci est bloquée par la toxine GsMTx-4, ce qui indique un mécanorécepteur probablement de la famille TRP. Un indicateur calcique génétiquement encodé, adapté au code génétique de la paramécie et ciblé vers les cils, a été développé. Le signal est cependant faible et il reste donc à être optimisé. Ces outils constituent une ressource nouvelle pour l'ensemble de la communauté travaillant sur les ciliés.

Modélisation électrophysiologique. Un modèle quantitatif du potentiel d'action de la paramécie a été établi, comprenant les canaux calciques et potassiques ainsi que la dynamique calcique intraciliaire (Elices et al. 2023). Ce modèle a été contraint et validé par des enregistrements électrophysiologiques et des données de micro-PIV caractérisant le couplage électromoteur.

Modèle intégratif. L'assemblage de ces modèles en un modèle sensorimoteur complet a permis de reproduire des comportements intégrés : nage spontanée et navigation en environnement structuré (Elices et al. 2023). Ce modèle constitue, à notre connaissance, le premier modèle intégratif reliant le niveau des canaux ioniques au niveau comportemental chez un organisme eucaryote.

Approfondissement du modèle intégratif. Le modèle sensorimoteur développé dans ce projet constitue une base solide pour des développements ultérieurs. Plusieurs aspects ont été volontairement simplifiés et pourraient être affinés : la dynamique spatiale du calcium intraciliaire, la distribution précise des différents types de canaux le long de la cellule, ou encore les interactions hydrodynamiques entre la paramécie et les surfaces. L'intégration de ces éléments permettrait d'améliorer le pouvoir prédictif du modèle dans des environnements encore plus complexes.

Extension à d'autres comportements. La paramécie exhibe une gamme de comportements sensoriels plus large que celle explorée dans ce projet : galvanotaxie, thermotaxie, réponse à la gravité. Le cadre expérimental et théorique développé ici est directement applicable à la caractérisation quantitative de ces comportements et à leur intégration dans le modèle.

Exploitation des outils génétiques. L'indicateur calcique génétiquement encodé et ciblé vers les cils ouvre la possibilité de mesurer l'activité calcique de la paramécie en cellule librement nageante, simultanément à l'enregistrement de sa trajectoire. Cette approche, à peine esquissée dans ce projet, permettrait de tester directement et à grande échelle les prédictions du modèle intégratif sur le lien entre signal calcique et comportement.

Modélisation intégrative dans d'autres organismes. La démonstration de faisabilité réalisée ici pour la paramécie ouvre des perspectives pour des organismes plus complexes. La démarche adoptée est en principe transférable à d'autres ciliés, voire à des organismes pluricellulaires simples. La paramécie pourrait ainsi servir de banc d'essai méthodologique pour le développement de modèles intégratifs dans des systèmes nerveux de complexité croissante.

Applications en robotique bio-inspirée. Le modèle de navigation développé, reliant perception sensorielle et action motrice via un mécanisme électrochimique minimal, constitue une source d'inspiration pour la conception de micro-robots autonomes. Les principes d'intégration sensorielle identifiés chez la paramécie — notamment la manière dont elle combine signaux mécaniques et chimiques pour naviguer dans un environnement obstrué — pourraient être implémentés dans des systèmes artificiels opérant à petite échelle, avec des applications potentielles en médecine (micro-robots de délivrance ciblée de médicaments).

La paramécie est un organisme unicellulaire eucaryote qui nage en eau douce grâce à ses cils. Elle se nourrit de bactéries qu’elle localise par chimiotactisme, tout en évitant des obstacles grâce à sa sensibilité mécanique. Elle contrôle son déplacement à l’aide de potentiels d’action produits comme dans les neurones, par des canaux ioniques voltage-dépendants, et dont l’initiation, au contact d’obstacles, résulte de l’ouverture de canaux ioniques mécanosensibles. Pour ce projet, nous développerons un modèle intégré de la navigation spatiale de la paramécie, qui relie les caractéristiques électrochimiques des courants de transduction et des potentiels d’action au mouvement résultant de la paramécie. Il s’agira en particulier d’expliquer comment la paramécie se déplace dans un environnement encombré pertinent écologiquement, en utilisant signaux chimiques et mécaniques. Ceci sera fait avec des mesures d’électrophysiologie intracellulaire, du suivi de mouvement et de l’imagerie calcique.