Valutazione di una strategia di codifica bio-ispirata per utenti di impianti cocleari (EBCS)

La strategia dell'encoder combinato avanzato (ACE), una delle strategie di elaborazione del parlato clinico più utilizzate disponibili per gli utenti di impianti cocleari (CI), tenta di ottimizzare la trasmissione dei segnali acustici in ingresso, ma non considera esplicitamente le fibre nervose uditive (ANF) capacità di trasmettere queste informazioni. La strategia ACE scompone i frame temporali del segnale audio in ingresso in bande di frequenza con un banco di filtri FFT (Fast Fourier Transform) passa-banda. Gli inviluppi temporali in ciascuna banda vengono quindi estratti e tipicamente vengono selezionate da otto a dieci bande con il contenuto energetico più elevato per modulare l'ampiezza degli impulsi bifasici. Questa selezione viene eseguita indipendentemente dalle risposte degli ANF alla stimolazione elettrica. Tuttavia, alcuni studi hanno dimostrato che le proprietà di risposta temporale degli ANF impongono limitazioni per la stimolazione elettrica. Oltre a ciò, il grado di diffusione dell'eccitazione neurale, che è tipicamente maggiore rispetto al caso acustico, può provocare risposte che possono diminuire le informazioni fornite sui singoli canali. Pertanto, una strategia di codifica che tenga conto delle proprietà temporali degli ANF e della diffusione spaziale del campo elettrico potrebbe essere vantaggiosa per gli utenti di CI.

Una delle principali caratteristiche temporali degli ANF in risposta alla stimolazione elettrica è la refrattarietà. Questo fenomeno può essere definito come una riduzione dell'eccitabilità degli ANF immediatamente dopo un potenziale d'azione ed è stato osservato nei destinatari di CI attraverso la misurazione del potenziale d'azione composto evocato elettricamente (ECAP). Il periodo refrattario può essere suddiviso in un periodo refrattario assoluto (ARP) durante il quale il nervo uditivo non è in grado di rispondere all'impulso successivo e un periodo refrattario relativo (RRP) durante il quale è possibile una risposta del neurone in circostanze specifiche. La refrattarietà può imporre limitazioni al tasso massimo di stimolazione degli IC poiché gli ANF non possono rispondere a uno stimolo presentato durante l'ARP.

Oltre alla refrattarietà, un treno di impulsi ad alta frequenza in corso produce l'adattamento della frequenza dei picchi (SRA) negli ANF in cui i neuroni perdono progressivamente la capacità di rispondere a ogni impulso. Questo decremento dell'eccitabilità neurale è persino maggiore di quanto possa essere spiegato dalla refrattarietà. Studi sugli animali di ANF a treni di impulsi ad alta frequenza hanno mostrato SRA e l'adattamento è stato osservato anche nell'ampiezza ECAP degli utenti di CI umani in cui l'ampiezza diminuiva all'aumentare del tasso di stimolazione. Parallelamente all'adattamento della frequenza dei picchi, l'accomodazione può contribuire al decremento della frequenza dei picchi. L'accomodazione riduce l'eccitabilità per la risposta del secondo impulso (sonda) quando c'è una risposta sottosoglia al primo impulso (mascheratore) e l'intervallo maschera-sonda (MPI) è sufficientemente ampio da consentire al potenziale di membrana di decadere vicino o al di sotto del potenziale di riposo . La sistemazione in aggiunta all'SRA è considerata una riduzione dell'eccitabilità degli ANF e il suo effetto si accumula su risposte sequenziali senza picchi.

Anche la stimolazione elettrica degli ANF negli animali con coppie di impulsi ha mostrato una facilitazione definita come un aumento dell'eccitabilità nervosa causato dalla stimolazione sotto soglia a brevi intervalli. Oltre agli studi sugli animali, l'effetto di facilitazione è stato osservato anche nei destinatari di IC umani. La facilitazione si verifica quando il neurone non risponde al primo impulso, ma se il potenziale di membrana rimane vicino alla soglia abbastanza a lungo, il secondo impulso può produrre una risposta. È stato dimostrato che la facilitazione è più evidente a un MPI basso e per un mascheratore con un'intensità uguale o inferiore a quella di una sonda. Sebbene l'effetto di facilitazione sia stato osservato negli utilizzatori umani di IC, la misurazione sistematica dell'ECAP per quantificare questo effetto non è stata ancora eseguita. Pertanto, le misurazioni della telemetria della risposta neurale (NRT) con offset del mascheratore negativo e MPI brevi devono essere eseguite per determinare un comportamento di facilitazione non monotono e confermare le previsioni di Cohen nelle sue simulazioni del modello.

A parte le considerazioni temporali degli ANF, la corrente elettrica si diffonde ampiamente lungo la coclea ed eccita un'ampia gamma di popolazioni di ANF, il che porta a una diminuzione della selettività e del numero di canali efficaci. Pertanto, la diffusione spaziale del campo elettrico ha un impatto importante sulla risoluzione spettrale degli utenti CI e diminuisce l'eccitabilità della popolazione ANF interessata.

Nello studio pianificato la refrattarietà, la diffusione spaziale e gli effetti di facilitazione saranno prima determinati dalle misurazioni NRT con i partecipanti CI. Quindi, tutti i suddetti fenomeni sono integrati in una strategia di codifica bio-ispirata per una migliore selezione dei canali con il più alto contenuto energetico. Questa nuova strategia verrà confrontata con la strategia di codifica ACE convenzionale.