Evaluierung einer bioinspirierten Codierungsstrategie für Cochlea-Implantat-Träger (EBCS)

Die Advanced Combination Encoder (ACE)-Strategie, eine der am weitesten verbreiteten klinischen Sprachverarbeitungsstrategien für Cochlea-Implantat (CI)-Benutzer, versucht, die Übertragung akustischer Eingangssignale zu optimieren, berücksichtigt jedoch nicht explizit die Hörnervenfasern (ANFs) Fähigkeit, diese Informationen zu übermitteln. Die ACE-Strategie zerlegt Zeitrahmen des eingehenden Tonsignals in Frequenzbänder mit einer Bank von Bandpassfiltern für schnelle Fourier-Transformation (FFT). Die zeitlichen Hüllkurven in jedem Band werden dann extrahiert und typischerweise werden acht bis zehn Bänder mit dem höchsten Energiegehalt ausgewählt, um die zweiphasigen Impulse amplitudenmodulieren. Diese Auswahl wird unabhängig von den Reaktionen der ANFs auf die elektrische Stimulation durchgeführt. Einige Studien haben jedoch gezeigt, dass die zeitlichen Reaktionseigenschaften von ANFs Einschränkungen für die elektrische Stimulation auferlegen. Abgesehen davon kann der Streuungsgrad der neuronalen Erregung, der typischerweise größer ist als im akustischen Fall, zu Antworten führen, die die auf den einzelnen Kanälen bereitgestellte Information verringern können. Daher könnte eine Codierungsstrategie, die zeitliche Eigenschaften von ANFs sowie die räumliche Ausbreitung des elektrischen Felds berücksichtigt, für CI-Benutzer von Vorteil sein.

Eine der herausragenden zeitlichen Eigenschaften von ANFs als Reaktion auf die elektrische Stimulation ist die Refraktärität. Dieses Phänomen kann als Verringerung der Erregbarkeit von ANFs unmittelbar nach einem Aktionspotential definiert werden und wurde bei CI-Trägern durch Messung des elektrisch evozierten zusammengesetzten Aktionspotentials (ECAP) beobachtet. Die Refraktärzeit kann unterteilt werden in eine absolute Refraktärzeit (ARP), während der der Hörnerv nicht in der Lage ist, auf den folgenden Impuls zu reagieren, und eine relative Refraktärzeit (RRP), während der eine Reaktion des Neurons unter bestimmten Umständen möglich ist. Refraktärität kann die maximale Stimulationsrate von CIs einschränken, da ANFs nicht auf einen während der ARP dargebotenen Stimulus reagieren können.

Abgesehen von der Refraktärität erzeugt eine anhaltende Pulsfolge mit hoher Frequenz eine Spike-Rate-Adaption (SRA) in ANFs, bei der die Neuronen zunehmend ihre Fähigkeit verlieren, auf jeden Puls zu reagieren. Diese Abnahme der neuralen Erregbarkeit ist sogar noch größer, als durch Refraktärität erklärt werden kann. Tierstudien mit ANFs bei Impulsfolgen mit hoher Frequenz haben SRA gezeigt, und eine Anpassung wurde auch bei der ECAP-Amplitude von menschlichen CI-Trägern beobachtet, bei denen die Amplitude mit zunehmender Stimulationsfrequenz abnahm. Parallel zur Spike-Rate-Anpassung kann die Akkommodation zur Spike-Rate-Abnahme beitragen. Die Akkommodation reduziert die Erregbarkeit für die Reaktion des zweiten Impulses (Sonde), wenn eine unterschwellige Reaktion auf den ersten Impuls (Masker) vorliegt und das Masker-Sonde-Intervall (MPI) groß genug ist, um zu ermöglichen, dass das Membranpotential in die Nähe oder unter das Ruhepotential zurückfällt . Akkommodation zusätzlich zu SRA wird als Verringerung der Erregbarkeit von ANFs angesehen und ihre Wirkung akkumuliert sich über aufeinanderfolgende nicht-spikierende Reaktionen.

Die elektrische Stimulation von ANFs bei Tieren mit Impulspaaren hat ebenfalls eine Fazilitation gezeigt, die als eine Erhöhung der Nervenerregbarkeit definiert ist, die durch eine unterschwellige Stimulation in kurzen Intervallen verursacht wird. Neben tierexperimentellen Studien wurde der Erleichterungseffekt auch bei menschlichen CI-Trägern beobachtet. Fazilitation tritt auf, wenn das Neuron nicht auf den ersten Impuls reagiert, aber wenn das Membranpotential lange genug nahe der Schwelle bleibt, kann der zweite Impuls eine Reaktion hervorrufen. Es wurde gezeigt, dass die Erleichterung bei einem niedrigen MPI und für einen Maskierer mit einer Intensität, die gleich oder geringer als die einer Sonde ist, offensichtlicher ist. Obwohl der Erleichterungseffekt bei menschlichen CI-Trägern beobachtet wurde, wurden noch keine systematischen ECAP-Messungen zur Quantifizierung dieses Effekts durchgeführt. Daher müssen Neural Response Telemetry (NRT)-Messungen mit negativem Masker-Offset und kurzen MPIs durchgeführt werden, um ein nicht-monotones Verhalten der Facilitation zu bestimmen und die Vorhersagen von Cohen in seinen Modellsimulationen zu bestätigen.

Abgesehen von den zeitlichen Erwägungen von ANF breitet sich elektrischer Strom weit entlang der Cochlea aus und erregt eine Vielzahl von ANF-Populationen, was zu einer Abnahme der Selektivität und der Anzahl effektiver Kanäle führt. Daher hat die räumliche Ausbreitung des elektrischen Felds einen großen Einfluss auf die spektrale Auflösung von CI-Trägern und verringert die Erregbarkeit der betroffenen ANF-Population.

In der geplanten Studie werden Refraktärität, räumliche Ausbreitung und Facilitationseffekte zunächst aus NRT-Messungen bei CI-Teilnehmern bestimmt. Anschließend werden alle oben genannten Phänomene in eine bioinspirierte Codierungsstrategie für eine bessere Auswahl von Kanälen mit dem höchsten Energiegehalt integriert. Diese neue Strategie wird mit der herkömmlichen ACE-Codierungsstrategie verglichen.