1- De la musique au cerveau

1.1 - Le son et ses caractéristiques

Tout d’abord, abordons les caractéristiques du son. Le son est la propagation d’un émetteur vers un récepteur, de la compression et de la détente de la matière. En sciences, l'étude d'un son correspond à son acoustique. C’est une onde mécanique longitudinale, de compression et de décompression. Un son a quatre caractéristiques distinctes : sa hauteur, son timbre, son amplitude et son intensité.

La hauteur d’un son simple, pur, d’une seule fréquence, équivaut à la fréquence de sa vibration en Hertz. La hauteur d’un son complexe, de plusieurs fréquences, équivaut à la fréquence fondamentale, c’est-à-dire la vibration la plus élevée. L’oreille humaine a une bande passante, qui correpond aux fréquences que l'on peut entendre, comprise entre 20Hz et 20KHz. Mais à une plus grande intensité, les fréquences comprises entre 100 et 6000 Hz sont la gamme de fréquence de la voix. Plus l’on vieillit, plus la bande passante se réduit, surtout dans les aigus. Plus un son est aigu, plus sa fréquence est haute, et inversement, plus un son est grave, plus sa fréquence est basse.

Le timbre d’un son correspond à la couleur de ce son, relation entre les ondes sonores et lumineuses. Il dépend de la liaison entre la fréquence fondamentale, le nombre des harmoniques et leurs intensités. Chaque son a un timbre différent qui est audible. Il permet de différencier un son de même fréquence et de même amplitude.

Voici par exemple deux sons qui ont la même hauteur et la même force mais qui se distinguent par le timbre :

L’amplitude d’un son correspond aux variations des pressions atmosphériques de l’air qui peut être plus ou moins comprimé. Donc, si une source sonore émet beaucoup d’énergie, elle va fortement compresser les molécules se trouvant autour d’elle, et cette forte compression va engendrer un son plus fort, de plus grande amplitude. Plus le niveau sonore est élevé, plus l'amplitude du signal est importante.

Son faible : Son fort :

L’intensité en acoustique est la force d’un son. Elle se mesure en décibels. Cette unité a été choisie parce que ses chiffres sont facilement manipulables et correspondent à ce que perçoit l’oreille humaine. Donc, le son minimum perceptible par l’homme a une intensité de O décibel, néanmoins il ne correspond pas à l’absence de son.

Le décibel mesure les rapports de grandeurs de la pression acoustique. C’est une unité de niveau par rapport à la valeur de référence qui est de O dB.

L’intensité d’un son dépend de la distance à laquelle le son est perçu ainsi que des variations des propriétés physiques de l’air comme la température, la pression et l’humidité. Le niveau de pression acoustique décroit de 6 dB à chaque fois que la distance double par rapport à la source. :

Le son se caractérise également par sa vitesse, sa longueur d'onde, sa fréquence et sa période. Toutes ces notions sont complétées par des formules précises, qui sont en lien les unes des autres :

"Parler est un besoin, écouter est un art", Goethe

1.2 - L'appareil auditif

"L’oreille est le chemin du cœur", Voltaire

Le son arrive ainsi jusqu’à l’oreille qui va transformer l’information pour que le cerveau puisse la traiter.

L’oreille est donc constituée de trois parties : l’oreille externe qui capte l’information, l’oreille moyenne qui l’amplifie et la transmet et enfin l’oreille interne qui la code.

L’oreille externe comprend le pavillon qui synthétise les ondes sonores, le conduit auditif ainsi que le tympan. Tout d’abord, le pavillon possède un squelette fait de cartilage ce qui lui permet de reprendre sa position après une quelconque déformation. On appelle sa partie inférieure le lobe. Ensuite, on trouve le conduit auditif qui mesure environ 2.5cm de long et qui se rétrécie à mesure que l’on se rapproche du tympan. Pour protéger les parois, les glandes cérumineuses fabriquent le cérumen, liquide visqueux. Le conduit auditif protège donc le tympan et participe activement au traitement de l’information. Enfin, le tympan est une fine membrane tendue qui vibre quand elle capte les sons, et qui les transmet par la suite. Mais l’oreille externe agit aussi comme une protection de l’oreille moyenne, protégeant elle-même l’oreille interne, plus fragile.

Vient donc l’oreille moyenne composée, de trois osselets, le marteau au contact du tympan, l’enclume et l’étrier, plus petit et plus léger os du corps.

Enfin, elle est formée d’un conduit reliant l’oreille moyenne à l’arrière du nez, la Trompe d’Eustache. Son rôle est d’empêcher l’arrivée d’agents pathogènes ou de sécrétions nasales dans cette cavité. Elle a aussi pour rôle d’égaliser la pression des deux côtés du tympan pour éviter sa rupture.

La partie située entre le tympan et cette chaîne d’osselets est appelée la caisse du tympan. Ces derniers permettent la transmission des vibrations en les faisant passer de solidiennes à liquides. Autrement dit, on passe d’un milieu aérien à un milieu liquide.

Enfin l’oreille interne comprend le vestibule, les canaux semi-circulaires, la cochlée ainsi que le nerf cochléaire. L’étrier s’insère dans la fenêtre ovale en contact direct avec l’oreille interne.

La cochlée mesure 3.5cm, elle est en forme de spirale et s’enroule autour du nerf auditif.

Elle est formée de deux rampes (en bleu), la rampe vestibulaire qui atteint le sommet partant de la fenêtre ovale, et la rampe tympanique se terminant par la fenêtre ronde. Ces rampes sont séparées par le canal cochléaire (en violet). Elle contient des cellules ciliées qui permettent la perception sensorielle. Ces cellules baignent dans un liquide, ainsi les vibrations agissent sur ce liquide. Les cils se mettent donc en mouvement et transforment ces vibrations en signaux électriques. Cela a pour but de former un signal nerveux qui sera transmis, grâce au nerf auditif ou cochléaire, au cerveau.

Voici les cellules ciliées :

A l’intérieur du canal cochléaire, on trouve l’organe du Corti. C’est l’élément sensible de l’ouïe. Il possède plus de 14000 cellules ciliées. Selon la fréquence, ce n’est pas la même partie de la membrane basilaire, membrane séparant les deux rampes et où sont reliées les cellules ciliées, qui vibrera. En son centre, on retrouve les sons graves jusqu’à 20Hz et à l’extérieur, les sons aigus jusqu’à 4000Hz.

1.3 - Ce qui se passe dans le cerveau

"Savoir écouter, c’est posséder, outre le sien, le cerveau des autres", Léonard De Vinci

On dit souvent que la musique est un langage universel. Une bonne mélodie peut nous propulser de notre siège vers le plancher de danse ou nous aider à nous détendre et à nous ressourcer. Une chanson particulière peut nous ramener dans le passé et nous faire revivre des émotions, elle peut aussi nous faire rêver...
Ainsi, un fait semble évident : la musique éveille notre cerveau de façon mystérieuse et complexe.

Maintenant, analysons le phénomène d'un point de vue scientifique. Comme nous l’avons vu précédemment, pour qu'un son arrive de l'oreille jusqu'au cerveau, c'est l'oreille interne qui envoie une onde sonore sous forme de décharges électriques jusqu'au cerveau, grâce à la cochlée. Cette dernière va envoyer les ondes vers le nerf auditif, se trouvant dans le tronc cérébral, que nous pouvons voir schématisé ci-dessous.

Les ondes sonores sous forme de décharges sont donc transmises au nerf auditif, qui va les amener aux centres auditifs du cerveau par le tronc cérébral. Elles passeront par le nerf cochléaire avant d’arriver dans le noyau cochléaire, qui à pour rôle de déchiffrer le son qui est sous forme d'ondes. Il va définir son type (cri, alarme, paroles…). Puis, dans le thalamus, où il se fait un important travail d’intégration, il va mettre en place la préparation d’une réponse motrice ou vocale.
Enfin, les influx, c'est à dire les ondes, sont transmises au lobe temporal. C'est la partie du cerveau responsable de l’audition, de la mémoire et du goût, aussi appelée : cortex auditif. Celui ci va recevoir le message, déjà en partie décodé par le noyau cochléaire et le thalamus, et va pouvoir le reconnaître et le mémoriser.
Enfin, il peut donner un ordre d’importance aux différents sons qu’il perçoit, d’où l’impression de « brouhaha » que l’on peut ressentir dans un espace très bruyant par exemple.

Tout ceci pourrait se résumer en un schéma simple :

De plus, le cerveau permet la coordination entre les deux oreilles. En effet, c’est lui qui situe le son dans l'espace, lui qui reconnaît un instrument de musique ou une personne précise. C'est donc le cerveau qui traite les signaux nerveux apportés par l'appareil auditif : il est responsable de nos perceptions auditives. La perception auditive fait intervenir plusieurs facultés mentales, des troubles neurologiques peuvent donc affecter notre audition.

Pour finir, il est nécessaire de savoir que le cerveau permet la corrélation de tous les sens, C'est à dire la relation existante entre deux notions dont l'une ne peut être pensée sans l'autre, entre deux faits liés par une dépendance nécessaire. Ainsi, nous ne faisons pas qu’entendre les sons qui parviennent à notre cerveau : nous pouvons aussi les voir ! En effet, lorsqu’un individu nous parle, afin de mieux le comprendre, nous regardons inconsciemment sa bouche. Le cerveau met ensuite en relation les sons qu’il entend et les sons qu’il voit. De cette manière, deux sons identiques prononcés par un individu nous semblerons être différents si les mouvements qu'il réalise avec sa bouche ne sont pas les mêmes.

Comme pour la compréhension du langage, la musique est traitée de différentes manières: par exemple, une partie de notre cerveau décode le ton et le tempo pendant que d’autres parties comme la mémoire et l'émotion sont mises à contribution. Si nous jouons d'un instrument, une partie de notre cerveau doit comprendre quoi faire de nos mains tandis qu’une autre est utilisée pour lire les notes de la partition. Dans son livre, This Is Your Brain On Music, le professeur Daniel J. Levitin écrit que «l'activité musicale s’applique à presque toutes les régions du cerveau que nous connaissons ». C'est à dire que si nous jouons une mélodie sur notre guitare ou que nous écoutons une chanson sur notre Ipod, la quasi-totalité de notre cerveau est utilisé. Ecouter de la musique est donc très physique car notre cerveau s’éveille, nos muscles faciaux s’activent et notre pression sanguine change. Tout cela en seulement trois secondes ! Notre cerveau aime la musique, et toutes les activités qui sont liées à celle-ci, de la simple écoute jusqu'à la lecture d'une partition, le tout en utilisant de nombreuses zones dans notre cerveau.

Voici donc des exemples de zones utilisées selon différentes pratiques de la musique :

Pendant que l'on écoute de la musique, ce sont les structures sous-corticales qui sont utilisées en premières. Les informations vont ensuite se diriger vers le cortex auditif.

Lorsque l'on écoute une musique qui nous est familière, l'hippocampe s'active. (c'est une partie du cerveau localisée dans le lobe temporal, dans chaque hémisphère. C’est l’un un des centres de la mémoire.)

Lorsque l'on suit le rythme d'une musique, c'est le cervelet qui agit. Cette structure est impliquée, entre autre, dans la mesure du temps et l'élaboration du mouvement.

Lorque l'on joue de la musique, le lobe frontal est impliqué ainsi que le cortex moteur. Ce dernier gère le mouvement, le lobe frontal est chargé de la planification.

Lorsque l'on lit une partition, c'est le cortex visuel qui s'anime, comme pour lire un texte.

Les émotions générées par la musique font réagir les zones primitives de notre cerveau : le lobe moyen du cervelet et l'amygdale. Elles sont essentielles au décodage des émotions.

Tout ceci nous montre que la musique est comme une « clef » du cerveau, et que ces deux derniers sont étroitement liés !

Illustration de l'oreille

Images de sythèse du marteau, de l'enclume et de l'étrier

Etrier et fenêtre ovale Rampe vestibulaire Rampe tympanique

Découpe des rampes

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La vitesse d'un son:

La vitesse d'un son, c'est à dire celle de propagation des ondes sonores, varie en fonction de la densité du milieu, de la température et de la pression.

La vitesse d'un son dans l'air est d'environ 340m/s, notée c = 340m/s.

Celle d'un son dans l'eau douce est d'environ c = 1430m/s.

Celle d'un son dans l'eau salée est d'environ c = 1550m/s.

Celle d'un son dans l'acier est d'envrion c = 5000m/s.

La vitesse du son dans l'air est plus faible que celle dans l'acier car l'air est un milieu plus comprésible que l'acier. La vitesse du son sera presque 15 fois plus rapide dans l'acier que dans l'air.

On peut aussi notes que plus la température est élevée, plus la vitesse de propagation est importante.

A -10°C dans l'air, un son se déplace à 325m/s. En revanche, à 30°C dans l'air, un son se déplace à 350m/s.

La longueur d'onde :

La longueur d'onde est la plus courte distance séparant deux points de l'onde strictement identiques à un instant donné. Elle s'exprime en mètre. Cette longueur d'onde varie en fonction de la nature et de l'état du milieu de propagation dans lequel le son se propage.

La longueur d'onde lambda (λ) dépend de la période et de la vitesse du milieu de propagation, mais elle dépend aussi de la vitesse de propagation de l'onde et de sa fréquence :

λ = c . T = v / f

On appelle T la période en seconde (s), c la célérité en mètre par seconde (m/s), v la vitesse de propagation en mètre par seconde (m/s) et f la période en Hertz (Hz).

La période et la fréquence :

La période d'une onde sonore correspond à la durée d'une longueur d'onde.

La fréquence d'une onde sonore correspond au nombre de périodes par seconde, soit au nombre d'oscillations par seconde. Ces deux notions sont définies par la relation suivante :

f = 1 / T ou T = 1 / f

Où T la période en seconde et f la fréquence en hertz.

Plus la vitesse est faible, plus les fréquences sont basses. A l'inverse, plus les fréquences sont élevées, plus les fréquences sont hautes.

De plus, plus la fréquence est élevée, plus le son est aigu. D'où, plus la fréquence est faible, plus le son est grave.

Un générateur de basses fréquences (GBF) permet de délivrer le message du signal, qui peut ensuite être observé avec un ocsilloscope.

Un sonormètre permet de mesurer le niveau de pression accoustique.

Les effets de la musique sur l'organisme

Comment la musique agit-elle sur notre organisme ?