L'implant cochléaire est une prothèse neurale implantée visant à restituer une sensation auditive chez des personnes souffrant de surdité neurosensorielle sévère à profonde. Si les performances en reconnaissance de la parole sont relativement bonnes dans le silence, elles chutent dramatiquement dans des environnements sonores complexes. L'une des principales limites de l'appareil vient du fait que chaque électrode stimule une large portion de la cochlée. Ainsi lorsque plusieurs électrodes sont activées les champs électriques produits interfèrent ce qui détériore la transmissions des informations sonores. Plusieurs modes de stimulation ont été proposés pour remédier à ce problème mais les améliorations en termes de reconnaissance de la parole restent limités. Dans ce projet, nous cherchons tout d'abord à expliquer via une simulateur acoustique, les résultats décevants obtenus avec le mode de stimulation bipolaire. Dans un deuxième temps nous tentons de mieux comprendre le comportement électrique de l'oreille interne implantée afin d'optimiser la stimulation multipolaire phased array (van den Honert et Kelsall 2007). Pour obtenir une stimulation efficace il faut par ailleurs s'assurer de l'état de la population neuronale à stimuler. Dans ce projet nous essayons donc de mieux comprendre l'interface électrode-neurones et d'identifier un possible corrélat psychophysique de l'état des neurones. Enfin nous discutons la possibilité de créer une stimulation optimale focalisée directement au niveau des neurones. / The cochlear implant is a neural prosthesis designed to restore an auditory sensation to people suffering from severe to profound sensorineural deafness. While satisfying speech recognition can be achieved in silence, their performance dramatically drop in more complex environments. One main limitations of the present device is due to the fact that each electrode stimulates a wide portion of the cochlea. As a result, when several electrodes are activated, the electrical field produced by different electrodes overlap which distorts the transmission of sound information. Several alternative stimulation modes have been proposed to overcome this issue but the benefit in terms of speech recognition remained limited. In this project, we first used an acoustic simulator of the cochlear implant to explain the desappointing results obtained with the bipolar stimuilation mode. We then try to better understand the electrical behavior of the implanted cochlea in order to optimize the multipolar phased array stimulation strategy ( van den Honert and Kelsall 2007). To achieve an efficient stimulation of the neural population it is necessary to determine the distribution of neural survival. In this project we aim to better understand the electrode-neuron interface and identify a possible psychophysical correlate of neural survival. Finally, we discuss the main results and the possibility to design an optimal stimulation strategy to achieve a spatially-focussed electrical field at the level of the nerve fibers.

Ce mémoire de thèse a comme thématique générale l'implant cochléaire (TC). Nous avons mené plusieurs travaux de recherche clinique avec l'objectif d'analyser différents protocoles en vue d'améliorer les résultats de l'TC. Ces études ont utilisé l'implant Neurelec-Oticon®. Après une introduction générale sur la problématique actuelle de l'TC, nous avons développé dans cette thèse 3 parties : Rappel de l'état de l'art en matière d'implantologie cochléaire et présentation des principales limites de l'TC qui justifient la poursuite des travaux de recherche tant sur les réglages de l'implant, sur ses indications, que sur les nécessaires améliorations technologiques, et cela à partir d'une meilleure connaissance des conséquences neurophysiologiques de l'implantation cochléaire. Présentation de nos travaux de recherche sur la thématique organisée en 3 chapitres : Dans le cadre de l'étude des relations hôte-dispositif implantable, un modèle spécifique a été observé. Ainsi, les effets et conséquences d'un TC sur un traitement par radiations ionisantes ont été analysés; et la résistance à la radiothérapie de l'implant lui-même (qui est un modèle de vieillissement accéléré) a ensuite été mesurée. Nous avons ensuite spécifiquement travaillé avec le fabricant à la validation clinique de nouvelles technologies du traitement du signal. Ces améliorations (Système Contralateral Routing of Signal, Système de compression CrystalisxDP, et réducteur de bruit VoiceTrack®) sont ici présentées. Une compréhension des phénoménes mis en jeu lors de la stimulation neurale est bien sur nécessaire à l'optimisation de l'implant et le dévellopement de mesures électrophysiologiques spécifiques est de ce fait essentiel. Ce chapitre détaille la mise au point de 2 protocoles expérimentaux permettant de mesurer les interactions électriques par potentiels évoqués auditifs chez le patient implanté cochléaire. Présentation d'une synthèse en s'appuyant sur les données électrophysiologiques obtenues avec analyse des perspectives de recherche permettant de rendre encore plus performante cette prothèse neurale / This thesis deals with cochlear implant (CI). We have conducted several clinical research studies in order to investigate various protocols and determine how to improve CI's efficiency. Such studies have used the Neurelec-Oticon® implant. Following a general introduction presenting current issues regarding CI, this thesis contains 3 parts: The first part presents the current state of the art on CI as well as its main limits justifying the need of further research studies on implant set up, indication and necessary technological improvements thanks to a better understanding of the neurophysiological consequences of cochlear implantation. The second part details specifically detailing our research findings and is divided into 3 chapters: In the framework of the implantable device-host relationships study, a specific model was observed. Thereby, we analyzed the effects and consequences of a CI on ionizing radiation treatment; the resistance to radiation of the implant itself (that is a model of accelerated aging) was then measured. We specifically worked with the manufacturer to ensure clinical validation of new technologies of signal processing. This study presents these improvements (Contralateral Routing of Signal System, CrystalisxDP compression scheme and noise reduction system VoiceTrack®). A good understanding of the phenomena involved in the neural stimulation process is of course necessary in order to optimize the implant. The development of specific electrophysiological measures is therefore crucial. This chapter details the implementation of two experimental protocols allowing to measure electrical interactions through auditory evoked potentials in cochlear implanted patient. The third part presents a synthesis based on the electrophysiological data obtained and the analysis of research perspectives enabling to obtain an even more efficient neural prosthesis

L'implantation cochléaire permet aux enfants sourds profonds d'acquérir la parole et de développer leur compréhension du langage oral. Cependant, les équipes cliniques et les chercheurs soulignent l'existence de variabilités interindividuelles importantes dans les résultats obtenus après l'implantation, même lorsque celle-ci est précoce. L'objectif de notre travail a donc consisté à essayer de dégager des facteurs entrant enjeu dans le développement perceptif, communicatif et langagier des enfants implantés, en prenant en compte à la fois des variables endogènes et des variables exogènes. Pour ce faire, nous avons donc réalisé deux études monocentriques :1'une longitudinale chez 7 enfants âgés de 10 à 36 mois lors du bilan pré-implantation, rencontrés ensuite à 3, 6, 9 et 12 mois post-activation, l'autre transversale chez 26 enfants, âgés de 6 à 10 ans, porteurs d'un implant cochléaire depuis en moyenne 6 ans 2 mois. Plusieurs tests communément utilisés par les cliniciens et les chercheurs ont été proposés aux enfants et deux épreuves perceptives ont été spécifiquement créées pour cette étude. Nos deux études mettent en évidence que les résultats avec l'implant cochléaire chez l'enfant dépendent de caractéristiques présentes avant l'implantation (tels que l'âge, le niveau de développement pré-implantation, le type de communication...) et de facteurs cognitifs, communicatifs et perceptifs se développant après la mise en route de l'implant. Par ailleurs, nos résultats montrent, dans les deux études, que la participation familiale est un facteur crucial pour le bon développement langagier des enfants sourds porteurs d'un implant cochléaire. / Cochlear implantation allows profoundly deaf children to develop their production and their comprehension of oral language. However, clinicians and researchers highlight the existence of an important interindividual variability in post-implantation outcomes even in the case of early intervention. The aim of our work was then to bring out factors involved in the perception, communication, speech and language development of implanted children. Some endogenous variables (such as global development, verbal and non-verbal cognitive development, or age at implantation) and exogenous variables (such as environmental characteristics) were taken into account. Therefore, we performed two monocentric studies. The first, a longitudinal study, involved 7 children aged between 10 and 36 months at the pre-implantation assessment. They were evaluated every 3 months during the first year after implant activation. The second, a transversal study, involved 26 children aged between 6 and 10 years implanted since 6 years and 2 months on average. We proposed to the children several tests commonly used by clinicians and researchers and two perceptive tests designed for this present research. Both of our studies show evidence that cochlear implant outcomes depend on characteristics already present before implantation (such as age, pre-implantation development level, and communication type) and on cognition, communication and perception factors developed after the activation of the implant. Furthermore, our results show, in both studies, that family participation is a crucial factor for the strong linguistic development of profoundly deaf cochlear implanted children.

L’implant cochléaire (IC) est une prothèse auditive implantée dans l’oreille interne qui a pour fonction de restaurer le sens de l’audition aux personnes atteintes de surdité sévère à profonde lorsque les aides auditives classiques ne leur permettent plus une audition suffisante. Pour pouvoir transmettre les indices provenant des sons extérieurs, l’IC contourne une grande partie du système auditif défaillant et stimule directement les fibres du nerf auditif du patient. En pratique, les électrodes de l’implant émettent des trains d’impulsions électriques modulées en amplitude. Ces trains d’impulsions ont une fréquence de répétition (cadence) constante. Un problème limitant est que nous ne connaissons pas entièrement les effets physiologiques et perceptifs liés à l’augmentation de la cadence de stimulation. Le projet de recherche lié à la présente thèse s’inscrit dans l’optique d’améliorer le codage temporel des futurs ICs. Cette thèse a pour but de mieux comprendre l’influence de la cadence de la stimulation électrique sur la perception des sons avec, comme objectif fondamental, de caractériser les mécanismes physiologiques sollicités lors d’une stimulation électrique. La cadence de la stimulation affecte au moins trois dimensions perceptives distinctes qui sont la hauteur, la durée et la sonie. Les expériences s’intéressent à résoudre des problèmes précis concernant chacune de ces dimensions. Lorsque nous le pouvions, les expériences réalisées chez le sujet IC ont également été réalisées chez des sujets normo-entendants en utilisant des simulations acoustiques d’ICs. / Cochlear implants (CIs) are auditory prostheses directly inserted in the inner ear to partly restore the sense of audition to people suffering from severe to profound deafness. In order to convey environmental sounds, CIs bypass the peripheral auditory system and produce amplitude-modulated electrical pulses that stimulate auditory nerve fibres. In general, pulses are delivered with a constant frequency of occurrence (i.e. rate). Even if CI users reach good performances to understand speech, it roughly diminishes when they are placed more complex audiological environment.A potential problem is that stimulation rates are not the same among subjects while our knowledge concerning the physiological mechanisms provided by rate variations, is limited. This thesis aims to improve temporal coding of CIs by studying the perceptual influence of stimulation rate, and quantify the physiological mechanisms sought by an electrical stimulation. At least, stimulation rate acts on three perceptual dimensions which are pitch, sound duration and loudness. The present experiment solves specific problems concerning each dimension cited previously. In addition to electrical stimulations, acoustical simulations of a CI were conducted to compare normal hearing with hearing-impaired performances.

Différents éléments vasculo-nerveux participent à la constitution de l'angle ponto-cérébelleux. Dans certaines conditions pathologiques dont la genèse est encore imparfaitement connue actuellement, des conflits peuvent apparaître entre des vaisseaux battants autour du tronc cérébral et des nerfs crâniens. L'objectif de ce travail en trois parties distinctes est consacré à certaines bases anatomiques et physiologiques permettant de mieux appréhender ces conflits vasculo-nerveux. La première partie s'intéresse à la morphogenèse du système vertébrobasilaire. La conception d'un logiciel original de reconstruction tridimensionnelle a permis la modélisation de quatre embryons à partir de coupes histologiques. Les images obtenues permettent de confirmer la morphogenèse décrite dans la littérature et jette les bases d'une étude plus exhaustive. La deuxième partie démontre pour la première fois la mobilité physiologique du nerf vestibulo-cochléaire au niveau de l'angle ponto-cérébelleux, par l'utilisation d'une séquence IRM en contraste de phase. Les directions crânio-caudale et antéro-postérieure et leur amplitude ont été étudiées. Ces mouvements sont dépendants de l'onde de pouls. De façon plus générale, ils peuvent être modélisés sous la forme d'une corde oscillant entre le tronc cérébral et le fond du méat acoustique interne. La troisième partie traite d'une étude de faisabilité qui jette les bases informatiques permettant d'apprécier le vieillissement artériel par la variabilité morphologique du point de confluence des artères vertébrales. Au laboratoire, nous avons conçu un programme de normalisation à partir des scanographies de neuf patients. Il autorise ainsi la création d'un tronc cérébral moyen, et la comparaison de la topographie de ces points de confluence. / Several vascular and nervous structures are located within the cerebello-pontine angle. In certain pathological conditions, microvascular compression syndroms may occur, where an artery or a vein is compressing a cranial nerve. The purpose of this work in three parts is to investigate some anatomical and physiological bases of these microvascular compression syndroms. The first part focuses on the vertebrobasilar system morphogenesis. A special designed 3D reconstruction original software allowed us to reformate four human embryos from histological serial sections. The three-dimensional views are confirming the classical features thus creating the basis of a larger study based on multiple embryos. The second part shows for the first time the physiological motion of the vestibulo-cochlear nerve at the level of the cerebello-pontine angle, with the help of a phase-contrast MRI sequence. The cranio-caudal and antero-posterior directions and their amplitudes have been studied. These motions are cardiac-cycle-dependant. We used an "oscillating string" model to explain the VCN motion between the brain stem and the fundus of the internal acoustic meatus. The third part of this work is focused on a preliminary study of the variability of the vertebro-basilar arterial fusion along the lifetime. An original software has been designed and allowing the normalisation from nine post-contrast cerebral CT scanners. A ?mean? brain stem was obtained and visualized in front of nine arterial fusion points.

Le clinicien se trouve parfois confronté à des sujets qui présentent une surdité supérieure à 90 dB HL au-delà de 1 kHz avec une audition résiduelle dans les fréquences graves. Pour réhabiliter les hautes fréquences, il existe aujourd'hui différentes technologies : amplification conventionnelle, compression fréquentielle, implant cochléaire et depuis une dizaine d'année la stimulation électro-acoustique EAS qui consiste à stimuler acoustiquement les sons graves et électriquement les sons aigus via un implant cochléaire. La première partie de cette thèse a consisté à identifier les facteurs qui influencent les capacités des patients sourds partiels à traiter l'information basse fréquence de la parole. Nous avons utilisé un test d'audiométrie vocale filtrée passe-bas. Nos résultats indiquent que les scores d'intelligibilité de la parole sont positivement corrélés avec la durée de la surdité. Ceci signifie qu'avec le temps, ces sujets malentendants apprennent à comprendre avec cette audition type filtre passe-bas, à tel point que certains ont des performances supra-normales pour l'utilisation des basses fréquences. Nos résultats montrent également une corrélation négative entre l'âge d'apparition de la surdité et les scores l'intelligibilité. Ce test pourra aider le clinicien à mieux cibler l'appareillage le plus adapté à chaque profil de patient. La seconde partie de cette thèse, consacrée à l'EAS, a consisté à évaluer par des simulations chez le normo-entendant, diverses stratégies de codage du son par l'implant EAS. Actuellement, la stratégie utilisée pour l'EAS est calquée sur celle de l'implant cochléaire et nos résultats suggèrent que cette stratégie peut être optimisée.

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La prothèse cochléaire est un appareillage destiné à la réhabilitation des surdités profondes et totales dont un appareillage conventionnel est inefficace. Elle assure la stimulation directe des neurones cochléaires à travers un faisceau d’électrodes. Différents travaux de recherches ont été établis afin d'évaluer l'intelligibilité de la parole chez les sujets bilatéralement implantés en environnements silencieux et bruité. Les résultats ont montré une bonne intelligibilité de la parole en milieu silencieux. Toutefois, les capacités de perception de la parole chez les patients implantés se dégradent en environnement bruité. Nous avons de ce fait proposé trois approches de traitement du signal en vue d'une amélioration de l'intelligibilité de la parole dans le cas de l'implant cochléaire bilatéral: la stimulation bilatérale décalée, l'algorithme de la soustraction spectrale bi-voie et l'algorithme de la soustraction interspectrale. Des améliorations de l'intelligibilité de la parole entre 4% et 10% ont été notées dans le cas de la stimulation bilatérale décalée par rapport à la stimulation bilatérale symétrique. L'approche basée sur l'algorithme de la soustraction spectrale bi-voie présentait des améliorations variables entre 10% et 17%. De meilleures performances ont été obtenues lorsque l'approche basée sur l'algorithme de la soustraction interspectrale est considérée où les améliorations étaient entre 15% et 27% / Cochlear prostheses are intended for persons suffering from deep or total deafness where conventional prostheses proved ineffective. In quiet listening conditions, most bilateral cochlear implant (BCI) users can now achieve even more than 80% word recognition scores regardless the used device. However, under more challenging listening conditions, BCI recipients perform poorly, compared to normal-hearing listeners. In this work, we proposed three speech processing approaches for speech intelligibility improvement. The first is based on shifted bilateral cochlear implant stimulation; the second is based on dual-channel spectral subtraction algorithm and finally the cross power spectral subtraction algorithm was considered. Experimental results showed a speech intelligibility improvement between 4% and 10% when the shifted bilateral cochlear implant stimulation is considered. Performance amelioration was observed when the dual-channel spectral subtraction based speech enhancement algorithm was considered and the improvement was between 10% and 17%. The better performance was obtained when noisy speech signals were processed using cross power spectral subtraction algorithm and the improvement was between 15% and 27%

Cette thèse examine le développement du langage des enfants sourds qui ont reçu un implant cochléaire (IC) en bas âge. Une première étude rapporte une revue systématique qui avait pour but d’évaluer les connaissances actuelles concernant le développement du vocabulaire et de la grammaire chez les enfants qui ont reçu un IC avant l’âge de trois ans. Vingt-huit études ont été sélectionnées; une analyse descriptive de même qu’une méta-analyse ont été effectuées séparément pour chaque aspect du langage évalué (vocabulaire et grammaire, aspect réceptif et expressif). Au résultat, en dépit de la variabilité observée dans les études, il appert que l’implant cochléaire influence positivement le développement langagier; toutefois, seule une minorité de participants aux études a atteint des niveaux de langage comparables à ceux d’enfants entendants de même âge chronologique. La majorité des enfants continuent de présenter divers degrés de retard de langage, tant au plan réceptif qu’expressif, et ce, après jusqu’à cinq années de port de l’appareil. Les résultats suggèrent aussi, malgré la variabilité observée dans les études, que les bénéfices langagiers sont influencés par le fait de recevoir l’implant à deux ans plutôt qu’à trois ans. À partir des tendances retrouvées dans la littérature, les habiletés de vocabulaire et de grammaire chez 27 enfants qui ont reçu l’implant cochléaire en bas âge (entre 8 et 28 mois) ont été comparées avec celles d’un groupe d’enfants entendants, en utilisant des outils d’évaluation standardisés. Alors que les résultats de groupe montrent que les enfants qui reçoivent un IC autour de l’âge de deux ans atteignent des niveaux de langage dans les limites de la normale, les résultats individuels d’un sous-groupe formé de enfants les plus âgés font état de quatre profils de développement, soit des niveaux de langage dans les limites de la normale pour l’ensemble des composantes, un retard généralisé à l’ensemble des composantes, des habiletés lexicales dans la norme assorti d’un retard morphosyntaxique et enfin un profil atypique montrant des disparités importantes à travers les composantes du langage. Dans trois des quatre profils, la compréhension des phrases était particulièrement faible. Ces résultats suggèrent que le fait de recevoir un implant cochléaire entre l’âge d’un et deux ans ne garantit pas l’atteinte de niveaux de langage dans les limites de la normale malgré une expérience de port de l’appareil d’une durée appréciable. Une étape antérieure du développement linguistique a été examinée de plus près dans la troisième étude. La taille et la composition du vocabulaire expressif de onze enfants ayant reçu un IC à un âge moyen de 15 mois ont été comparées à celles de l’échantillon d’enfants entendants ayant servi à établir les normes en français québécois pour le questionnaire Mots et énoncés des Inventaires MacArthur-Bates du développement de la communication (IMBDC). Les scores d’âge équivalent selon la taille totale du vocabulaire des enfants avec IC étaient supérieurs à l’âge auditif (correspondant à la durée de port de l’appareil) mais inférieurs à l’âge chronologique. La représentation grammaticale en fonction de la taille du vocabulaire des enfants avec IC suit la tendance observée dans la norme. Ces résultats suggèrent que le profil lexical des enfants avec implant est très similaire à celui des enfants entendants lorsque le nombre total de mots acquis est le même. Les résultats de cette thèse suggèrent que l’implant peut, de manière générale, avoir un effet « normalisant » sur le langage ; toutefois, il semble que l’amélioration de l’accès auditif ne suffise pas pour rattraper à coup sûr le niveau de langage des pairs entendants dans l’ensemble des composantes du langage. Alors que les habiletés lexicales se rapprochent du profil typique, les habiletés de compréhension morphosyntaxique sont fortement atteintes chez une majorité d’enfants, suggérant un profil apparenté à un trouble de langage. / This dissertation examines language development in children who received a cochlear implant (CI) at a young age. A systematic review studied the main outcomes reported in the literature concerning vocabulary and grammar development of profoundly deaf children who received a CI before the age of 3 years. A total of 28 studies met inclusion criteria. Studies varied widely in participant characteristics, assessment tools, study designs, and overall methodological quality. A descriptive synthesis and a meta-analysis were completed separately for each language domain (receptive and expressive vocabulary and grammar). Results showed a positive impact of cochlear implantation on language development, but only a minority of children achieved language levels on par with their hearing age-mates. The majority of the children involved in the primary studies continued to exhibit varying levels of delay in receptive and expressive vocabulary and grammar after up to 5 years of cochlear implant use. Results showed that the minority of children who achieved language levels on par with hearing children were likely to have received their implant by the age of two, thus suggesting that age at implantation influences language achievement. A second study examined receptive and expressive vocabulary and grammar achievement of 27 French-speaking children who received a CI between the age of 8 and 28 months. Standardized measures were administered and the language levels attained by children with CIs were compared with those of the normative sample of same-age hearing peers for each measure. As a group, children exhibited language levels within normal limits on all standardized language measures. Examination of individual patterns in a subgroup of children revealed 4 different language profiles: a) normal language levels in all domains, b) general language delay, c) vocabulary within the norm with morphosyntactic delay, and d) an atypical profile (discrepancies across language domains). In three of these profiles, comprehension of sentences was impaired. Findings suggest that receiving a cochlear implant between the age of 1 and 2 years does not ensure that language abilities will be within normal limits after up to 6 years of experience with the implant. An earlier stage of formal language was examined in the third study. Vocabulary size and grammatical composition in 11 children who received their CI at a mean age of 15 months were compared to that of the Quebec French normative sample for the Words and Sentences questionnaire of the MacArthur-Bates Communicative Development Inventories (MBCDI). Results showed that age equivalent scores according to total vocabulary size were superior to hearing age (equivalent to the duration of device use) but inferior to chronological age. Distribution of grammatical categories according to vocabulary size followed the same pattern as in the normative sample. These results suggest that the lexical profile of children with implants was very similar to that of normally-hearing children who had the same number of words. Taken together, results of this dissertation suggest that the cochlear implant can have a “normalizing” effect on language. However, they also suggest that improved access to auditory input does not seem sufficient to allow children to attain language levels within normal limits in all components. Whereas early lexical abilities were comparable to typical development, receptive morphosyntactic abilities remain severely impaired in a majority of children.

Cette thèse propose une analyse comparative acoustique et perceptive de la voix d'un effectif statistiquement fiable d'enfants sourds appareillés et implantés cochléaires. Peu de paramètres diffèrent de manière significative entre le groupe d'enfants sourds ayant été appareillés et implantés avant l'âge de trois ans, et le groupe d'enfants entendants. L'ensemble de résultats indiquent que la voix des enfants de notre étude ne présente pas les caractéristiques traditionnellement retenues pour déterminer la voix pathologique. Par ailleurs, les caractéristiques de la voix des enfants implantés cochléaires sont sensiblement comparables à celles des enfants entendants. Fort de ces résultats expérimentaux, nous avons proposé un modèle " vibro-acoustique " de la régulation de la voix des enfants sourds " oralisés ", et développé un simulateur numérique de la boucle audio-phonatoire.