La compression de tous les types de signaux audio (parole et audio) constitue un vaste domaine de recherche, car il tente de répondre à de nombreuses et différentes demandes provenant de l’industrie. Actuellement, l’industrie de la téléphonie mobile possède de nombreuses requêtes au niveau de la compression de signaux audio à faible débit (sous les 32 kbit/s). Dans cette plage de débit, deux modèles sont nécessaires pour compresser tous les types de signaux audio : les codecs temporels s’utilisent pour la compression des signaux de parole et les codecs fréquentiels (par transformée) plus généraux s’utilisent pour la compression des signaux audio tels que la musique. Les téléphones intelligents et les tablettes numériques représentent des exemples d’appareils qui doivent intégrer deux codecs différents. Idéalement, ces appareils devraient intégrer un codec unique qui compresse tous les types de signaux audio. Cependant, l’unique moyen actuel d’obtenir un «codec universel» consiste en un «codec hybride universel». Les codecs hybrides universels intègrent au moins deux modèles de codage et un classificateur, qui sélectionne le modèle à exécuter selon le signal à traiter. Ces codecs ne représentent donc pas véritablement des codecs unifiés. De plus, avec l’utilisation d’un classificateur, les codecs hybrides introduisent également la possibilité d’erreurs de classification durant l’analyse. Ces codecs hybrides ont également tendance à être plus complexes puisqu’ils doivent gérer les différents modèles de codage. Après plus de trente ans de recherche, il existe toujours une distinction entre les approches utilisées pour la compression des signaux de parole et celles utilisées pour les signaux audio. Les codecs temporels se basent sur un modèle de production de la parole tandis que les codecs fréquentiels utilisent un modèle de perception auditive pour les signaux audio. Cette thèse propose des contributions dans l’élaboration d’un modèle de codage audio universel et véritablement unifié. Ces contributions se présentent dans cette thèse par un modèle d’analyse-synthèse de type harmonique-plus-bruit pour les signaux de parole qui fonctionne entièrement dans le domaine fréquentiel. Cette thèse démontre qu’il est possible d’obtenir un signal de parole de qualité perceptuelle transparente sans nécessairement suivre l’évolution de la forme d’onde du signal original. De plus, cette thèse propose également une version quantifiée du modèle d’analyse-synthèse et démontre qu’il est possible d’obtenir un signal de synthèse de bonne qualité pour des débits autour de 24 kbit/s et de 30 kbit/s. Lors des tests subjectifs MOS, le modèle se situe dans la même catégorie de qualité que la norme G.722.2 (AMR-WB) de l’institut UIT pour un débit autour de 24 kbit/s. Le modèle possède l’avantage de fonctionner entièrement dans le domaine fréquentiel et démontre ainsi les possibilités d’un codec réellement universel puisque traditionnellement le domaine des fréquences était réservé aux signaux audio autres que les signaux de parole.

Dans cette thèse, nous avons étudié le codage prédictif and sa relation avec la perception et les oscillations. Nous avons, dans l'introduction, fait une revue des connaissances sur les neurones et le néocortex et un état de l'art du codage prédictif. Dans les chapitres principaux, nous avons tout d'abord, proposé l'idée, au travers d'une étude théorique, que la temporalité de la décharge crée une inhibition sélective dans les réseaux excitateurs non-sélectifs rétroactifs. Ensuite, nous avons montré les effets perceptuels du codage prédictif: la perception de la forme améliore la perception du contraste. Enfin, nous avons montré que le codage prédictif peut utiliser des oscillations dans différentes bandes de fréquences pour transmettre les informations en avant et en rétroaction. Cette thèse a fourni un mécanisme neuronal viable et innovant pour le codage prédictif soutenu par des données empiriques démontrant des prédictions rétroactives excitatrices et une relation forte entre codage prédictif et oscillations. / In this thesis, we investigated predictive coding and its relationship with perception and oscillations. We first reviewed my current understanding about facts of neuron and neocortex and state-of-the-arts of predictive coding in the introduction. In the main chapters, firstly, we proposed the idea that correlated spike times create selective inhibition in a nonselective excitatory feedback network in a theoretical study. Then, we showed the perceptual effect of predictive coding: shape perception enhances perceived contrast. At last, we showed that predictive coding can use oscillations with different frequencies for feedforward and feedback. This thesis provided an innovative and viable neuronal mechanism for predictive coding and empirical evidence for excitatory predictive feedback and the close relationship between the predictive coding and oscillations.

Dans cette thèse je propose plusieurs mécanismes de plasticité synaptique qui pourraient expliquer la rapidité, la sélectivité et l'invariance des réponses neuronales dans le cortex visuel. Leur plausibilité biologique est discutée. J'expose également les résultats d'une expérience de psychophysique pertinente, qui montrent que la familiarité peut accélérer les traitements visuels. Au delà de ces résultats propres au système visuel, les travaux présentés ici créditent l'hypothèse de l'utilisation des dates de spikes pour encoder, décoder, et traiter l'information dans le cerveau – c'est la théorie dite du ‘codage temporel'. Dans un tel cadre, la Spike Timing Dependent Plasticity pourrait jouer un rôle clef, en détectant des patterns de spikes répétitifs et en permettant d'y répondre de plus en plus rapidement.

Cette recherche visait à clarifier les mécanismes de bas niveau impliqués dans la détection de la modulation de fréquence (FM). Les sons naturels véhiculent des modulations d’amplitude et de fréquence saillantes essentielles à la communication. L’analyse des réponses de neurones auditifs du noyau cochléaire montre que les propriétés spectro-temporelles des stimuli de FM de basse cadence sont représentées par deux mécanismes distincts basés sur le verrouillage en phase à l’enveloppe temporelle (ENV) et à la structure temporelle fine (TFS). La contribution relative de chaque mécanisme s’avère très dépendante des paramètres de stimulation (fréquence porteuse, cadence de modulation et profondeur de modulation) mais aussi du type de neurones, chacun étant spécialisé pour un type de représentation ou l'autre. L’existence de ces deux mécanismes de codage neuronal a été confirmée chez les auditeurs humains en utilisant deux paradigmes psychophysiques. Les résultats de ces études démontrent également que le mécanisme de codage de TFS est efficace dans des conditions d'écoute défavorables (e.g. en présence de modulations interférentes). Cependant, le mécanisme de codage de TFS est susceptible de se dégrader avec l'âge et plus encore avec la perte auditive, alors que le mécanisme de codage d’ENV semble relativement épargné. Deux modèles computationnels ont été développés afin d’expliquer les contributions des indices d’ENV et de TFS dans le système auditif normal et malentendant. / This research aimed at clarifying the low-level mechanisms involved in frequency-modulation (FM) detection. Natural sounds convey salient amplitude- and frequency-modulation patterns crucial for communication. Results from single auditory neurons in the cochlear nucleus show that the spectro-temporal properties of low-rate FM stimuli are accurately represented by two distinct mechanisms based on neural phase-locking to temporal envelope (ENV) and temporal fine structure (TFS) cues. The relative contribution of each mechanism was found to be highly dependent on stimulus parameters (carrier frequency, modulation rate and modulation depth) and also on the type of neuron, with clear specializations for one type of representation or the other. The validity of those two neural encoding mechanisms was confirmed for human listeners using two psychophysical paradigms. Results from those studies also demonstrate that the TFS coding mechanism is efficient in adverse listening conditions, like in the presence of interfering modulations. However, the TFS coding mechanism is prone to decline with age and even more with hearing loss, while the ENV coding mechanism seems relatively spared. Two computational models were developed to fully explain the contributions of ENV and TFS cues in the normal and impaired auditory system.

Le cervelet permet l’apprentissage moteur et la coordination des mouvements fins. Pour ce faire, il intègre les informations sensorielles provenant de l’ensemble du corps ainsi que les commandes motrices émises par d’autres structures du système nerveux central. Les noyaux cérébelleux profonds (DCN) constituent la sortie du cervelet et intègre les informations provenant des cellules de Purkinje (PC), des fibres moussues et des fibres grimpantes. Nous avons étudié les connexions fonctionnelles entres les PC et les DNC in vivo, grâce à une stimulation optogénétique des lobules IV/V du cortex cérébelleux et à l’enregistrement multi unitaire du noyau médian. Nous avons ainsi identifié deux groupes de cellules au sein des DCN, présentant des caractéristiques propres au niveau de leur fréquence de décharge et de la forme des potentiels d’action, en accord avec la dichotomie établie par une précédente étude in vitro permettant de séparer les neurones GABAergiques des autres neurones. Nos résultats suggèrent que les PC contrôlent la sotie du cervelet d’un point de vue temporel. De plus, la ciruiterie interne des DCN conforte ce résultat de part le fait que les cellules GABAergiques ne produisent pas d’effet temporel au travers de l’inhibition locale. / The cerebellum integrates motor commands with somatosensory, vestibular, visual and auditory information for motor learning and coordination functions. The deep cerebellar nuclei (DCN) generates the final output by processing inputs from Purkinje cells (PC), mossy and climbing fibers. We investigated the properties of PC connections to DCN cells using optogenetic stimulation in L7-ChR2 mice with in vivo multi electrode extracellular recordings in lobule IV/V of the cerebellar cortex and in the medial nuclei. DCN cells discharged phase locked to local field potentials in the beta, gamma and high frequency bands. We identified two groups of DCN cells with significant differences in action potential waveforms and firing rates, matching previously discriminated in vitro properties of GABAergic and non-GABAergic cells. PCs inhibited the two group of cells gradually (rate coding), however spike times were controlled for only non-GABAergic cells. Our results suggest that PC inputs temporally control the output of cerebellum and the internal DCN circuitry supports this phenomenon since GABAergic cells do not induce a temporal effect through local inhibition.