Avant sa libération, le glutamate est accumulé dans des vésicules synaptiques par trois transporteurs vésiculaires (VGLUT1-3). Les cellules ciliées internes (CCI) de la cochlée n'expriment que VGLUT3. Pour étudier son rôle dans la physiologie cochléaire, nous avons utilisé une lignée de souris dont le gène Slc17a8, qui code pour VGLUT3, a été invalidé par recombinaison homologue. Les mutants ne présentaient pas de réponse nerveuse à une stimulation sonore. Les mécanismes d'exocytose des CCI étaient normaux et leurs synapses normales en microscopie électronique. Des immunoblots montraient que le transporteur membranaire du glutamate GLAST, ainsi que les sous-unités GLUR2 et NR1 des récepteurs AMPA et NMDA étaient toujours exprimées. Enfin, des potentiels auditifs du tronc cérébral étaient enregistrés après une stimulation électrique au niveau de la fenêtre ronde. Toutefois, nos résultats indiquent des diminutions de ~50% des synapses afférentes et de ~40% des neurones auditifs primaires ainsi qu'une réduction importante des terminaisons efférentes latérales sous les CCI.SLC17A8 est responsable de la surdité de perception non syndromique dominante DFNA25. Nous avons identifié une mutation dans l'exon 5 conduisant au remplacement de l'Alanine211 en Valine. Cette Alanine est conservée dans les VGLUT3 de différentes espèces ainsi que dans les VGLUT1-3 humains, suggérant un rôle fonctionnel important pour cet acide aminé. Nous avons caractérisé les propriétés biochimiques de la mutation A211V en culture de cellules. Le transporteur muté était correctement adressé aux boutons présynaptiques. Cependant, la mutation pA211V entraîne un défaut d'expression important en partie expliqué par le fait que le codon codant la valine est un codon rare. De plus, les études du transport de glutamate ont montré que la forme mutée est hyperactive par rapport à la forme native. L'ensemble de ces résultats montre que la mutation entraine un phénotype cellulaire complexe. / Before its release, glutamate is accumulated into synaptic vesicles by three vesicular glutamate transporters (VGLUT1-3). Only VGLUT3 is expressed in the inner hair cells (IHCs) of the cochlea. To study its role in the hearing physiology, we used a mouse in which the Slc17a8 gene, which encodes VGLUT3, has been null-mutated. In this VGLUT3-/- mouse, no auditory nerve response to acoustic stimuli could be recorded. All the others cochlear potentials were normal. The genetic deletion of Slc17a8 in mice resulted in a profound deafness, without altering the IHCs synapse morphology and the synaptic vesicles turnover. Using western blot, we then observed that the glutamate-aspartate transporter GLAST and the GLUR2 and NR1 subunits of AMPA and NMDA receptors were always expressed. Finally, auditory brainstem responses could be elicited by electrical stimuli on the round window. However, VGLUT3-/- IHCs presented a ~50% loss of IHCs synapses and a ~40% loss of primary auditory neurons. The number of lateral olivocochlear synapses with primary auditory neurons dendrites was strongly reduced.The SLC17A8 gene is responsible for DFNA25, an autosomal dominant progressive, high-frequency nonsyndromic deafness. We identified a heterozygous non-synonymous missense mutation in exon 5, leading to the amino acid change p.A211V. The A211 residue is conserved in VGLUT3 across species and in all the human VGLUT subtypes (VGLUT1-3), suggesting an important functional role. We characterized the biochemical properties of the A211V mutation in cell culture. Our results suggest that the mutated VGLUT3 was correctly addressed at the presynaptic boutons. However, the pA211V mutation induced an expression decrease because the valine codon is a rare codon. Moreover, the glutamate uptake is increased with the mutated VGLUT3. All these results shows that this mutation involves a complex cellular phenotype.

Depuis quelques années, des recherches décrivent des effets alarmants de l’exposition à des environnements acoustiques artificiels sur les propriétés fonctionnelles des neurones du système auditif. L’objectif de ce projet était de déterminer si une exposition à très long terme à une intensité sonore, qui n’est pas reconnue par les législations pour provoquer des pertes permanentes ou temporaires (80dB SLP 8h/jour), induisait ou pas des changements au niveau des audiogrammes et des propriétés fonctionnelles des neurones du cortex auditif primaire.Des rattes adultes (Sprague Dawley) ont été exposées entre 3 mois à 18 mois (selon les groupes) à un milieu acoustique mimant les environnements sonores quotidiens de la majorité de la population et dont les effets n’ont jamais été étudiés sur de telles durées. L’originalité de ce projet réside dans l’analyse des effets à tous les niveaux du système auditif depuis le niveau périphérique (ABRs) jusqu’au niveau central (électrophysiologie corticale) ainsi que les conséquences possibles au niveau comportemental. Une tâche d’apprentissage perceptif inédite a été mise au point afin d’évaluer les effets de l’exposition. Au cours du vieillissement, nos données montrent une baisse des performances comportementales, une atteinte progressive des seuils ABRs et des atteintes de certains paramètres des réponses neuronales comme (i) la latence, (ii) la durée, (iii) la détection de silence dans une vocalisation, (iv) le suivit d’une modulation d’amplitude, (v) la reproductibilité des réponses à une vocalisation. Le principal effet de l’exposition à un environnement bruité est l’apparition d’un TTS après 6 à 12 mois d’exposition (qui disparait complètement en 3 semaines), sans que cela ait, de façon très surprenante, la moindre conséquence notable sur les seuils ABRs, l’activité évoquée corticale, ou les performances de discrimination des animaux. Ces résultats nous incitent à la prudence sur la généralisation des conclusions à tirer des expositions à des environnements bruités artificiels. / Over the last few years, studies have described alarming effects of exposure to artificial acoustic environments on the functional properties of neurons in the auditory system. The aim of this project was to determine if long-lasting exposure at a sound intensity which is not recognized by the legislation to cause permanent or temporary hearing loss (80 dB SLP 8h/ day) induced, or not, changes in the audiograms and functional properties of neurons in theprimary auditory cortex. Adult female rats (Sprague Dawley) were exposed over 3 to 18 months (depending on the group) to an acoustic environment mimicking daily sound environments surrounding a large part of the population, and whose effects have never been studied on such durations. The originality of this project lies in analyzing the effects at alllevels of the auditory system from peripheral (via ABRs) to central levels (cortical electrophysiology) and also the possible consequences at the behavioral level. A new perceptual learning task has been developed to assess the effects of exposure. During aging, our data showed a decrease in behavioral performance, a gradual impairment of ABRs thresholds as well as an impairment in parameters of the neural responses such as (i) the response latency, (ii) response duration, (iii) the ability to detect silence in a vocalization (iv) or to follow an amplitude modulation, (v) the reproducibility of response to vocalization. The main effect of exposure to a noisy environment is the appearance of a Temporary Threshold Shift (TTS) after 6 to 12 months of exposure (which completely disappears in three weeks). Surprisingly, this long lasting TTS had apparently no e ffect on ABRs thresholds, the evokedcortical activity, or the animal’s discrimination performance. These results encourage us to be quite cautious in generalizing the conclusions to be drawn from exposures to artificial noisyenvironments.

La vision est le sens privilégié pour intéragir avec notre environnement. C’est pourquoi le système visuel prend plus d’un tiers du cortex cérébral. Lorsqu’un individu perd sa vision, ce système est dépourvu de sa source première de stimuli. Il subit donc une réorganisation neuronale massive et devient un espace intermodal. Pour ce faire, il recrute des afférences des autres modalités afin que celles-ci prennent en charge les fonctions qui sont normalement soutenues par la vision. Ce phénomène, appelé plasticité cérébrale, est stimulé par la durée de la cécité et par l’entraînement des sens fonctionnels. Ceci fait en sorte que les aveugles développent des supra-capacités dans les modalités fonctionnelles. La substitution sensorielle est un principe qui exploite ce phénomène. Celle-ci permet de substituer un sens déficient par un autre sens. Pour ce faire, des appareils de substitution sensorielle sont développés pour acheminer des informations visuelles via le toucher ou l’audition. Bien que le but de ces appareils est d’offrir une vision fonctionnelle aux aveugles, la problématique principale demeure l’indépendance de navigation des aveugles. Cependant, ces appareils sont très peu appréciés par les aveugles parce qu’ils sont inaccessibles et qu’ils fournissent un signal complexe qui demande un entraînement intense et une charge cognitive trop élevée. Dans ce projet, nous avons évalué le potentiel d’un nouvel appareil de substitution sensorielle qui fournit des informations strictement pertinentes à la navigation spatiale sous la forme de sons spatialisés horizontalement. Pour ce faire, des participants aveugles précoces, aveugles tardifs et des voyants aux yeux bandés ont été testé pour leurs habiletés à détecter et éviter des obstacles à l’aide de l’appareil dans des conditions expérimentales de détection et d’évitement d’obstacles. L’étude a démontré qu’il est possible d’utiliser cet appareil en tant qu’aide à la navigation et que ce système est utilisé plus efficacement par les groupes d’aveugles. / Vision is the preferred sense for interacting with our environment. This is why the visual system takes up more than a third of the cerebral cortex. When an individual loses his vision, this system misses its primary source of stimuli. It therefore undergoes a massive neuronal reorganization and becomes an intermodal space. To do so, it recruits afferents from other modalities so that they take over the functions that are normally mediated by vision. This phenomenon, known as cerebral plasticity, is stimulated by the experience of blindness as well as by the training of the functional senses. This causes the blind to develop supra-abilities in their functional modalities. Sensory substitution is a principle that exploits this phenomenon. It makes it possible to substitute a deficient modality with another modality. To help the blind, sensory substitution devices are being developed to convey visual information via touch or hearing. Although these devices attempt to provide functional vision for the blind, the main issue they try to address is the improvement of the navigational independency of the blind. However, these devices are very little appreciated by the blind since they are inaccessible and provide a complex signal that requires intense training and too high of a cognitive load. Therefore, in this project, we evaluated the potential of a new sensory substitution device that provides information strictly relevant to spatial navigation in the form of horizontally spatialized sounds. To do so, early blind , late blind and sighted blindfolded individuals were tested for their ability to detect and avoid obstacles using the device under experimental conditions. The study showed that it is possible to use this device as a navigation aid and that this system is used more effectively by the blind.

Le traitement auditif dans le cerveau humain et dans les systèmes informatiques consiste en une cascade de transformations représentationnelles qui extraient et réorganisent les informations pertinentes pour permettre l'exécution des tâches. Cette thèse s'intéresse à la nature des représentations acoustiques et aux principes de conception et d'apprentissage qui soutiennent leur développement. Les objectifs scientifiques sont de caractériser et de comparer les représentations auditives dans les réseaux de neurones convolutionnels profonds (CNN) et la voie auditive humaine. Ce travail soulève plusieurs questions méta-scientifiques sur la nature du progrès scientifique, qui sont également considérées. L'introduction passe en revue les connaissances actuelles sur la voie auditive des mammifères et présente les concepts pertinents de l'apprentissage profond. Le premier article soutient que les questions philosophiques les plus pressantes à l'intersection de l'intelligence artificielle et biologique concernent finalement la définition des phénomènes à expliquer et ce qui constitue des explications valables de tels phénomènes. Je surligne les théories pertinentes de l'explication scientifique que j’espére fourniront un échafaudage pour de futures discussions. L'article 2 teste un modèle populaire de cortex auditif basé sur des modulations spectro-temporelles. Nous constatons qu'un modèle linéaire entraîné uniquement sur les réponses BOLD aux ondulations dynamiques simples (contenant seulement une fréquence fondamentale, un taux de modulation temporelle et une échelle spectrale) peut se généraliser pour prédire les réponses aux mélanges de deux ondulations dynamiques. Le troisième article caractérise la spécificité linguistique des couches CNN et explore l'effet de l'entraînement figé et des poids aléatoires. Nous avons observé trois régions distinctes de transférabilité: (1) les deux premières couches étaient entièrement transférables, (2) les couches 2 à 8 étaient également hautement transférables, mais nous avons trouvé évidence de spécificité de la langue, (3) les couches suivantes entièrement connectées étaient plus spécifiques à la langue mais pouvaient être adaptées sur la langue cible. Dans l'article 4, nous utilisons l'analyse de similarité pour constater que la performance supérieure de l'entraînement figé obtenues à l'article 3 peuvent être attribuées aux différences de représentation dans l'avant-dernière couche: la deuxième couche entièrement connectée. Nous analysons également les réseaux aléatoires de l'article 3, dont nous concluons que la forme représentationnelle est doublement contrainte par l'architecture et la forme de l'entrée et de la cible. Pour tester si les CNN acoustiques apprennent une hiérarchie de représentation similaire à celle du système auditif humain, le cinquième article compare l'activité des réseaux «freeze trained» de l'article 3 à l'activité IRMf 7T dans l'ensemble du système auditif humain. Nous ne trouvons aucune évidence d'une hiérarchie de représentation partagée et constatons plutôt que tous nos régions auditifs étaient les plus similaires à la première couche entièrement connectée. Enfin, le chapitre de discussion passe en revue les mérites et les limites d'une approche d'apprentissage profond aux neurosciences dans un cadre de comparaison de modèles. Ensemble, ces travaux contribuent à l'entreprise naissante de modélisation du système auditif avec des réseaux de neurones et constituent un petit pas vers une science unifiée de l'intelligence qui étudie les phénomènes qui se manifestent dans l'intelligence biologique et artificielle. / Auditory processing in the human brain and in contemporary machine hearing systems consists of a cascade of representational transformations that extract and reorganize relevant information to enable task performance. This thesis is concerned with the nature of acoustic representations and the network design and learning principles that support their development. The primary scientific goals are to characterize and compare auditory representations in deep convolutional neural networks (CNNs) and the human auditory pathway. This work prompts several meta-scientific questions about the nature of scientific progress, which are also considered. The introduction reviews what is currently known about the mammalian auditory pathway and introduces the relevant concepts in deep learning.The first article argues that the most pressing philosophical questions at the intersection of artificial and biological intelligence are ultimately concerned with defining the phenomena to be explained and with what constitute valid explanations of such phenomena. I highlight relevant theories of scientific explanation which we hope will provide scaffolding for future discussion. Article 2 tests a popular model of auditory cortex based on frequency-specific spectrotemporal modulations. We find that a linear model trained only on BOLD responses to simple dynamic ripples (containing only one fundamental frequency, temporal modulation rate, and spectral scale) can generalize to predict responses to mixtures of two dynamic ripples. Both the third and fourth article investigate how CNN representations are affected by various aspects of training. The third article characterizes the language specificity of CNN layers and explores the effect of freeze training and random weights. We observed three distinct regions of transferability: (1) the first two layers were entirely transferable between languages, (2) layers 2--8 were also highly transferable but we found some evidence of language specificity, (3) the subsequent fully connected layers were more language specific but could be successfully finetuned to the target language. In Article 4, we use similarity analysis to find that the superior performance of freeze training achieved in Article 3 can be largely attributed to representational differences in the penultimate layer: the second fully connected layer. We also analyze the random networks from Article 3, from which we conclude that representational form is doubly constrained by architecture and the form of the input and target. To test whether acoustic CNNs learn a similar representational hierarchy as that of the human auditory system, the fifth article presents a similarity analysis to compare the activity of the freeze trained networks from Article 3 to 7T fMRI activity throughout the human auditory system. We find no evidence of a shared representational hierarchy and instead find that all of our auditory regions were most similar to the first fully connected layer. Finally, the discussion chapter reviews the merits and limitations of a deep learning approach to neuroscience in a model comparison framework. Together, these works contribute to the nascent enterprise of modeling the auditory system with neural networks and constitute a small step towards a unified science of intelligence that studies the phenomena that are exhibited in both biological and artificial intelligence.

The present study intended to examine the neural basis of audiovisual integration, hypothetically achieved by synchronized gamma-band oscillations (30--80 Hz) that have been suggested to integrate stimulus features and top--down information. To that end, we studied the impact of visual symbolic information on early auditory sensory processing of upcoming sounds. In particular, we used a symbol-to-sound--matching paradigm in which simple score-like patterns predict corresponding sound patterns. Occasionally, a single sound is incongruent with the corresponding element of the visual pattern. In response to expected sounds congruent with the corresponding visual symbol, a power increase of phase-locked (evoked) activity in the 40-Hz band was observed peaking 42-ms poststimulus onset. Thus, for the first time, we demonstrated that the comparison process between a neural model, the expectation, and the current sensory input is implemented at very early levels of auditory processing. Subsequently, expected congruent sounds elicited a broadband power increase of non--phase-locked (induced)activity peaking 152-ms poststimulus onset, which might reflect the formation of a unitary event representation including both visual and auditory aspects of the stimulation. Gamma-band responses were not present for unexpected incongruent sounds. A model explaining the anticipatory activation of cortical auditory representations and the match of experience against expectation is presented

Stimuli caused by our own voluntary actions receive a special treatment in the brain. In auditory processing, the N1 and/or P2 components of the auditory event-related brain potential (ERP) to self-initiated sounds are attenuated compared to passive sound exposure, which has been interpreted as an indicator of a predictive internal forward mechanism. Such a predictive mechanism enables differentiating the sensory consequences of one´s own actions from other sensory input and allows the mind to attribute actions to agents and particularly to the self, usually called the “sense of agency”. However, the notion that N1 and/or P2 attenuation effects to self-initiated sounds reflect internal forward model predictions is still controversial. Furthermore, little is known about the relationship between N1 and/or P2 attenuation effects and the sense of agency. Thus, the aim of the present thesis was to further investigate the nature of the N1 and/or P2 attenuation effect to self-initiated sounds and to examine its specific relationship to the sense of agency. The present thesis provides evidence that N1 and/or P2 attenuation effects to self-initiated sounds are mainly determined by movement intention and predictive internal motor signals involved in movement planning and rules out non-predictive explanations of these effects. Importantly, it is shown that sensory attenuation effects in audition are directly related to the feeling of agency, but occur independent of agency judgments. Taken together, the present thesis supports the assumptions of internal forward model theories.

Une perte auditive neurosensorielle est généralement associée à uneréduction de l’intelligibilité de la parole, et ce tout particulièrement dans le bruit.Les contributions respectives d’une réduction de l'audibilité et de déficitssupraliminaires sont encore débattues.L'objectif principal de cette thèse était d'évaluer l'effet spécifique desdéficits supraliminaires sur l’intelligibilité de la parole. L'effet de l'audibilité étaitcontrôlé en mesurant l’intelligibilité de signaux de parole sans signification filtrésdans les régions basses et moyennes fréquences au sein desquelles la détection desons purs était normale chez des auditeurs malentendants présentant par ailleursune perte auditive en hautes fréquences. Dans ces régions fréquentielles oùl’audibilité est supposée normale, des déficits d'intelligibilité de la parole légers àsévères ont été observés dans le silence comme dans le bruit chez les auditeursmalentendants. Les déficits étaient similaires dans les bruits masquantstationnaires et fluctuants. Ces résultats démontrent l’influence des déficitsauditifs supraliminaires sur l’intelligibilité de la parole.Le second objectif de cette thèse était d'étudier l'origine de ces déficitssupraliminaires. Les résultats indiquent qu’une réduction de la sélectivitéfréquentielle cochléaire ne peut pas expliquer entièrement les déficitsd’intelligibilité de la parole des auditeurs malentendants. L'influence de lasensibilité à la structure temporelle fine reste incertaine / Speech intelligibility is reduced for listeners with sensorineural hearingloss, especially for speech in noise. The extent to which this reduction is due toreduced audibility or to supra-threshold deficits is still debated.The main goal of this PhD work was to investigate the specific influenceof supra-threshold deficits on speech intelligibility. The effect of audibility wascontrolled for by measuring speech intelligibility for hearing-impaired listenersusing nonsense speech signals filtered in low- and mid-frequency regions wherepure-tone sensitivity was normal. Hearing-impaired listeners with hearing loss inhigh-frequency regions showed mild to severe intelligibility deficits for speechboth in quiet and in noise in these frequency regions of normal audibility. Similardeficits were obtained for speech in steady and fluctuating masking noises. Thisprovides additional evidence that speech intelligibility may be strongly influencedby supra-threshold auditory deficits.The second aim of this PhD work was to investigate the origin of thesesupra-threshold deficits. Results showed that reduced frequency selectivity cannotentirely explain the speech intelligibility deficits of the hearing-impaired listeners.The influence of temporal fine structure sensitivity remained unclear

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Thesis (M.A.)--University of the Witwatersrand, Faculty of Humanities, Arts and Culture Management, 2013 / This report examines the ways in which a community theatre project called Thesele Creative Society (TCS) active in Soweto, South Africa, influenced and broadened the career paths of five people who were directly marginalized by the Apartheid government’s policies. I focus on the period from 1991-1995, which corresponds to the transition to democracy, signifying increased accessibility within the country to a variety of career options for black people synchronous with an entry into a differently challenging global economy. In many parts of the world, community arts projects are known to enhance the ability of their participants to successfully participate in the job market and learn skills that are useful in life more generally. South African community arts projects are understood to have played a significant role in, inter alia, the economic and skills development of its participants over the last 60 years. Although located in a remote periphery of the arts, culture and heritage sector, with its impact running a risk of being undercounted within the creative economy, TCS proved to be one of the community arts projects with socio-economic bearing. Selected through purposive sampling, the five main participants of this study present intrinsically interesting cases through which I identify the types of skills provided by TCS within the community theatre environment, as well as the methodology employed in transferring these skills. I also show that the background and practice of TCS provides lessons in terms of the application of self-reliance and self-determination principles, and sequentially argue that the application of these principles is necessary for the advancement of many disadvantaged communities in South Africa. I create links between the qualitative data I have collected in the form of interviews with wider issues of creative economies, complementing existing theoretical and ideological studies of community arts practice with a practically grounded approach. This research draws attention to, and demonstrates the importance of, the study of community arts projects, as opposed to community arts centres, which have been the virtually exclusive focus of prior research.

Le but de cette thèse était d’étudier les processus de prédiction dans le domaine auditif et de l’activité cérébrale associée à ces prédictions. L’électroencéphalographie a été utilisée afin de mesurer l’activité électrique du cerveau, ainsi que la technique de potentiels reliés aux évènements (PRE) qui permet de mesurer l’activité lié à des processus d’intérêt à la milliseconde près. La grande majorité des études existantes s’intéressent aux prédictions de manière indirecte, par l’observation de signaux d’erreur ou de confirmation de prédictions. Contrairement à ces études, nous avons développé des paradigmes novateurs qui permettent de créer un contexte dans lequel un ou plusieurs stimuli permettent de générer des prédictions. Dans une première étude, les résultats démontrent qu’un son qui permet la prédiction de sons subséquents est accompagné d’une augmentation de l’amplitude des composantes de PRE auditives, la N1 et plus particulièrement la P2, aux électrodes frontocentrales. Dans une seconde étude, cette modulation était entrainée par une modification marquée des oscillations entre 4 et 7 Hz, dans la bande de fréquence thêta. Une troisième étude, était focalisé sur l’activité de PRE en lien avec des prédictions d’ordre temporel. En créant des patrons rhythmiques contextuels dans l’expérience, nous avons pu observer qu’un son qui permet d’identifier le patron, et donc d’anticiper la suite, génère une positivité précoce, et ce, même si le patron rhythmique est non-pertinent à l’exécution de la tâche. Ces études sont une démonstration de faisabilité et fondent une base solide pour la poursuite de la recherche sur les processus dynamiques liés à la génération de prédictions. / The goal of this thesis was to study predictive processes in the auditory domain, and to find the electrophysiological signature associated with those processes. We used electroencephalography to measure the brain electrical activity, as well as the event-related potentials technique (ERP), allowing us to measure brain activity of interest with a millisecond precision. The majority of existing studies that look at predictive processes indirectly, by measuring prediction error or prediction confirmation. Contrary to those studies, we developed novel paradigms that allowed us to generate contexts in which one or more specific auditory stimuli allow the generation of predictions. In a first study, we showed a tone allowing the prediction of other tones to be presented elicits larger N1 and P2 auditory ERP components at frontocentral electrodes. In a second study, we showed this modulation is driven by an increase in oscillatory activity in the theta frequency band, between 4 and 7 Hz. In the third study of this thesis, we were interested in ERP activity related to temporal predictions. By creating contextual rhythmic patterns, we were able to determine that a tone allowing identification of the currently heard pattern, that would allow prediction of when other tones are to be heard, generate and early positivity, even though the rhythmic pattern was task irrelevant. These studies are proof of concept and a solid basis for future research on the dynamics related to predictions in the brain.