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Thèse Année : 2021

Psychophysical characterization of internal noise in auditory treatment of temporal modulations : effects of ageing and cochlear damage

Caractérisation psychophysique du bruit interne dans le traitement auditif des modulations temporelles : effets du vieillissement et de lésions cochléaires

Sarah Attia
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1230975
  • IdRef : 221298657

Résumé

Slow amplitude modulation (AM) and frequency modulation (FM) information plays a crucial role in auditory scene analysis and communication. The aim of this doctoral research programme is to characterise the role of neural variability ("internal noise") in the auditory processing of AM and FM in young and elderly normal-hearing and hearing-impaired humans using behavioural measurements and computer simulations. The behavioural measurements are obtained using the so-called "double-pass" paradigm. Computational modelling uses either a cochlear filter bank followed by a modulation filter bank, additive Gaussian noise and a template matching decision mechanism, or a mathematical model derived from signal detection theory (SDT). This approach, combining psychophysical measurements and modelling, makes it possible to specify the mechanisms of AM and FM processing in normal-hearing subjects and the effects of ageing and cochlear lesions on internal noise in the AM and FM domain. Three studies are being conducted in this research programme: i) a first study involving a group of young normal-hearing subjects; ii) a second comparing two groups of young and elderly normal-hearing subjects; iii) a third comparing two groups of young and elderly normal-hearing subjects. For each study, measurements are made using the constant stimulus method and a forced choice procedure to estimate the ability of subjects to detect sinusoidal AM and FM applied to a pure tone of 500 Hz. The first study used an AM and FM rate of 2 and 20 Hz, while the other two studies used a rate of only 2 Hz. A modulation noise is applied to all stimuli. The AM and FM target signals are presented at three performance levels. All stimuli used in the first session (the first "pass") are stored and presented again in a second session (the second "pass") after a few minutes. The percentage of agreement between subjects' responses is calculated for the corresponding trials in which the signals are identical between the first and second passes. The subjects' internal noise is estimated from these empirical data either by adjusting the responses of the computational model by modifying the variance of the Gaussian noise added to the output of the modulation filters (first study) or by using a SDTbased algorithm (second and third studies). The empirical and modelling data from the first study of young normal-hearing subjects indicate that AM and FM - regardless of their rate - are detected by distinct sensory mechanisms with their own internal noise source. The modulation filterbank model is able to account for both slow and fast AM detection data, confirming its ability to provide a unified approach to the perception of temporal envelope information. The results of the second study indicate that before the age of sixty, internal noise does not increase in AM and FM detection tasks. Finally, the results of the last study indicate that sensorineural hearing loss does not alter internal noise in AM and FM detection. The neural variability associated with the encoding and detection of slow and fast temporal modulations therefore does not appear to increase with age and following cochlear damage. The double-pass paradigm - despite obvious practical limitations related to test duration - provides a new measure of suprathreshold abilities that may complement the diagnosis of sensorineural hearing loss.
Les informations de modulation d'amplitude (AM) et de modulation de fréquence (FM) lentes jouent un rôle crucial dans l’analyse des scènes auditives et la communication. Le but de ce programme de recherche doctorale est de caractériser le rôle de la variabilité neuronale (le « bruit interne ») dans le traitement auditif d'AM et de FM chez le sujet humain jeune et âgé normo-entendant et le sujet âgé malentendant à partir de mesures comportementales et de simulations informatiques. Les mesures comportementales sont obtenues avec le paradigme dit de « double-passe ». La modélisation informatique utilise soit un banc de filtres cochléaires suivi d’un banc de filtres de modulation, d’un bruit Gaussien additif et d’un mécanisme de décision par appariement de gabarit, soit un modèle mathématique dérivé de la théorie de la détection du signal (TDS). Cette approche combinant mesures psychophysiques et modélisation permet de préciser les mécanismes du traitement de l’AM et de la FM chez le sujet entendant et les effets du vieillissement et de lésions cochléaires sur le bruit interne dans le domaine de l’AM et de la FM. Trois études sont menées au cours de ce programme de recherche: i) une première étude portant sur un groupe de sujets normo-entendants jeunes ; ii) une seconde comparant deux groupes de sujets normo-entendants jeunes et âgés ; iii) une troisième comparant deux groupes de sujets normo-entendantes jeunes et malentendants âgées. Pour chaque étude, des mesures sont réalisées à l’aide de la méthode des stimuli constants et d’une procédure en choix forcé afin d’estimer la capacité des sujets à détecter une AM et une FM sinusoïdales appliquées à un son pur de 500 Hz. La première étude utilise une cadence d’AM et de FM de 2 et 20 Hz, alors que les deux autres études n’utilisent qu’une cadence de 2 Hz. Un bruit de modulation de variance donnée est appliqué à tous les stimuli. Les signaux cibles d’AM et de FM sont présentés à trois niveaux de performance. Tous les stimuli utilisés au cours de la première session (la première « passe ») sont stockés et présentés à nouveau dans une deuxième session (la deuxième « passe ») après quelques minutes. Le pourcentage d’accord entre les réponses des sujets est calculé pour les essais correspondants dans lesquels les signaux sont identiques entre la première et de la deuxième passe. Le bruit interne des sujets est estimé à partir de ces données empiriques soit en ajustant les réponses du modèle informatique de traitement de modulation par modification de la variance du bruit Gaussien ajouté à la sortie des filtres de modulation (première étude), soit à l’aide d’un algorithme basé sur la TDS (deuxième et troisième études). Les données empiriques et de modélisation de la première étude portant sur les sujets normo-entendants jeunes indiquent qu’AM et FM - quelle que soit leur cadence - sont détectées par des mécanismes sensoriels distincts possédant leur propre source de bruit interne. Le modèle du banc de filtres de modulation permet de rendre compte des données de détection d’AM lente et rapide, confirmant sa capacité à offrir une approche unifiée de la perception d’informations d’enveloppe temporelle. Les résultats de la deuxième étude indiquent qu’avant l’âge de soixante ans, le bruit interne n’augmente pas dans des tâches de détection d’AM et de FM. Enfin, les résultats de la dernière étude indiquent qu’une perte neurosensorielle n’altère pas le bruit interne dans la détection d’AM et de FM. La variabilité neuronale associée au codage et à la détection de modulations temporelles lentes et rapides ne semble donc pas augmenter avec l’âge et à la suite de lésions cochléaires. Le paradigme de double passe - malgré des limites pratiques évidentes liées à la durée des tests - apporte une nouvelle mesure des capacités supraliminaires susceptible de compléter le diagnostic des pertes neurosensorielles.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04003404 , version 1 (24-02-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04003404 , version 1

Citer

Sarah Attia. Caractérisation psychophysique du bruit interne dans le traitement auditif des modulations temporelles : effets du vieillissement et de lésions cochléaires. Neurosciences. Université Paris sciences et lettres, 2021. Français. ⟨NNT : 2021UPSLE054⟩. ⟨tel-04003404⟩
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