Memoire Online - Préservation de l'enveloppe temporelle pour la compression du signal de parole

Des auteurs travaillant sur le signal de la parole ont montré l'importance des modulations d'amplitude sur l'intelligibilité. Plusieurs autres travaux décrivent une préservation des performances psychoacoustiques sur la modulation d'amplitude pour une population atteinte de surdités sensori-neurales.

- de faire une revue bibliographique assez complète sur l'enveloppe du signal de parole,

- d'évaluer l'importance de l'enveloppe du signal de parole sur l'intelligibilité,

- d'évaluer un nouveau type de compression du signal qui permet de préserver la forme de l'enveloppe et la structure fine du signal.

- confirmé le fort taux d'intelligibilité de l'enveloppe temporelle du signal,

- montré que le type de compression développé a une grande immunité au bruits et n'engendre pas de dégradation de l'intelligibilité par rapport au signal d'origine.

ANATOMO-PHYSIOLOGIE DE L'AUDITION

Le système auditif collecte les vibrations acoustiques de l'air puis les transforme en sensations auditives et permet d'établir une communication avec l'environnement.

L'appareil auditif est composé de l'oreille (3 parties), du nerf auditif, des voies auditives centrales (noyaux du tronc cérébral) et de leurs projections corticales.

Elle est constituée d'un ensemble de cavités creusées dans le rocher, on peut distinguer l'oreille externe, l'oreille moyenne et l'oreille interne. Chacune assure un rôle spécifique dans l'audition.

Le pavillon capte et concentre les ondes sonores. Le son pénètre ensuite dans le conduit auditif externe qui renforce par résonance, les fréquences conversationnelles.

L'oreille moyenne est composée par le tympan, la caisse du tympan, la trompe d'Eustache, la chaîne des osselets, la fenêtre ovale et la fenêtre ronde.

Le tympan, double membrane, vestige d'une structure branchiale, sépare l'oreille externe de l'oreille moyenne. Il s'articule avec les osselets pour former la chaîne tympano-ossiculaire. Les deux fenêtres isolent le milieu aérien de l'oreille moyenne des liquides de l'oreille interne et participent à la propagation de l'onde sonore.

1 - La transmission de l'onde sonore (interface qui réduit les pertes énergétiques du passage de l'onde entre le milieu aérien et milieu liquidien) : la chaîne tympano-ossiculaire transforme les vibrations aériennes en variations de pression dans les liquides de l'oreille interne. La transmission des variations de pression s'effectue grâce au jeu des fenêtres ronde et ovale qui vibrent en opposition de phase et compensent l'incompressibilité des liquides (le rapport de surface entre tympan et fenêtre permet une amplification).

2 -- L'adaptation d'impédance : elle évite les réflexions de l'onde lors du passage de l'air dans un liquide et la perte d'énergie qui en découlerait. Elle est due à deux mécanismes complémentaires : l'amplification liée au système de levier des osselets et l'amplification liée au rapport des surfaces entre le tympan et la platine de l'étrier.

3 - La limitation de l'énergie sonore : grâce au réflexe stapédien (contraction des muscles de l'étrier), l'oreille moyenne peut limiter l'énergie sonore à l'entrée de l'oreille interne (Le Poncin-Charanchon et al, 1981).

Figure 1 : Schéma de l'appareil auditif et vestibulaire droit (vue antérieure),
Rohen et Yokochi, 1981

Située dans le rocher l'oreille interne a une structure anatomique et histologique complexe. Elle contient les organes de l'audition et de l'équilibration (la cochlée est sensible aux fréquences de 20-20000 Hz et le vestibule aux fréquences inférieures à 20 Hz), Elle est constituée de deux formations anatomiques essentielles : le labyrinthe osseux qui a un rôle protecteur et le labyrinthe membraneux qui renferme les éléments fonctionnels de l'audition et de l'équilibration. La cochlée, partie auditive du labyrinthe, comporte une partie non enroulée : le crochet et une partie enroulée : le limaçon.

Le limaçon comprend deux tours et demi de spires : le tour basal, le tour médian et le tour apical. On peut décrire 4 segments à la cochlée (Deguine 0, 1990) :

Ces segments permettent de situer histologiquement les structures cellulaires de l'organe de Corti et du ganglion spiral.

Formé de cavités creusées dans le rocher, le labyrinthe osseux ou capsule otique est divisé en deux parties : le labyrinthe postérieur comprenant les organes de l'équilibration (vestibule et canaux semi-circulaires) et le labyrinthe antérieur formant la cochlée ou limaçon.

La cochlée est un tube osseux de 3 cm enroulé sur lui-même en deux tours et demi de spire autour d'un pilier osseux : la columelle. La lame spirale est une lame osseuse qui partage le tube en deux parties qui contiennent de la périlymphe : la rampe tympanique abouchée à la fenêtre ronde et la rampe vestibulaire abouchée à la fenêtre ovale. Les deux rampes communiquent au sommet de la cochlée par une petite ouverture, l'hélicotréma. Les deux fenêtres s'ouvrent en direction de l'oreille moyenne.

Situé à l'intérieur du labyrinthe osseux, le labyrinthe membraneux ou canal cochléaire constitue un troisième compartiment. Il est limité en bas par la membrane basilaire sur laquelle repose l'organe sensoriel récepteur, l'organe de Corti ,en haut par la membrane de Reissner et à l'extérieur par la strie vasculaire. Il est rempli d'endolymphe, liquide dont les mouvements font vibrer les cils des cellules sensorielles auditives.

La rigidité de la membrane basilaire tendue entre la lame osseuse et le ligament spiral, lui confère des propriétés mécaniques et conditionne les modes de propagation de la vibration acoustique.

L'organe de Corti, partie neurosensorielle de la cochlée comprend des cellules de soutien
associées à deux types de cellules ciliées , internes et externes. Au sommet de toutes les

cellules ciliées , des stéréocils rigides alignés en 3 ou 4 rangées dessinent des « V » très ouverts vers le centre du canal cochléaire qui véhicule l'onde acoustique. Ces stéréocils sont composés de filaments d'actine , protéine qui leur assure rigidité et flexibilité (Morgon et al, 1990).

Figure 3 :Mise en place schématique du canal cochléaire (Morgon et al, 1990)

Les cellules ciliées internes, au nombre de 3500, réparties sur une seule rangée le long de la spire cochléaire, sont entourées à la base par les cellules de soutient. A leur pôle apical se trouve la plaque cuticulaire faite d'un mélange de protéines contractiles et de protéines liées au calcium. C'est sur cette plaque que s'insèrent une centaine de stéréocils alignés en 3 ou 4 rangées de taille croissante. Les cils de chaque rangée sont attachés les uns aux autres par des ponts transversaux de matériel fibrillaire.

Le sommet de chaque cil court est relié au cil plus long situé juste derrière lui. L'ensemble de la touffe ciliaire est donc solidaire, ce qui permet de comprendre l'ouverture des canaux ioniques situés à l'intérieur des stéréocils. Sous l'effet d'une stimulation sonore, le déplacement des stéréocils agités par les mouvements liquidiens entraîne l'ouverture des canaux ioniques. Il s'ensuit une dépolarisation de la cellule ciliée interne sous l'effet d'une entrée d'ions potassium. Un neurotransmetteur, le Glutamate, est alors libéré au pôle basal des cellules ciliées, dans les synapses avec les fibres auditives. Celui-ci déclenche la transmission d'un message vers le cerveau.

Chaque cellule ciliée interne est en rapport avec 10 fibres de type I (dendrites des neurones de type I, myélinisés, de gros diamètre, bipolaires). Ces fibres représentent 95% des fibres du nerf nochléaire. Chaque fibre de type I se définit par une bande de fréquence audible (dont la fréquence caractéristique est notée Fc), un seuil d'excitation et une activité spontanée (élevée si le seuil neuronal est bas, faible si le seuil est fort).Ce câblage constitue le système afférent radial. Il existe aussi un système efférent latéral constitué de fibres non myélinisées en provenance du système olivo-cochléaire et qui ont des contacts pré-synaptiques avec les fibres afférentes. Le système efférent est vraisemblablement un système inhibiteur qui limite l'intensité des stimulations trop fortes et favorise la sélectivité (mécanismes actifs par rétrocontrole). Grâce à leur système de câblage deux cellules ciliées contiguës peuvent envoyer un message légèrement différent au système nerveux central : c'est la base de la discrimination fréquentielle.

Les cellules ciliées externes se répartissent sur 3 rangées dessinant un « w » le long de la spire cochléaire. De forme cylindrique très régulière, leur taille varie de la base à l'apex de la cochlée. Maintenues par les cellules de Deiters (elles-mêmes ancrées sur la membrane basilaire), elles baignent dans la périlymphe. Les stéréocils des cellules ciliées externes présentent un gradient de longueur de l'apex à la base de la cochlée (ils sont quatre fois plus long au tour basal qu'au tour apical). Les plus longs sont implantés dans la membrane tectoriale.

Les afférences des cellules ciliées externes, peu nombreuses, sont constituées par les terminaisons dendritiques des fibres spirales provenant des neurones ganglionnaires de type II. Ces fibres fines, non myélinisées, représentent les 5% restant des fibres du nerf nochléaire. Une seule fibre innerve 10 à 20 cellules ciliées externes.

Les efférences des cellules ciliées externes, très nombreuses, sont formées par des grosses fibres myélinisées constituant le système efférent médian. Chaque fibre établit de larges contacts synaptiques avec 15 à 30 cellules ciliées externes.

Sous l'effet d'une onde de faible intensité, les cellules ciliées externes se contractent en phase avec la fréquence stimulante. Elles ont un rôle d'amplification des mouvements de la membrane basilaire, le gain apporté par leur contraction est de l'ordre de 50 décibels.

Figure 5 : Organe de Corti . 1° tour de spire . Grossissement 2000 (Pujol, 1990)

Les cellules ciliées internes sont des récepteurs sensoriels passifs qui transforment l'énergie vibratoire transmise par les vibrations de la membrane basilaire (après avoir été amplifiée par les cellules ciliées externes) en énergie électrique conduite par le neurone (Pujol, 1990)

Excitation d'une Cellule ciliée interne

Dépolarisation de la
cellule ciliée interne

Excitation de

plusieurs cellules

ciliées externes

Amplification Filtrage

Préservation de l'enveloppe temporelle pour la compression du signal de parole

RESUME

ANATOMO-PHYSIOLOGIE DE L'AUDITION