BETA2/NeuroD1 is a bHLH transcription factor that is expressed during development in the mammalian pancreas and in many locations in the central and peripheral nervous systems. During inner ear ontogenesis, it is present in both sensory ganglion neurons and sensory epithelia. Although studies have shown that BETA2/NeuroD1 is important in the development of the hippocampal dentate gyrus and the cerebellum, its functions in the peripheral nervous system and in particular in the inner ear are unclear. Mice carrying a BETA2/NeuroD1 null mutation exhibit behavioral abnormalities suggestive of an inner ear defect, including lack of responsiveness to sound, hyperactivity, head tilting, and circling. Here we show that these defects can be explained by a severe reduction of sensory neurons in the cochlear-vestibular ganglion (CVG). A developmental study of CVG formation in the null demonstrates that BETA2/NeuroD1 does not play a primary role in the proliferation of neuroblast precursors or in their decision to become neuroblasts. Instead, the reduction in CVG neuron number is caused by a combination both of delayed or defective delamination of CVG neuroblast precursors from the otic vesicle epithelium and of enhanced apoptosis both in the otic epithelium and among those neurons that do delaminate to form the CVG. There are also defects in differentiation and patterning of the cochlear duct and sensory epithelium and loss of the dorsal cochlear nucleus. BETA2/NeuroD1 is, thus, the first gene to be shown to regulate neuronal and sensory cell development in both the cochlear and vestibular systems.

Adaptation in a vestibular organ, the bullfrog's sacculus, was studied in vivo and in vitro. In the in vivo experiments, the discharge of primary saccular neurons and the extracellular response of saccular hair cells were recorded during steps of linear acceleration. The saccular neurons responded at the onset of the acceleration steps, then adapted fully within 10-50 msec. The extracellular (microphonic) response of the hair cells adapted with a similar time course, indicating that the primary sources of the neural adaptation are peripheral to the afferent synapse--in the hair cell, its mechanical inputs, or both. Evidence for hair cell adaptation was provided by 2 in vitro preparations: after excising the sacculus and removing the accessory structures, we recorded either the extracellular hair cell response to displacement of the otolithic membrane or the intracellular hair cell response to hair bundle displacement. In both cases the response to a step stimulus adapted. The adaptation involved a shift in the displacement-response curve along the displacement axis, so that the cell's operating point was reset toward the static position of its hair bundle. This displacement shift occurred in response to both depolarizing and hyperpolarizing stimuli. Its time course varied among cells, from tens to hundreds of milliseconds, and also varied with the concentration of Ca2+ bathing the apical surfaces of the hair cells. Voltage-clamp experiments suggested that the displacement shift does not depend simply on ion entry through the hair cell's transduction channels and can occur at a fixed membrane potential. The possible role of the displacement-shift process in the function of the frog's sacculus as a very sensitive vibration detector is discussed.

Abstract Vestibular hair cells transmit information about head position and motion across synapses to primary afferent neurons. At some of these synapses, the afferent neuron envelopes the hair cell, forming an enlarged synaptic terminal called a calyx. The vestibular hair cell-calyx synapse supports a mysterious form of electrical transmission that does not involve gap junctions termed nonquantal transmission (NQT). The NQT mechanism is thought to involve the flow of ions from the pre-synaptic hair cell to the post-synaptic calyx through low-voltage-activated channels driven by changes in cleft [K + ] as K + exits the hair cell. However, this hypothesis has not been tested with a quantitative model and the possible role of an electrical potential in the cleft has remained speculative. Here we present a computational model that captures salient experimental observations of NQT and identifies overlooked features that corroborate the existence of an electrical potential ( ϕ ) in the synaptic cleft. We show that changes in cleft ϕ reduce transmission latency and illustrate the relative contributions of both cleft [K + ] and ϕ to the gain and phase of NQT. We further demonstrate that the magnitude and speed of NQT depend on calyx morphology and that increasing calyx height reduces action potential latency in the calyx afferent. These predictions are consistent with the idea that the calyx evolved to enhance NQT and speed up vestibular signals that drive neural circuits controlling gaze, balance, and orientation. Significance Statement The ability of the vestibular system to drive the fastest reflexes in the nervous system depends on rapid transmission of mechanosensory signals at vestibular hair cell synapses. In mammals and other amniotes, afferent neurons form unusually large calyx terminals on certain hair cells, and communication at these synapses includes nonquantal transmission (NQT), which avoids the synaptic delay of quantal transmission. We present a quantitative model that shows how NQT depends on the extent of the calyx covering the hair cell and attributes the short latency of NQT to changes in synaptic cleft electrical potential caused by current flowing through open potassium channels in the hair cell. This previously undescribed mechanism may act at other synapses.

In amniotes, head motions and tilt are detected by two types of vestibular hair cells (HCs) with strikingly different morphology and physiology. Mature type I HCs express a large and very unusual potassium conductance, gK,L, which activates negative to resting potential, confers very negative resting potentials and low input resistances, and enhances an unusual non-quantal transmission from type I cells onto their calyceal afferent terminals. Following clues pointing to KV1.8 (KCNA10) in the Shaker K channel family as a candidate gK,L subunit, we compared whole-cell voltage-dependent currents from utricular hair cells of KV1.8-null mice and littermate controls. We found that KV1.8 is necessary not just for gK,L but also for fast-inactivating and delayed rectifier currents in type II HCs, which activate positive to resting potential. The distinct properties of the three KV1.8-dependent conductances may reflect different mixing with other KV1 subunits, such as KV1.4 (KCNA4). In KV1.8-null HCs of both types, residual outwardly rectifying conductances include KV7 (KCNQ) channels. Current clamp records show that in both HC types, KV1.8-dependent conductances increase the speed and damping of voltage responses. Features that speed up vestibular receptor potentials and non-quantal afferent transmission may have helped stabilize locomotion as tetrapods moved from water to land.

Vestibular afferent neurons occur as two populations, regular and irregular, that provide distinct information about head motions. Differences in spike timing regularity are correlated with the different sensory responses important for vestibular processing. Relative to irregular afferents, regular afferents have more sustained firing patterns in response to depolarizing current steps, are more excitable, and have different complements of ion channels. Models of vestibular regularity and excitability emphasize the influence of increased expression of low-voltage-activated potassium currents in irregular neurons. We investigated the potential impact of different modes of voltage-gated sodium (NaV) current (transient, persistent, and resurgent) in cell bodies from vestibular ganglion neurons (VGNs), dissociated and cultured overnight. We hypothesized that regular VGNs would show the greatest impact of persistent (non-inactivating) NaV currents and of resurgent NaV currents, which flow when NaV channels are blocked and then unblocked. Whole-cell patch clamp experiments showed that much of the NaV current modes is carried by NaV1.6 channels. With simulations, we detected little substantial effect in any model VGN of persistent or resurgent modes on regularity of spike timing driven by postsynaptic current trains. For simulated irregular neurons, we also saw little effect on spike rate or firing pattern. For simulated regular VGNs, adding resurgent current changed the detailed timing of spikes during a current step, while the small persistent conductance (less than10% of transient NaV conductance density) strongly depolarized resting potential, altered spike waveform, and increased spike rate. These results suggest that persistent and resurgent NaV current can have a greater effect on the regular VGNs than on irregular VGNs, where low-voltage-activated K conductances dominate.

Each vestibular sensory epithelia of the inner ear is divided into two zones, the striola and extrastriola in maculae of otolith organs and the central and peripheral zones in cristae of semicircular canals, that differ in morphology and physiology. We found that formation of striolar/central zones during embryogenesis requires Cytochrome P450 26b1 (Cyp26b1)-mediated degradation of retinoic acid (RA). In Cyp26b1 conditional knockout mice, the identities of the striolar/central zones were compromised, including abnormal innervating neurons and otoconia in otolith organs. Vestibular evoked potentials (VsEP) in response to jerk stimuli were largely absent. Vestibulo-ocular reflexes and standard motor performances such as forced swimming were unaffected, but mutants had head tremors and deficits in balance beam tests that were consistent with abnormal vestibular input. Thus, degradation of RA during embryogenesis is required for patterning highly specialized regions of the vestibular sensory epithelia that may provide acute feedback about head motion.

Otolith organs in the inner ear and neuromasts in the fish lateral-line harbor two populations of hair cells oriented to detect stimuli in opposing directions. The underlying mechanism is highly conserved: the transcription factor EMX2 is regionally expressed in just one hair cell population and acts through the receptor GPR156 to reverse cell orientation relative to the other population. In mouse and zebrafish, loss of Emx2 results in sensory organs that harbor only one hair cell orientation and are not innervated properly. In zebrafish, Emx2 also confers hair cells with reduced mechanosensory properties. Here, we leverage mouse and zebrafish models lacking GPR156 to determine how detecting stimuli of opposing directions serves vestibular function, and whether GPR156 has other roles besides orienting hair cells. We find that otolith organs in