Le système vestibulaire est un ensemble de structures de l’oreille interne qui fournissent un sentiment d’équilibre et d’orientation spatiale. Ce système est composé de structures dans le labyrinthe de l’oreille interne, y compris la cochlée et deux organes d’otolithe : l’utricule et le saccule. Le labyrinthe contient également trois canaux semi-circulaires — supérieur, postérieur et horizontal — qui sont orientés sur différents plans.

Toutes ces structures contiennent des cellules ciliées vestibulaires — les récepteurs sensoriels du système vestibulaire. Dans les organes d’otolithe, les cellules ciliées se trouvent sous une couche gélatineuse appelée membrane otolithique, qui contient de l’otoconie — cristaux de carbonate de calcium — ce qui la rend relativement lourde. Lorsque la tête est inclinée, la membrane otolithique se déplace, pliant les stéréocils sur les cellules ciliées.

Dans les canaux semi-circulaires, les cils des cellules ciliées sont contenus dans une cupule gélatineuse, qui est entourée de liquide endolymphe. Lorsque la tête subit des mouvements, tels que l’accélération rotationnelle et la décélération, le fluide se déplace, pliant la cupule et les cils à l’intérieur.

Semblable aux cellules ciliées auditives, le déplacement vers le cil le plus haut provoque l’ouverture de canaux ioniques à barrière mécanique, dépolarisant la cellule et augmentant la libération des neurotransmetteurs. Le déplacement vers le cil le plus court hyperpolarise la cellule et diminue la libération des neurotransmetteurs par rapport au repos. De cette façon, les mouvements de la tête sont transduits en signaux neuronaux.

Les cellules capillaires vestibulaires sont orientées dans différentes directions au sein des structures du labyrinthe, qui sont elles-mêmes orientées dans des directions différentes, ce qui permet de détecter divers types et directions de mouvement de la tête. Cette information est envoyée du labyrinthe à travers le nerf vestibulaire à des parties du cerveau, comme le tronc cérébral et le cervelet, ainsi que certains muscles optiques. Cela permet des réponses moteurs rapides, comme le réflexe vestibulo-oculaire, qui ajuste la position des yeux pour stabiliser le regard pendant que la tête se déplace.

Dans le cerveau, l’information vestibulaire des deux oreilles est intégrée à d’autres types d’informations sensorielles, comme l’information visuelle, pour faciliter l’orientation spatiale. Certaines informations vestibulaires sont envoyées par le thalamus au cortex cérébral, aidant à la perception consciente de l’orientation dans l’espace.