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Codages des messages sonores, des redondances aux contradictions, ou de l’audition naturelle à l’audition prothétique Paul Avan Laboratoire de biophysique sensorielle Clermont-Ferrand

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Codages des messages sonores, des redondances aux contradictions, ou de l’audition naturelle à l’audition prothétique. Paul Avan Laboratoire de biophysique sensorielle Clermont-Ferrand. (bio)physique ou neurosciences?. Ohmdécomposition f von Helmholtz résonance - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: Paul  Avan Laboratoire de biophysique sensorielle Clermont-Ferrand

Codages des messages sonores,des redondances aux contradictions, ou

de l’audition naturelle à l’audition prothétique

Paul AvanLaboratoire de biophysique sensorielle

Clermont-Ferrand

Page 2: Paul  Avan Laboratoire de biophysique sensorielle Clermont-Ferrand

(bio)physique ou neurosciences?

• Ohm décomposition f• von Helmholtz résonance• Stevens (élève de Millikan) croissance de sonie• von Békésy mb basilaire• Gold, Kemp (astrophysique) méca. active• McLeod implant cochléaire• Prost HopfPhysiciens … … … … … … … phénomènes

vivants

Page 3: Paul  Avan Laboratoire de biophysique sensorielle Clermont-Ferrand

Codage de la hauteur

Hauteur –Pitch-: le percept auditif lié à la fréquence, ou encore au taux de répétition des sons périodiques.Importance capitale pour la musique, la parole (notamment dans le bruit).

Sons purs, complexes harmoniques fondamentale (f0) –pas nécessairement présente

Prosodie (langues accentuées ou non)Information sémantique (langues tonales)

Page 4: Paul  Avan Laboratoire de biophysique sensorielle Clermont-Ferrand

Intonation « pitch » ou hauteur

• Hauteur tonale• Hauteur fondamentale (periodicity pitch)• Hauteur brute (… timbre -centre de gravité

énergétique)• Hauteurs spectrales (liées aux raies spectrales)• Hauteurs binaurales…

Page 5: Paul  Avan Laboratoire de biophysique sensorielle Clermont-Ferrand

D’après Oxenham et al., PNAS 2011

Page 6: Paul  Avan Laboratoire de biophysique sensorielle Clermont-Ferrand

Chaque note de la partition se rapporte à une hauteur, dont la succession crée une mélodie

Page 7: Paul  Avan Laboratoire de biophysique sensorielle Clermont-Ferrand

corrélats physiologiques• La notion de hauteur est complexe

– Échelle de Stevens en mel (classement)– Echelle en chroma (relative à des intervalles /

octave)• Deux codages possibles, mathématiquement

duaux (f = 1/T) mais physiologiquement différents (place / cadence)

• Pour chaque codage, pt de départ périphérique clair mais quelle interprétation centrale?

Page 8: Paul  Avan Laboratoire de biophysique sensorielle Clermont-Ferrand

Cas particuliers insolubles:Mélodie éternellement ascendante de Shepard - Risset

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Page 10: Paul  Avan Laboratoire de biophysique sensorielle Clermont-Ferrand

Approches spectrales de la hauteur

De Cheveigné 2005

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Approches temporelles de la hauteur.

De Cheveigné 2005

(F) est l’autocorrélation de (E).

Page 12: Paul  Avan Laboratoire de biophysique sensorielle Clermont-Ferrand

Pas d’algorithme universel simple

(pas d’algorithme informatisé très efficace, notamment en présence de bruit)

Cas plus compliqués : sons anharmoniques, apériodiques

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Domaine spectralapproche tonotopique, code = place

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Limites d’un code positionnel

D’après Zwislocki, 1999

“an intensity increment of only 10 dB caused the maximum to move by about 0.225 mm” … “We observed, on the other hand, that the apical excitation cut-off did not depend on sound intensity”

Page 15: Paul  Avan Laboratoire de biophysique sensorielle Clermont-Ferrand

Domaine temporelapproche / structure temporelle fine

code = cadence

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Page 17: Paul  Avan Laboratoire de biophysique sensorielle Clermont-Ferrand

Autres façons de voir le synchronisme partiel ( en conditions naturelles)

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Index de synchronisation

1000 Hz 3000 Hz

Page 19: Paul  Avan Laboratoire de biophysique sensorielle Clermont-Ferrand

D’après Oxenham et al., PNAS 2011

Page 20: Paul  Avan Laboratoire de biophysique sensorielle Clermont-Ferrand

D’après Oxenham et al., PNAS 2011

Page 21: Paul  Avan Laboratoire de biophysique sensorielle Clermont-Ferrand

Autre intérêt du synchronisme:Résistance au bruit de fond

(Shamma, 1990)

Son pur (1 kHz, flèche verticale) mélangé à du bruit blanc

Le taux de décharge moyen est le même dans tous les neurones quelque soit leur fréquence caractéristique : ne permet pas l’identification du son

Page 22: Paul  Avan Laboratoire de biophysique sensorielle Clermont-Ferrand

(Shamma, 1990)

Cependant, les neurones codant pour à peu près 1 kHz tendent à donner des décharges périodiques. Cet indice, s’il est exploité, trahit la présence du son pur.

Page 23: Paul  Avan Laboratoire de biophysique sensorielle Clermont-Ferrand

Et la diplacousie?• Phénomène selon lequel la hauteur diffère

d’une oreille à l’autre (> ½ ton)• Maladie de Menière (changement de rigidité

de la partition cochléaire)• Prise de carbamazépine (Tégrétol®) inhibiteur

des canaux aquaporine?? (E.LePage)• Possible en cas d’écoute « hors fréquence »• Facile à expliquer si hauteur codée par la

position

Page 24: Paul  Avan Laboratoire de biophysique sensorielle Clermont-Ferrand

Autres arguments au débat:temporel? tonotopique?

• Intensité croissante =>tonotopie décalée• Sourds• Surdités avec carte tonotopique perturbée

• Pas de synchro > 3 kHz (?)• Sons de Zwicker (acouphènes accompagnant la fatigue

due à l’exposition à une bande de bruit)

Page 25: Paul  Avan Laboratoire de biophysique sensorielle Clermont-Ferrand

La hauteur?

• Code spectral? Temporel? Spectral? …• Peu importe finalement car les deux sont

cohérents dans le monde physique (f = 1/T) … oui, mais dans le monde des sourds appareillés?

• Mesures objectives?

Page 26: Paul  Avan Laboratoire de biophysique sensorielle Clermont-Ferrand

Krishnan et coll., 2005

Extraction de l’intonation / tronc cérébral: FFR(’frequency following evoked (EEG) responses’)

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Plasticité neuronale induite par l’expérience

Krishnan et coll., 2005

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Des implants cochléaires à l'accès au langage?

quels codages dans l'implant pour reproduire quels codages naturels?

Page 29: Paul  Avan Laboratoire de biophysique sensorielle Clermont-Ferrand

L’implant cochléaire pour qui?

• Surdités profondes bilatérales• Avec score vocal < 50%• Si post-linguales, pas de contrainte d’âge• Si prélinguales, appareillage << 3 ans pour restaurer

l’accès au langage• Porte électrodes dans la spirale cochléaire• Stimulation directe des neurones du modiolus• Récepteur sous-cutané• Processeur externe contour d’oreille

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Codage dans un implant numérique

IC: respectent un principe tonotopique ne respectent pas la structure temporelle fine respectent les enveloppes

Correct dans le silence (Shannon, 1985)

Page 31: Paul  Avan Laboratoire de biophysique sensorielle Clermont-Ferrand

D'aprèsDelgutte

Spectrogramme acoustique

Carte des activités neurales dans le tronc cérébral

Page 32: Paul  Avan Laboratoire de biophysique sensorielle Clermont-Ferrand

Principaux résultats

• Succès = règle• 1ers résultats (1ère activation et réglages 2-3) souvent

très limités, jugés décevants (bruits)• Puis augmentation de dynamique neurale• Avec orthophonie, résultats à 6 mois déjà bons• Avec appareil controlatéral conventionnel, résultats

encore meilleurs (V1+2 >> V1 +V2)• Mais, dans le bruit: résultats mauvais• Musique: résultats mauvais

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synchronisme partiel( en conditions naturelles)

Page 34: Paul  Avan Laboratoire de biophysique sensorielle Clermont-Ferrand

le synchronisme partiel (cdns artificielles: IC)

Delgutte & coll, 2004

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Scène auditive

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Scène auditive (cocktail party ou brouhaha)

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simultanéité

Signaux en compétition : quels indices?

f0

harmonicité

Page 38: Paul  Avan Laboratoire de biophysique sensorielle Clermont-Ferrand

f0

f''0

Page 39: Paul  Avan Laboratoire de biophysique sensorielle Clermont-Ferrand

Mais: challenge difficile pour un implant cochléaire,codage de la hauteur par tonotopie ou synchronisme?Le porte-électrodes, selon son insertion, simule une tonotopie plus ou moins transposée

La hauteur est utilisée pour la ségrégation dans les scènes complexes

Page 40: Paul  Avan Laboratoire de biophysique sensorielle Clermont-Ferrand

D’après Oxenham et coll., 2004 Shamma, 2004

idem

Simulation de la situation créée par un implant cochléaire, par un synthétiseur transposant les raies spectrales sans changer la structure temporelle d’enveloppes. Test de sujets normo-entendants

Page 41: Paul  Avan Laboratoire de biophysique sensorielle Clermont-Ferrand

D’après Oxenham et coll., 2004 Shamma, 2004

[1, 3, 4]

¹ [1, 3, 4]hauteur ????

En fait pas de perception de hauteur dans le cas ‘transposé’

Page 42: Paul  Avan Laboratoire de biophysique sensorielle Clermont-Ferrand

enjeux:-meilleurs codages-meilleurs réglages-éducation, entraînement

Page 43: Paul  Avan Laboratoire de biophysique sensorielle Clermont-Ferrand

• Aptitudes précoces à l’écoute (innées)• Excellente mémoire / musique• Intense intérêt pour la musique• Environnement très musical• Reconnaissance des mélodies et des

transpositions • Sensibilité à des traits musicaux de toutes les

cultures• Enfants implantés: intérêt pour la musique,

mais mélodies: 0

Données développementales(Sandra Trehub)

Page 44: Paul  Avan Laboratoire de biophysique sensorielle Clermont-Ferrand

• reproduction précise (Bergeson +Trehub, 2002)

• musicale (Fernald, 1991)

• Langage signes / dance (Masataka, 1992)

• multi-modale

Parole maternelle

(Diapo d’après S.Trehub, Acfos 2004)

Page 45: Paul  Avan Laboratoire de biophysique sensorielle Clermont-Ferrand
Page 46: Paul  Avan Laboratoire de biophysique sensorielle Clermont-Ferrand

Qcm 1

La hauteur:A. Repose entièrement sur un codage temporelB. Est déterminée par la plus basse fréquence

représentée dans le spectre d’un sonC. Guide l’extraction de sons dans un brouhaha (scène

auditive complexe)D. N’a de sens que pour des sons périodiquesE. Est facilement identifiée par un implanté cochléaire

Page 47: Paul  Avan Laboratoire de biophysique sensorielle Clermont-Ferrand

Qcm 1

La hauteur:A. Repose entièrement sur un codage temporelB. Est déterminée par la plus basse fréquence

représentée dans le spectre d’un sonC. Guide l’extraction de sons dans un brouhaha

(scène auditive complexe)D. N’a de sens que pour des sons périodiquesE. Est facilement identifiée par un implanté cochléaire

Page 48: Paul  Avan Laboratoire de biophysique sensorielle Clermont-Ferrand

Qcm 2

Est en faveur d’un codage spatial de la hauteur le fait que:

A. La position du pic d’excitation sur la membrane basilaire est indépendante du niveau

B. La diplacousie existeC. Les sourds gardent une bonne analyse des mélodiesD. Il existe un corrélat de la hauteur dans les

‘frequency following responses’, réponses électriques du tronc cérébral

Page 49: Paul  Avan Laboratoire de biophysique sensorielle Clermont-Ferrand

Qcm 2

Est en faveur d’un codage spatial de la hauteur le fait que:

A. La position du pic d’excitation sur la membrane basilaire est indépendante du niveau

B. La diplacousie existeC. Les sourds gardent une bonne analyse des mélodiesD. Il existe un corrélat de la hauteur dans les

‘frequency following responses’, réponses électriques du tronc cérébral

Page 50: Paul  Avan Laboratoire de biophysique sensorielle Clermont-Ferrand

Qcm 3

Est en faveur d’un codage temporel de la hauteur le fait que:

A. Les sons de Zwicker existentB. La diplacousie existeC. Les sourds ont une mauvaise sélectivité

fréquentielleD. Il existe un corrélat de la hauteur dans les

‘frequency following responses’, réponses électriques du tronc cérébral

Page 51: Paul  Avan Laboratoire de biophysique sensorielle Clermont-Ferrand

Qcm 3

Est en faveur d’un codage temporel de la hauteur le fait que:

A. Les sons de Zwicker existentB. La diplacousie existeC. Les sourds ont une mauvaise sélectivité

fréquentielleD. Il existe un corrélat de la hauteur dans les

‘frequency following responses’, réponses électriques du tronc cérébral