Soutenance de thèse de Ana SODAN

Ecole Doctorale
SCIENCES POUR L'INGENIEUR : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique
Spécialité
Sciences pour l'ingénieur : spécialité Acoustique
établissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
Implants Cochléaires,Potentiels Évoqués Auditifs,Stimulation électrique,Seuils électrohysiologiques,Seuils comportementaux,Intégration temporelle
Keywords
Cochlear Implant,Auditory Brainstem Responses,Electrical Stimulation,Electrophysiological thresholds,Behavioral Thresholds,Temporal integration
Titre de thèse
Mécanismes d’intégration temporelle du nerf auditif stimulé électriquement : Vers une automatisation du réglage des Implants cochléaires
Mechanisms of temporal integration of auditory electrical stimulation: Implications for automatic fitting of Cochlear Implants
Date
Lundi 27 Septembre 2021 à 14:00
Adresse
Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique 4 impasse Nikola Tesla
Amphithéâtre François Canac
Jury
Directeur de these Mme Sabine MEUNIER Aix Marseille Université / LMA / CMRS
Directeur de these M. Olivier MACHEREY Aix Marseille Université / LMA / CNRS
Rapporteur M. Paul AVAN Université de Clermont Auvergne
Rapporteur Mme Astrid VAN WIERINGEN KU LEUVEN
Examinateur M. Jérémy MAROZEAU Technical Unversity of Denmark
Examinateur M. Robert CARLYON University of Cambridge

Résumé de la thèse

Les implants cochléaires(IC) ont permis de restaurer l’audition à plus de 600 000 malentendants à travers le monde. L’IC transmet l’information sonore en 2 étapes. La 1ère vise à identifier quelles informations sont transmises aux fibres nerveuses (FN) auditives. La 2de partie, qui constitue le sujet de cette thèse, concerne comment cette information est adaptée à l’individu. Premièrement, les variations de pression sonore doivent être transmises à des niveaux audibles propres à chacun. Les niveaux T (de détection) et C (de confort) sont donc mesurés pour chaque électrode. Cette mesure, longue et fatigante, devrait pouvoir être réalisée de manière objective, en utilisant par exemple les Potentiels Évoqués Auditifs précoces (PEAp). Mais ceux-ci sont recueillis avec une cadence de stimulation faible (30 pps), qui diffère de celle de l’IC (1000 pps). Cette différence est problématique car les T varient avec la cadence. Ce phénomène, résultant de l’intégration temporelle (IT) de l’activité neurale, est variable entre sujets rendant difficile la prédiction des T cliniques avec les PEAp. Une méthode récente suggère de mesurer les PEAp en réponse à des bancs de pulses (chacun composé de plusieurs pulses accolés, appelés BUPS) suffisamment espacés pour recueillir les PEAp. Nous supposons ici que les PEAp avec BUPS devraient mieux prédire les T cliniques que la méthode classique, en présumant que l’IT à court terme s’effectue avant la génération des PEAp. Or, nos résultats ne montrent pas un tel avantage. Deux explications sont proposées: des mesures de PEAp trop bruitées ou la possibilité que l’IT à court terme ait lieu après la génération des PEAp. Pour tester la 2nde hypothèse, les PEA à latences longues sont comparés aux PEAp, pour les 2 stimulations. Nous observons que la magnitude de l’IT est similaire pour les 2 mesures, indiquant que l’activité générée par chaque BUPS est déjà intégrée au niveau du tronc cérébral. Cette étude montre les limites des PEAp pour la prédiction des T et suggère une contribution de l’IT à long terme à la variabilité inter-sujet. Deuxièmement, les ICs activent séquentiellement plusieurs électrodes. Si toutes étaient stimulées à leur niveau C, la sensation engendrée serait trop forte en intensité dû à la sommation de sonie. Les cliniciens diminuent donc le niveau global avant d’activer le processeur. Le 2nd but de cette thèse est de localiser la source de la variabilité inter-sujets dans la sommation de sonie et de tenter de la prédire pour chacun. Nous supposons que les interactions inter-électrodes jouent un rôle fondamental dans cette variabilité et devraient se refléter dans une mesure de PEAp. Nos résultats montrent la possibilité de recueillir des PEAp en réponse à des stimuli multi-électrodes, mais, ne permettent pas de prédire les C, probablement dû à la variabilité de morphologie inter-électrodes des ondes de PEAp. La 3ème partie de cette thèse concerne la perception des délais entre les électrodes de l’IC. Chez les normo-entendants (NE), l’onde propagée dans la cochlée crée des délais d’activation entre les FN. Un clic va stimuler les FN de la base vers l’apex avec un délai pouvant atteindre 10 ms. Cependant, ce délai n’est pas perçu par l’oreille humaine, le clic étant le son perçu comme le plus court. La littérature suggère que ce paradoxe s’explique par un mécanisme central compensant le délai cochléaire. Le 3ème but de cette thèse est de mieux documenter la sensibilité des sujets avec IC aux délais inter-électrodes et de tester cette hypothèse de compensation. Nous montrons que la sensibilité aux délais est similaire à celle des NE. De plus, nous observons une asymétrie dans la perception de durée: un stimulus multi-électrode qui imite le délai cochléaire est perçu plus court qu’un stimulus de même durée dont l’ordre des électrodes est opposé. Ce résultat constitue un argument fort en faveur de la compensation centrale et suggère que ces délais devraient être pris en compte dans les IC.

Thesis resume

Cochlear implants (CI) have restored hearing to more than 600 000 deaf people worldwide. The functioning of CIs can be divided in 2 parts. The 1st part concerns which information from the sounds is being extracted. The 2nd part relates to how this information is adapted individually. Several aspects of this how are addressed in this thesis. First, T- (thresholds) and C-levels (comfortable levels) need to be measured for each patient’s electrode to correctly map the sound envelopes within their electrical dynamic range. This measure can be long and exhausting, urging the need to find alternative objective tools, such as electrically evoked auditory brainstem responses (eABRs). But, eABR recordings require low stimulation rates (30 pps) to obtain clear responses while CIs use high rates (1000 pps). This rate mismatch is problematic because behavioral T-levels vary as a function of rate due to the temporal integration (TI) of neural activity by the auditory system. Besides, the effect of rate on T-levels is variable across subjects, thereby preventing eABRs to predict T-levels. To overcome this issue, a recent method proposed to record eABRs in response to bunches of pulses (each composed of several pulses presented in short succession, named BUPS), sufficiently separated to record eABRs. Assuming that the short-term TI mechanism takes place before the eABR waves generators, measuring eABRs with this stimulus should better predict clinical T-levels compared to the classic method. We tested this hypothesis but found no significant advantage. Two reasons could explain this: the noisiness of eABR recordings and the possibility that the short-term TI occurs above the eABRs generators. To test this 2nd hypothesis, electrically evoked cortical auditory potentials (eCAEPs) were measured with the same stimuli. Results showed that the amount of TI was similar for both measures, suggesting that the neural activity elicited by each BUPS is already integrated at the brainstem level. This experiment highlights the limits of eABRs for T prediction and suggests that part of the across-subject variability arises from longer-term TI. Second, CIs stimulate several electrodes sequentially. If all were activated at their C-levels, the stimulation would produce a too loud percept due to loudness summation. Thus, clinicians decrease the overall level before activating the processor. The 2nd aim of this thesis was to localize the source of the across-subject variability in loudness summation and to try to predict it with eABRs. We assumed that electrode interactions may be responsible for this variability, which should be reflected in eABRs. We showed that it is possible to record eABRs to multi-electrode stimuli. However, there was a large variability in eABR wave morphology and growth functions that prevented us from predicting multi-electrode C-levels. The 3rd part of this project focused on the perception of across-electrode delays in CI users. In normal hearing (NH), auditory filtering yields frequency-dependent delays in the cochlea. For example, a click stimulates auditory nerve fibers from the base to the apex with a delay that can reach 10 ms. But this cochlear delay is not perceived, a click is still perceived as the shortest sound. One possible explanation for this paradox is that a central mechanism compensates for this delay. The 3rd aim of this thesis was to better understand the sensitivity of CI users to across-electrode delays and to test this central compensation hypothesis. We showed the sensitivity of CI users to across-channel delays to be similar to NH listeners. Also, we observed an asymmetry in perceived duration, an electrical chirp “mimicking” the cochlear delay sounded shorter than a chirp with the reverse electrode stimulation order. These results provide a strong argument for the existence of the compensation mechanism and suggest that across-electrode delays should be better considered in CI.