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 AvanLaboratoire 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
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)
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…
D’après Oxenham et al., PNAS 2011
Chaque note de la partition se rapporte à une hauteur, dont la succession crée une mélodie
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?
Cas particuliers insolubles:Mélodie éternellement ascendante de Shepard - Risset
Approches spectrales de la hauteur
De Cheveigné 2005
Approches temporelles de la hauteur.
De Cheveigné 2005
(F) est l’autocorrélation de (E).
Pas d’algorithme universel simple
(pas d’algorithme informatisé très efficace, notamment en présence de bruit)
Cas plus compliqués : sons anharmoniques, apériodiques
Domaine spectralapproche tonotopique, code = place
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”
Domaine temporelapproche / structure temporelle fine
code = cadence
Autres façons de voir le synchronisme partiel ( en conditions naturelles)
Index de synchronisation
1000 Hz 3000 Hz
D’après Oxenham et al., PNAS 2011
D’après Oxenham et al., PNAS 2011
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
(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.
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
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)
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?
Krishnan et coll., 2005
Extraction de l’intonation / tronc cérébral: FFR(’frequency following evoked (EEG) responses’)
Plasticité neuronale induite par l’expérience
Krishnan et coll., 2005
Des implants cochléaires à l'accès au langage?
quels codages dans l'implant pour reproduire quels codages naturels?
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
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)
D'aprèsDelgutte
Spectrogramme acoustique
Carte des activités neurales dans le tronc cérébral
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
synchronisme partiel( en conditions naturelles)
le synchronisme partiel (cdns artificielles: IC)
Delgutte & coll, 2004
Scène auditive
Scène auditive (cocktail party ou brouhaha)
simultanéité
Signaux en compétition : quels indices?
f0
harmonicité
f0
f''0
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
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
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’
enjeux:-meilleurs codages-meilleurs réglages-éducation, entraînement
• 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)
• reproduction précise (Bergeson +Trehub, 2002)
• musicale (Fernald, 1991)
• Langage signes / dance (Masataka, 1992)
• multi-modale
Parole maternelle
(Diapo d’après S.Trehub, Acfos 2004)
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
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
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
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
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
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
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