Des chercheurs de l'Université Western Ontario ont identifié les mécanismes neuronaux par lesquels le cerveau humain construit une carte tridimensionnelle de l'espace auditif. Cette découverte a des implications directes pour le développement des appareils auditifs, des implants cochléaires et des programmes de réadaptation auditive.
Ces travaux, menés par les programmes d'audiologie et de neurosciences de l'Université Western, ont utilisé des environnements audio virtuels immersifs, notamment un AudioDome conçu sur mesure, pour présenter aux auditeurs des stimuli sonores spatialement précis tout en enregistrant simultanément l'activité cérébrale.
Un dispositif expérimental contrôlé a permis aux chercheurs d'isoler comment le cortex auditif encode la hauteur, l'azimut et la distance des sources sonores indépendamment des indices visuels.
Que fait réellement le cortex auditif ?
Le cortex auditif, la région du lobe temporal du cerveau qui traite les sons entrants, ne se contente pas de détecter la fréquence et l'intensité. Selon une équipe de recherche occidentale, il calcule activement la localisation de la source sonore en intégrant les différences de temps interaurales (le délai de quelques microsecondes entre le moment où un son atteint chaque oreille) et les différences de niveau interaurales (les subtiles variations d'intensité sonore entre les oreilles).
Ces deux caractéristiques, combinées à la modification spectrale induite par la géométrie de l'oreille externe, permettent au cerveau de localiser la source sonore par triangulation.
Les recherches menées en Occident permettent de mieux comprendre comment ce traitement de l'information se déroule dans les différentes couches du cortex cérébral et au fil du temps. Le cerveau ne traite pas le son spatial en une seule étape ; il applique plutôt des opérations de filtrage successives qui affinent la localisation perçue du son à travers de multiples phases de traitement.
Cette séquence temporelle a une importance clinique. La plupart des appareils auditifs modernes restituent l'amplitude et le contenu fréquentiel du son, mais transmettent des signaux audio qui court-circuitent en grande partie le filtrage spatial normalement effectué par l'oreille externe.
De ce fait, par exemple, les utilisateurs d'implants cochléaires rencontrent souvent des difficultés de localisation sonore, un problème qui affecte la compréhension de la parole dans les environnements bruyants et la perception spatiale en général.
Pourquoi les appareils auditifs conventionnels ne répondent pas aux attentes
Les appareils auditifs standard amplifient les signaux audio entrants sans préserver la fonction de transfert liée à la tête (HRTF) — la réponse acoustique individuelle que l'oreille externe, la tête et le torse donnent au son avant qu'il n'atteigne le tympan.
Cette signature encode l'information spatiale. Lorsqu'elle est absente ou déformée, le cortex auditif reçoit un signal appauvri et ne peut pas reconstruire avec fiabilité l'origine du son.
Les implants cochléaires rencontrent un problème similaire. Ils convertissent le son en impulsions électriques transmises directement au nerf auditif, court-circuitant ainsi le mécanisme de tri fréquentiel de la cochlée. Bien que les implants modernes restaurent la gamme fonctionnelle des fréquences de la parole, la résolution spatiale demeure limitée.
Des études menées dans des institutions occidentales et autres ont montré que les utilisateurs d'implants cochléaires binauraux — ceux qui ont des dispositifs dans les deux oreilles — obtiennent toujours des résultats nettement inférieurs à ceux des personnes ayant une audition normale dans les tâches de localisation sonore.
Une cartographie détaillée de la façon dont le cortex cérébral traite les signaux spatiaux, réalisée par une équipe de chercheurs occidentaux, pourrait servir de base aux algorithmes de traitement du signal intégrés aux dispositifs de nouvelle génération, permettant aux implants et aux appareils auditifs de pré-encoder les informations spatiales dans un format que le cortex auditif peut interpréter plus facilement.
Ce travail s'inscrit dans un effort plus vaste en ingénierie biomédicale — d'une ampleur similaire aux recherches menées au MIT sur les stimulateurs cardiaques à ultrasons non invasifs — qui vise également à restaurer la fonction physiologique en travaillant avec, plutôt qu'en contournant, l'architecture de signalisation propre au corps.
Dôme audio et précision spatiale dans la recherche
La principale contribution méthodologique du programme occidental est AudioDome, un système de haut-parleurs sphériques qui permet de placer les sources sonores à des endroits précis dans l'espace tridimensionnel autour d'un auditeur assis.
Contrairement aux expériences avec des casques audio, qui reposent sur des enregistrements HRTF individuels et entraînent souvent des erreurs de localisation du son à l'avant, à l'arrière ou à l'intérieur de la tête, AudioDome offre des conditions d'écoute en champ libre dans un environnement de laboratoire.
Cette précision est importante car le traitement de l'information spatiale par le cerveau est calibré sur l'environnement acoustique réel. Les expériences qui reproduisent ces conditions produisent des données neuronales plus susceptibles d'être généralisables à l'audition quotidienne.
Cette technique permet aux chercheurs de tester comment les réponses corticales aux mêmes stimuli spatiaux diffèrent entre les auditeurs ayant une audition normale, une perte auditive liée à l'âge et ceux utilisant des appareils auditifs – une comparaison contrôlée qui était difficile à réaliser avec les méthodes expérimentales précédentes.
La perte auditive liée à l'âge, connue sous le nom de presbyacousie, aggrave les troubles du traitement spatial car elle atténue préférentiellement les sons de haute fréquence qui véhiculent d'importants indices spatiaux, notamment pour la localisation verticale.
Comme l'étude a été menée à l'Université de Western Ontario et qu'elle couvre l'ensemble du cycle de vie, des enfants aux personnes âgées, ses résultats sont pertinents pour divers groupes cliniques, et pas seulement pour les utilisateurs d'appareils auditifs.
Le chemin des neurosciences à l'application clinique
La transposition des données de cartographie corticale en conception de dispositifs nécessite la fusion de deux disciplines qui ont historiquement travaillé en parallèle plutôt qu'en étroite collaboration. Les audiologistes caractérisent le degré de perte auditive et sélectionnent les dispositifs ; les ingénieurs conçoivent les chaînes de traitement du signal en se basant sur les principes de la physique acoustique.
Les données neurobiologiques sur la façon dont le cortex cérébral réagit aux signaux spatiaux déformés peuvent guider la conception, nous permettant de déterminer non seulement les fréquences qu'un dispositif doit transmettre, mais aussi la structure d'information spatiale du signal pour assurer la localisation au sein du cortex cérébral.
Le délai pratique pour une telle traduction dépend de la reproductibilité des mesures des signatures corticales identifiées par l'équipe de Western chez différents individus, et de leur stabilité suffisante pour servir de cibles d'étalonnage pour la programmation personnalisée des dispositifs.
Les différences individuelles en matière de géométrie HRTF et d'organisation corticale sont importantes, ce qui signifie que les résultats obtenus au niveau de la population devront peut-être être adaptés aux protocoles individuels avant qu'une application clinique soit possible.
Le programme de recherche en audiologie et en neurosciences de l'Université Western considère ces travaux comme faisant partie d'un effort à long terme visant à prendre en compte les changements de l'audition tout au long de la vie – un objectif qui nécessitera que les résultats des études corticales soient maintenus lors du passage de milieux de laboratoire contrôlés aux environnements acoustiques changeants où la perte auditive cause les plus grands défis quotidiens.