Cette thèse présente un traitement inspiré du fonctionnement du système auditif pour améliorer la reconnaissance vocale. Pour y parvenir, le signal de la parole est filtré par un banc de filtres et compressé pour en produire une représentation auditive. L'innovation de l'approche proposée se situe dans l'extraction des éléments acoustiques (formants, transitions et onsets ) à partir de la représentation obtenue. En effet, une combinaison de détecteurs composés de neurones à décharges permet de révéler la présence de ces éléments et génère ainsi une séquence d'événements pour caractériser le contenu du signal. Dans le but d'évaluer la performance du traitement présenté, la séquence d'événements est adaptée à un système de reconnaissance vocale conventionnel, pour une tâche de reconnaissance de chiffres isolés prononcés en anglais. Pour ces tests, la séquence d'événements agit alors comme une sélection de trames automatique pour la génération des observations (coefficients cepstraux). En comparant les résultats de la reconnaissance du prototype et du système de reconnaissance original, on remarque que les deux systèmes reconnaissent très bien les chiffres prononcés dans des conditions optimales et que le système original est légèrement plus performant. Par contre, la différence observée au niveau des taux de reconnaissance diminue lorsqu'une réverbération vient affecter les données à reconnaître et les performances de l'approche proposée parviennent à dépasser celles du système de référence. De plus, la sélection de trames automatique offre de meilleures performances dans des conditions bruitées. Enfin, l'approche proposée se base sur des caractéristiques dans le temps en fonction de la nature du signal, permet une sélection plus intelligente des données qui se traduit en une parcimonie temporelle, présente un potentiel fort intéressant pour la reconnaissance vocale sous conditions adverses et utilise une détection des caractéristiques qui peut être utilisée comme séquence d'impulsions compatible avec les réseaux de neurones à décharges.

Plusieurs fonctions cognitives sont latéralisées dans le cerveau humain adulte. Nous avons étudié l’origine des asymétries fonctionnelles chez les nourrissons, en évaluant les substrats neuronaux de reconnaissance des visages et des traitements du langage imbriqués dans les réseaux visuels et auditifs, grâce à la neuroimagerie non invasive (EEG et l’IRM de diffusion). Pour cela, nous avons étudié le développement fonctionnel et structurel de ces deux systèmes cérébraux au cours des six premiers mois postnataux. Nous avons observé que la vitesse des réponses visuelles était liée à la maturation des faisceaux de fibres de la matière blanche conduisant ces réponses, plus que l’âge des bébés, alors que la vitesse des réponses auditives doit dépendre d’un réseau de faisceaux de fibres et de régions corticales plus vaste. Parallèlement, nous avons étudié la latéralisation de la reconnaissance des visages grâce à un paradigme de discrimination des visages présentés dans chaque hémichamp. Nous avons observé que seul l'hémisphère droit pouvait discriminer les visages et que les informations pertinentes étaient transférées entre les deux hémisphères. Pour cibler la latéralisation du traitement du langage, nous avons étudié les réponses à des stimuli de la parole présentés de manière monaurale. Une comparaison entre un groupe de nourrissons avec une agénésie du corps calleux et un groupe contrôle a montré que les réponses à ces stimuli étaient transférées de façon asymétrique via le corps calleux. Cette asymétrie, facilitée vers l’hémisphère gauche, intervient probablement dans la latéralisation précoce du réseau du langage. L’ensemble de ces études mettent bien en évidence le potentiel de la neuroimagerie pour étudier le développement du cerveau et ces asymétries précoces. / Several cognitive functions such as face and speech processing are lateralized in the adult human brain. The ontogeny of these functional asymmetries is yet poorly understood. We aimed to evaluate the neural substrates of face and speech processing, nested in the visual and auditory networks using non-invasive neuroimaging techniques in infants. First, we studied how the functional and structural characteristics of these two brain systems change over the first postnatal semester. With EEG, we showed age-related decreases in the latency of brain responses and demonstrated that the speed of early visual responses is related to the maturation of underlying white matter tracts conducting them, as assessed with diffusion MRI. For the auditory system, our results suggested that the speed of responses may rely on maturation of more pathways and cortical regions. In parallel, we studied face processing lateralization using a discrimination paradigm of faces presented in each hemifield and observed that only the right hemisphere was able to discriminate between faces. Further evidence also suggested a transfer of face-relevant information across hemispheres. To study speech processing lateralization, we used a paradigm with monaural presentation of speech stimuli. A comparison between typical infants and infants with callosal agenesis, suggested an asymmetric transfer of auditory information across hemispheres, facilitated toward the left hemisphere, that might contribute to the lateralization of language early on. This thesis highlights the potential of neuroimaging techniques for the study of brain’s structural and functional development and of hemispheric asymmetries early on.

Ces travaux de recherche ont eu pour objectif d’évaluer les capacités de discrimination des réponses des neurones et leur robustesse dans le bruit à chaque étage du système auditif. Nous avons ainsi quantifié la capacité de discrimination neuronale entre quatre vocalisations cibles conspécifiques masquées par un bruit stationnaire depuis le noyau cochléaire jusqu’au cortex auditif secondaire chez le cobaye anesthésié. La discrimination des vocalisations cibles par les populations neuronales a été fortement diminuée par le bruit dans toutes les structures, mais les populations du colliculus inférieur et du thalamus ont montré de meilleures performances que les populations corticales. La comparaison avec les réponses neuronales obtenues avec les vocalisations vocodées (38, 20 ou 10 bandes de fréquences) a révélé que la réduction des capacités de discrimination neuronale était principalement due à l'atténuation des modulations d'amplitude lente (< 20 Hz). En outre, nous avons quantifié la robustesse des réponses neuronales grâce à une méthode de classification automatique réalisée sur l’ensemble des données obtenues en présence du bruit stationnaire et d’un autre bruit appelé chorus. Cela a mis en évidence cinq catégories de comportements neuronaux (des plus robustes aux plus sensibles) et leurs proportions respectives sur l’ensemble du système auditif ainsi qu’au sein de chaque structure auditive. Cette analyse a montré également qu’il existait des neurones robustes à tous les étages du système auditif, bien qu’une proportion plus importante soit retrouvée au niveau du colliculus inférieur et du thalamus. Par ailleurs, la proportion de neurones robustes est plus faible dans le bruit chorus ce qui laisse suggérer que ce dernier est plus pénalisant que le bruit stationnaire. Il est important de souligner qu’une proportion non négligeable de neurones sous-corticaux et corticaux changent de comportement d’un bruit à l’autre de sorte que le comportement de ces neurones dans un bruit particulier est peu prédictible. Ces résultats démontrent donc que la discrimination neuronale en situation de dégradation acoustique est principalement déterminée par l’altération des modulations lentes d'amplitude à la fois au niveau sous-cortical et cortical et suggèrent que les structures sous-corticales contribuent de façon importante à la perception robuste d’un signal cible dans le bruit. / This research aimed at evaluating the discrimination abilities of neuronal responses and their robustness to noise at each stage of the auditory system, from the cochlear nucleus to the secondary auditory cortex. We quantified the neuronal discrimination performance between four conspecific vocalizations masked by a stationary noise in anesthetized guinea pig. Discrimination of target vocalizations by neuronal populations was significantly reduced by noise in all structures, but collicular and thalamic populations displayed better performance than cortical populations. The comparison with neuronal responses obtained with vocoded vocalizations (using 38, 20 or 10 frequency bands) revealed that the reduction in discrimination performance was mainly due to the attenuation of slow amplitude modulations (<20 Hz). In addition, we quantified the robustness of neuronal responses using an automatic classification method performed on the whole database obtained in presence of stationary noise and of another noise called “chorus” noise. This highlighted five categories of neural behavior (from robustness to sensitivity) and their respective proportions across the auditory system as well as within each auditory structure. This analysis demonstrated that robust neurons do exist at all stages of the auditory system, although a higher proportion was found in the inferior colliculus and thalamus. Moreover, the proportion of robust neurons is lower in the chorus noise, which suggests that the latter is more penalizing than the stationary noise. It is worth to point out that a significant proportion of subcortical and cortical neurons changed category from one background noise to another, so that the behavior of these neurons in a particular noise was unpredictable. These results provide clear evidence that neuronal discrimination in degraded acoustic conditions is mainly determined by alterations of slow amplitude modulations both at the subcortical and cortical level, and suggest that the subcortical structures significantly contribute to the robust perception of a target signal in noise.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

En réponse à une stimulation sonore, la cellule ciliée interne libère du glutamate qui va activer des récepteurs distribués sur le bouton post-synaptique. Les courants post-synaptiques vont ensuite dépolariser la terminaison périphérique des neurones auditifs primaires, et initier le déclenchement d'un potentiel d'action. Tandis que la connaissance des mécanismes pré-synaptiques a considérablement progressé ces 10 dernières années, les mécanismes responsables de l'initiation des potentiels d'action sont encore méconnus. Dans cette étude, nous avons déterminé les conductances ioniques nécessaires au déclenchement des potentiels d'action. Les paramètres biophysiques des conductances (Na et K) ont été identifiés (algorithme d'identification trace entière) à partir d'enregistrements de patch clamp acquis sur les corps cellulaires. Un modèle mathématique de nœud de Ranvier a ensuite été développé en faisant l'hypothèse que les canaux présents sur le corps cellulaire et sur un nœud de Ranvier étaient de même nature mais en densités différentes. Les paramètres de ce modèle ont été identifiés pour reproduire les potentiels d'action extracellulaire au moyen d'un algorithme de descente du gradient. Nous avons identifié i) un courant Na entrant rapide (GNa activation: V1/2=-33 mV, act< 0.5 ms; inactivation: V1/2=-61 mV, inact < 2 ms) et deux courants K sortants, un rectifiant retardé activé à haut seuil (GKH, activation: V1/2=-41 mV; act < 2.5 ms) et un activé à bas seuil (GKL, activation: V1/2=-56 mV; act < 5 ms). Le modèle de nœud de Ranvier génère des potentiels d'action extracellulaire similaires à ceux enregistrés in vivo. La différence de durée du potentiel d'action observée le long de l'axe tonotopique (i.e. 450 µs de durée pic à pic à 1 kHz contre 250 µs à 20 kHz) s'explique parfaitement par un gradient de densité en canaux ioniques le long de la cochlée (GNa~78 nS, GKL~9 nS, GKH~3 nS à 1 kHz contre GNa~90 nS, GKL~12 nS, GKH ~6 nS à 20 kHz). Cette étude a permis d'identifier les conductances ioniques et les densités de canaux responsables de l'initiation des potentiels d'action dans les neurones auditifs primaires. Elle suggère que la coopération entre le courant Na et des 2 courants K est probablement à l'origine de la haute fréquence de décharge de ces neurones. Le modèle de nœud de Ranvier permet en outre de tester de nouvelles stratégies de stimulation électrique dans le contexte de l'implant cochléaire.

La thèse Analyse multifactorielle de l’influence de l’environnement sur la stabilité et la locomotion humaine, propose des recherches théoriques et expérimentales dans le domaine complexe des influences du milieu environnant, à travers ses paramètres spécifiques, sur les performances de la locomotion et d’équilibre stable du corps humain. Elle met ensemble plusieurs domaines pour l’obtention d’une évaluation statistique des influences provenant des paramètres signifiants du milieu environnant sur la locomotion et sur l’équilibre stable, représentés par le centre de pression et par les forces générées dans la zone plantaire. La thèse est structurée en huit chapitres dont quatre sont concernés à l’introduction, les objectifs de la thèse, les conclusions, les contributions originales et le mode de valorisation de la recherche, ainsi qu’aux directions futures de développement, alors que les quatre suivants développent successivement, d’une manière consistante, le sujet de thèse débutant avec l’étude bibliographique dans le domaine spécifique, suivi de l’étude et l’analyse des paramètres spécifiques du milieu environnant, l’analyse de la locomotion et de la stabilité humaine et l’analyse expérimentale des influences de l’environnement sur la stabilité et la locomotion humaine. Elle contient 195 pages, 147 de figures, 22 tableaux et 5 annexes étendues sur 50 pages concernant les recherches expérimentales.Durant le programme de recherche, l’auteur a élaboré et publié 13 articles dans les proceedings des manifestations scientifiques en Roumanie et à l’étranger et a participé à deux contrats de recherche. / The thesis Contributions to research concerning the influences of the environment on human stability and locomotion proposes theoretical and experimental researches in the very complex domain of the influences of environment, described through its specific parameters, on locomotion and stable equilibrium of human body’s performances, characterized by pressure center and by the forces generated in the plantar area. The thesis is structured in eight chapters and, among them: four are concerned on introduction, thesis objectives, conclusions, original contribution and thesis valorization (published papers and research grants)/future research directions. The next four develop, consistently, the thesis subject, beginning with critical analyze of the specialized literature that is followed by the analyze of specific parameters of the environment, the analyze of the human locomotion and stability and of influences of environment on human locomotion and stable equilibrium. It contains 195 pages, 147 figures and 22 tables and is accompanied by 5 annexes on 50 pages concerning the experimental research. During the research program, the author elaborated and published 13 papers in the proceedings of different scientific events in Romania and abroad and was a part of two research teams for scientific grants.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Chez plusieurs espèces, les neurones auditifs sensibles à la durée de la stimulation sont présents au niveau des collicules inférieurs. Toutefois, le décours temporel de leur développement fonctionnel est inconnu. Étant donné que le collicule supérieur est l’un des principaux relais sous-cortical impliqué dans l’intégration des stimuli audio-visuels, nous voulons déterminer si le collicule supérieur du rat contient de tels neurones et s’ils sont sensibles et sélectifs à différentes durées de stimulation auditive. De plus, l'originalité de cette étude est de déterminer les étapes de leur maturation fonctionnelle. Des enregistrements neuronaux unitaires et extra-cellulaires sont effectués dans le collicule supérieur de rats juvéniles (P15-P18, P21-P24, P27-P30) et adultes anesthésiés. La sensibilité à la durée est déterminée lors de la présentation de bruits gaussiens (2-10 dB SPL au-dessus du seuil) de durées variables (3-100 ms). Seulement un faible pourcentage des neurones du collicule supérieur est de type passe-bande (3-9% des neurones parmi les ratons et 20% chez les rats adultes). Une différence significative de la distribution entre les différents types de neurones auditifs sensibles à la durée est présente au cours du développement: les neurones de type passe-haut (63-75%) sont présents en majorité chez les groupes juvéniles alors que 43% des neurones sont de type insensible à la durée de la stimulation auditive chez les rats adultes. Ces résultats montrent qu’une population importante de neurones auditifs du collicule supérieur du rat est sensible à la durée des signaux sonores et qu’un développement fonctionnel important survient au cours du premier mois postnatal. / In many species, duration-sensitive neurons which could possibly analyse species-specific vocalizations are encountered in the inferior colliculus. However, their postnatal development is unknown. Since the superior colliculus is one of the most important subcortical relay implicated in the audiovisual integration, we sought to gain insight on whether the SC of the rat contains such neurons and, if so, whether they are sensitive and selective to duration. Furthermore, the originality of this study is to determine their fonctional maturation. Extracellular single-unit recordings were assessed in the deep layers of the superior colliculus of anesthetized rats throughout postnatal days (P15 – P18, P21 – P24, P27 – P30) and at adulthood. Gaussian noises of different durations (3-100 ms) were presented in free-field in pseudo-random order (2 – 10 dB SPL above threshold). Only few neurons are band-pass: about 3 – 9% across the different age groups (P15 – P30) and 20 % in adults. Thus, in terms of categories of duration-sensitive neurons profiles, a significant difference was evident across postnatal development: long-pass (63-75%) neurons were mostly encountered in the different groups of pups relative to all-pass (43%) in adult rats. These results demonstrate that a large population of neurons in the superior colliculus of the rat is sensitive to noise durations and that important development changes occur during postnatal maturation.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Comment le cerveau intègre-t-il toutes les informations sensorielles qu'il reçoit en une perception cohérente de l'environnement ? Cette intrigante et importante question en neuroscience n’est pas élucidée et a inspiré ce travail de thèse. Plus précisément, mon objectif a été d’étudier les modifications cérébrales induites par l’apprentissage d’une association entre un son et une odeur. Inhabituelle chez l’homme, hormis dans l’alimentation, cette association est pourtant fréquente chez l’animal, pour la détection de prédateurs par exemple. Mais sons et odeurs permettent surtout d'étudier les mécanismes cérébraux nécessaires à l'association entre deux sens très différents : le système auditif traite l’information en temps réel tandis que le système olfactif est lent et rythmé par la respiration. Ce travail de thèse était centré autour de la question suivante : comment le cerveau traite-t-il les interactions multisensorielles audio-olfactives ? En enregistrant l’activité de potentiel de champs local de plusieurs structures cérébrales chez des rats en train d’apprendre cette association, nous avons pu mettre en évidence un potentiel rôle des oscillations neuronales béta (15-35 Hz), dans le traitement et la mise en mémoire des différentes informations sensorielles. Ces oscillations représenteraient un lien fonctionnel entre aires cérébrales distantes, permettant l’intégration et l’association d'informations de natures très différentes. / Multisensory interactions are constantly present in our everyday life and allow a unified representation of environment. Cross modal integration is often studied in multisensory associative brain regions, but recent findings suggest that most of the brain could be multisensory. But at this time, we still don’t know how the brain deals with information from different sensory systems. In this project, we want to understand whether the establishment of neuronal oscillations can functionally connect sensory regions and take part of the multisensory integration, and how this connection is built up by learning. For this, we examine changes in the cortical network involved in the acquisition of a multisensory association between a sound and an odor in rats through the analysis of the local field potentials’ oscillations The originality of the project is to sample a large network of brain structures including primary sensory cortex (primary auditory cortex, olfactory bulb) and multimodal areas towards which converge these two senses: the piriform and perirhinal cortices. We have developed a behavioral GO/NO GO test in which the rat must combine simultaneous auditory and olfactory informations to succeed. Data and brain signals obtained in this task suggest that the power of oscillations in beta frequency band within the olfactory areas and the coherences of oscillations between these areas are modified by the multisensory learning.