Codages des messages sonores, des redondances aux contradictions, ou de l audition naturelle à l audition prothétique

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1 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

2 (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 Hopf Physiciens phénomènes vivants

3 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)

4 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

5 D après Oxenham et al., PNAS 2011

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

7 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?

8 Cas particuliers insolubles: Mélodie éternellement ascendante de Shepard - Risset

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10 Approches spectrales de la hauteur De Cheveigné 2005

11 Approches temporelles de la hauteur. (F) est l autocorrélation de (E). De Cheveigné 2005

12 Pas d algorithme universel simple (pas d algorithme informatisé très efficace, notamment en présence de bruit) Cas plus compliqués : sons anharmoniques, apériodiques

13 Domaine spectral approche tonotopique, code = place

14 Limites d un code positionnel an intensity increment of only 10 db caused the maximum to move by about mm We observed, on the other hand, that the apical excitation cut-off did not depend on sound intensity D après Zwislocki, 1999

15 Domaine temporel approche / structure temporelle fine code = cadence

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

18 pour modifier les styles du texte du masque Index xième niveau Troisième niveau Quatrième niveau Cinquième niveau de synchronisation 1000 Hz 3000 Hz

19 D après Oxenham et al., PNAS 2011

20 D après Oxenham et al., PNAS 2011

21 Autre intérêt du synchronisme: Résistance au bruit de fond Son pur (1 khz, flèche verticale) mélangé à du bruit blanc (Shamma, 1990) Le taux de décharge moyen est le même dans tous les neurones quelque soit leur fréquence caractéristique : ne permet pas l identification du

22 (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.

23 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

24 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)

25 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?

26 Extraction de l intonation / tronc cérébral: FFR ( frequency following evoked (EEG) responses ) Krishnan et coll., 2005

27 Plasticité neuronale induite par l expérience Krishnan et coll., 2005

28 Des implants cochléaires à l'accès au langage? quels codages dans l'implant pour reproduire quels codages naturels?

29 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

30 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)

31 Carte des activités neurales dans le tronc cérébral Spectrogram me acoustique D'après Delgutte

32 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

33 synchronisme partiel ( en conditions naturelles)

34 le synchronisme partiel (cdns artificielles: IC) Delgutte & coll, 2004

35 Scène auditive

36 cène auditive (cocktail party ou brouhaha

37 Signaux en compétition : quels indices? simultanéité harmonicité f0

38 f0 f''0

39 La hauteur est utilisée pour la ségrégation dans les scènes complexes 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

40 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 idem D après Oxenham et coll., 2004 Shamma, 2004

41 [1, 3, 4] [1, 3, 4] hauteur???? En fait pas de perception de hauteur dans le cas D après Oxenham et coll., 2004 Shamma, 2004

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

43 Données développementales (Sandra Trehub) 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

44 Parole maternelle musicale (Fernald, 1991) multi-modale Langage signes / dance (Masataka, 1992) reproduction précise (Bergeson +Trehub, 2002) (Diapo d après S.Trehub, Acfos 2004)

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46 Qcm 1 La hauteur: A. Repose entièrement sur un codage temporel B. Est déterminée par la plus basse fréquence représentée dans le spectre d un son C. Guide l extraction de sons dans un brouhaha (scène auditive complexe) D. N a de sens que pour des sons périodiques E. Est facilement identifiée par un implanté cochléaire

47 Qcm 1 La hauteur: A. Repose entièrement sur un codage temporel B. Est déterminée par la plus basse fréquence représentée dans le spectre d un son C. Guide l extraction de sons dans un brouhaha (scène auditive complexe) D. N a de sens que pour des sons périodiques E. Est facilement identifiée par un implanté cochléaire

48 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 existe C. Les sourds gardent une bonne analyse des mélodies D. Il existe un corrélat de la hauteur dans les frequency following responses, réponses électriques du tronc cérébral

49 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 existe C. Les sourds gardent une bonne analyse des mélodies D. Il existe un corrélat de la hauteur dans les frequency following responses, réponses électriques du tronc cérébral

50 Qcm 3 Est en faveur d un codage temporel de la hauteur le fait que: A. Les sons de Zwicker existent B. La diplacousie existe C. Les sourds ont une mauvaise sélectivité fréquentielle D. Il existe un corrélat de la hauteur dans les frequency following responses, réponses électriques du tronc cérébral

51 Qcm 3 Est en faveur d un codage temporel de la hauteur le fait que: A. Les sons de Zwicker existent B. La diplacousie existe C. Les sourds ont une mauvaise sélectivité fréquentielle D. Il existe un corrélat de la hauteur dans les frequency following responses, réponses électriques du tronc cérébral