Le temps est une dimension universelle traitée par les systèmes sensoriels, qui est essentielle pour attribuer un sens à des stimuli comme la parole ou la musique pour l'audition. Cependant, les mécanismes requis pour le traitement temporel restent en grande part méconnus. Dans cette thèse, nous avons examiné un type de mécanisme faisant sans doute partie intégrante de tout traitement temporel : la formation de nouvelles traces mnésiques pour l’information temporelle. Nous avons étudié principalement la modalité auditive, mais aussi d'autres modalités sensorielles, comme le toucher, la vision, et la stimulation électrique directe du système auditif périphérique avec un implant cochléaire. Toutes les expériences ont utilisé un nouveau paradigme expérimental, adapté de précédentes études conçues pour étudier la mémoire auditive (Agus, Thorpe, & Pressnitzer, 2010). Au lieu d'utiliser du bruit comme stimulus, nous avons utilisé des séquences d’intervalles de temps irréguliers délimités par de brèves impulsions d'énergie, adaptées à la modalité étudiée. Dans une première série d'expériences, nous avons étudié la modalité auditive chez des auditeurs normo-entendants, en utilisant des trains de clics audio comme stimuli. Nous avons démontré, pour la première fois, un apprentissage rapide de sons contenant uniquement des informations temporelles. Dans une seconde série d'expériences, nous avons appliqué le même paradigme à trois modalités sensorielles (audition, toucher et vision), en utilisant des clics audio, des impulsions de mouvement au bout des doigts, et des flashs de lumière pour délimiter les intervalles de temps dans les différences modalités. Nous avons observé des formes qualitativement similaires d'apprentissage perceptif pour les trois modalités, avec un apprentissage rapide dans tous les cas, ainsi qu'un transfert d'apprentissage au toucher ou à la vision pour des séquences initialement apprises de façon auditive. Dans une troisième série d'expériences, nous avons testé des malentendants stimulés électriquement par leur implant cochléaire avec des séquences d'impulsions irrégulières. Nous avons trouvé des indications d’une plasticité préservée pour l'apprentissage rapide des informations temporelles chez ces auditeurs. Enfin, nous présentons des résultats préliminaires en utilisant une nouvelle technique susceptible de révéler certains des mécanismes neuronaux sous-jacents à l'apprentissage perceptuel rapide. Nous avons mesuré la dilatation pupillaire pendant que les auditeurs effectuaient la tâche de mémoire auditive et observé des changements systématiques de la taille de la pupille avec l'apprentissage. En conclusion, la thèse montre une capacité remarquable des systèmes perceptifs à apprendre des séquences temporelles complexes lorsqu'elles apparaissent plusieurs fois dans l'environnement, et suggère de nouvelles méthodes expérimentales pour étudier plus avant les mécanismes neuronaux sous-jacents. / Time is a universal feature of all information processed by sensory systems, and temporal patterning is often essential for attributing meaning to external stimuli such as speech or music in audition. However, many of the mechanisms needed for temporal processing are still unclear. In this thesis, we investigated one type of mechanism arguably integral to any kind of temporal processing: the formation of novel memories for temporal patterns. We studied mainly the auditory modality, but also other sensory modalities such touch, vision, and electric hearing with a cochlear implant. All experiments used a novel experimental paradigm, adapted from a previous study designed to explore auditory memory of random noise (Agus, Thorpe, & Pressnitzer, 2010). Instead of using noise as the complex stimulus to learn, we used irregular time patterns made of random time intervals delineated by modality-adapted brief energy pulses. In a first series of experiments, we investigated the auditory modality in normal hearing listeners, using click trains as stimuli. We demonstrated for the first time a rapid learning of stimuli containing solely temporal cues. In a second series of experiments, we applied the same paradigm to multiple sensory modalities (audition, touch, and vision), using audio clicks, motion pulses to the fingertips, and light to delineate time intervals. We found a qualitatively similar forms of perceptual learning for all three modalities, with rapid learning in all cases, as well as a transfer of learning to touch or vision for patterns learnt initially learnt in audition. In a third series of experiments, we tested hearing impaired listeners stimulated through their cochlear implant with sequences of electrical pulses. We found evidence for preserved plasticity for the rapid learning of time patterns in those listeners. Finally, we present preliminary data using a novel technique for studying the underlying neural mechanisms of rapid perceptual learning. We measured pupil dilation while listeners performed the memory task and observed systematic changes in pupil size with perceptual learning. In conclusion, the thesis shows a remarkable ability of perceptual systems to learn complex time patterns as they re-occur in the environment, and suggests new experimental methods to further study the underlying neural mechanisms.