Codage de l'information sonore dans le nerf auditif humain à la lumière de la modélisation mathématique

Coding of sound information in the human auditory nerve in the light of mathematical modeling

• Auteur / Autrice : Xavier Dubernard
• Direction : Frédéric Venail, Jean-Luc Puel, Jérôme Bourien
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie Santé
• Date : Soutenance le 16/12/2019
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Chimiques et Biologiques pour la Santé (Montpellier ; Ecole Doctorale ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des neurosciences de Montpellier
• Jury : Président / Présidente : Paul Avan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Venail, Jean-Luc Puel, Jérôme Bourien, Paul Avan, Sébastien Schmerber, André Chays
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Paul Avan, Sébastien Schmerber

Mots clés

Mots clés contrôlés

Perception auditive

Nerf vestibulo-cochléaire

Cochlée

Mots clés libres

Cochlée

Nerf auditif humain

Otoneurochirurgie

Enveloppe temporelle

Structure fine

Codage neural

Cochlea

Human auditory nerve

Otoneurosurgery

Temporal envelope

Fine structure

Neural coding

Résumé

Contexte : La cochlée humaine est capable de coder les sons sur trois décades fréquentielles (0.02 kHz-20 kHz) et 120 dB de dynamique, avec une acuité de l’ordre du Hz et du dB. Cette capacité est assurée par des cellules sensorielles et des neurones auditifs dont on ignore les propriétés fonctionnelles. L’objectif de ce travail est de développer une approche combinant des enregistrements de surface du nerf auditif humain et de la modélisation mathématique pour prédire l’activité sous-jacente des neurones auditifs.Matériel et méthodes : Les enregistrements étaient réalisés au cours d’interventions otoneurochirurgicales chez 14 sujets normo- et malentendants (étude clinique NCT03552224). Les sons étaient émis en champ clos (Etymotic ER1) et l'activité du nerf auditif mesurée par une électrode bille (Ø1,6 mm, Inomed) reliée à un amplificateur Grass P511. La génération et l'acquisition des signaux étaient gérées par une carte de mesure NI-PXI 4461 contrôlée par une interface LabVIEW (National Instrument). Le modèle mathématique de cochlée humaine programmé en langage Matlab (Mathworks) se compose de 200 cellules ciliées internes innervées par 1748 neurones auditifs. Il permet de simuler l’activité unitaire des neurones et le potentiel de surface nerveux en réponse à un même stimulus.Résultats : En réponse à des clics acoustiques, une onde biphasique (N1-P1) émerge des enregistrements dès 40 dB SPL. Son amplitude croît avec le niveau sonore et la latence de l’onde N1 diminue. Les données simulées montrent que les neurones générateurs de l’onde N1-P1 se localisent dans la zone cochléaire codant le 2-4 kHz. En réponse à des bouffées tonales de 20 ms, la réponse du nerf auditif se caractérise en début de stimulation par une onde N1-P1 de forme similaire mais d’amplitude moindre que celle évoquée par un clic. En réponse à des bouffées tonales présentées à 4 kHz, les données simulées identifient les neurones générateurs de l’onde N1-P1 dans la zone du 4 kHz à la différence d’une stimulation à 0.5 kHz où le modèle les identifie dans des zones beaucoup plus diffuses en fréquence (plusieurs foyers disjoints). Pendant la bouffée tonale, la réponse du nerf est caractérisée par une activité phasique verrouillées en phase avec la structure fine du son pur. Les données simulées confirment que cette activité phasique globale est produite par la réponse en verrouillage de phase des neurones. La limite de codage au-delà de laquelle il n’y a plus de réponse en verrouillage de phase est estimée à 2 kHz. En réponse à des bruits de bande tiers d’octave dotés d’une structure fine et d’une enveloppe temporelle, l’analyse de la réponse du nerf auditif permet l’extraction des indices neuronaux spécifiques du codage de l’enveloppe et de la structure fine. L’étude de ces indices chez des sujets normo-entendants (n = 4) ou souffrant d’une surdité ascendante (n = 4) ou descendante (n = 6), montre que le codage de l’enveloppe se dégrade chez les sujets sourds comparativement au codage de la structure fine qui reste robuste même pour des surdités ascendantes.Conclusion : Ce travail identifie les neurones générateurs de l’onde N1-P1 induite par des clics ou des bouffées tonales. Ce résultat pourrait permettre de mieux comprendre les résultats cliniques obtenus de façon moins invasifs par l’électrocochléographie ou par les potentiels évoqués auditifs du tronc cérébral. Sur le plan de la recherche fondamentale, cette étude met en évidence les indices neuronaux caractéristiques du codage de la structure fine et de l’enveloppe, qui corrélés aux scores psycho-acoustiques (localisation et discrimination des sons, reconnaissance de la parole) pourraient permettre de mieux comprendre la relation entre un déficit neuro-sensoriel et ses conséquences perceptuelles. Plus largement, cette étude montre à quel point le potentiel global généré par le nerf auditif, même lorsqu’il est mesuré en surface, ne représente qu’une modeste fraction des réponses nerveuses unitaires.

Introduction: The human cochlea is able to encode the sounds over three frequency decades (0.02 kHz-20 kHz) and 120 dB of dynamics, with an accuracy close to one Hz and one dB over the entire auditory field. This coding properties are provided by sensory cells and auditory neurons whose functional properties are unknown. The aim of this work is to develop an approach combining surface recordings of the human auditory nerve and mathematical modeling to predict the underlying activity of auditory neurons.Material and Methods: The electrical activity of the auditory nerve was measured during cerebellopontine angle surgery in 14 normal hearing and hearing loss patients (clinical trial NCT03552224). The sounds were delivered in a closed field (Etymotic ER1) and the auditory nerve activity was measured using a ball electrode (Ø1.6 mm, Inomed) connected to a Grass P511 amplifier. The generation and acquisition of the signals was entirely processed by a NI-PXI 4461 device controlled by a LabVIEW interface (National Instrument). The mathematical model of human cochlea programmed in Matlab language (Mathworks) consists of 200 inner hair cells innervated by 1748 auditory neurons. This model can simulate the activity of single neurons as well as global potential in response to the same stimulus.Results: In response to acoustic clicks, a biphasic wave (N1-P1) emerges from recordings at 40 dB SPL. N1-P1amplitude increases with the sound level and the N1 latency decreases. The analysis of the simulated data shows that the neurons generating the N1-P1 wave are localized in the cochlear zone coding for the 2-4 kHz frequencies. In response to tone burst of 20 ms duration, the response of the auditory nerve is characterized at the beginning of the stimulation by an N1-P1 wave of similar shape but of less amplitude than that evoked by a click. In response to tonal bursts presented at 4 kHz, the simulated data analysis identifies the N1-P1 generating neurons in the 4 kHz zone. When presented at 0.5 kHz, the model locates the generators in a broader frequency area (multiple diffuse foci). During the tone burst, the nerve response is characterized by an alternative component in phase with the fine structure of pure tone. The analysis of the simulated data confirms that the phasic activity is produced by the phase locked response of the neurons. The coding limit beyond which there is no longer phase lock response is estimated at 2 kHz. In response to third-octave band noises that are composed of a fine structure and a temporal envelope, the analysis of the auditory nerve response allows the extraction of neuronal cues specific to the coding of the envelope and the fine structure. The study of these cues in normal-hearing subjects (n = 4) or hearing impaired patients with high frequency (n = 4) or in low frequency hearing loss (n = 6), shows that the neural response of the envelope disappears drastically in subjects with hearing loss compared to the neural response of the fine structure which remains robust.Conclusion: This work allowed to identify the neurons generating the N1-P1 wave induced by clicks or tone bursts. This result leads to a better understanding of electrophysiological tests used in clinical settings (i.e. electrocochleography or by the auditory brainstem response potentials). In terms of basic research, this study highlights the neuronal cues of fine structure and temporal envelope coding, proven to be correlated with psychoacoustic scores (localization and discrimination of sounds, speech recognition) could allow a better understanding of the relationship between a sensoryneural hearing loss and its perceptual consequences. Altogether, these results show the level of complexity of the global potential by the auditory nerve, even when measured at its surface, and reflects a limited fraction of unitary neuron responses.