Evaluering av en bio-inspirert kodingsstrategi for cochleaimplantatbrukere (EBCS)

Den avanserte kombinasjonskoder-strategien (ACE), en av de mest brukte kliniske taleprosesseringsstrategiene som er tilgjengelige for brukere av cochleaimplantat (CI), forsøker å optimalisere overføring av akustiske inngangssignaler, men tar ikke eksplisitt hensyn til hørselsnervefibrenes (ANF-er) evne til å formidle denne informasjonen. ACE-strategien dekomponerer temporale rammer for det innkommende lydsignalet til frekvensbånd med en bank av båndpass Fast Fourier Transform (FFT)-filtre. De tidsmessige konvoluttene i hvert bånd trekkes deretter ut, og typisk velges åtte til ti bånd med det høyeste energiinnholdet for å amplitudemodulere de bifasiske pulsene. Dette utvalget utføres uavhengig av ANFs respons på den elektriske stimuleringen. Noen studier har imidlertid vist at tidsmessige responsegenskaper til ANF-er pålegger begrensninger for elektrisk stimulering. Bortsett fra det, kan spredningsgraden av nevral eksitasjon, som vanligvis er større enn i det akustiske tilfellet, resultere i responser som kan redusere informasjonen som gis på de enkelte kanalene. Dermed kan en kodestrategi som tar hensyn til tidsmessige egenskaper til ANF-er samt romlig spredning av det elektriske feltet være fordelaktig for CI-brukere.

En av de fremtredende tidsmessige egenskapene til ANF-er som svar på den elektriske stimuleringen er refraktæritet. Dette fenomenet kan defineres som en reduksjon i eksitabiliteten til ANF umiddelbart etter et aksjonspotensial og har blitt observert hos CI-mottakere via måling av det elektrisk fremkalte sammensatte aksjonspotensialet (ECAP). Den refraktære perioden kan deles inn i en absolutt refraktær periode (ARP) hvor hørselsnerven ikke er i stand til å reagere på følgende puls og en relativ refraktær periode (RRP) hvor en respons fra nevronet er mulig under spesifikke omstendigheter. Refractoriness kan pålegge begrensninger på den maksimale stimuleringshastigheten til CI-er siden ANF-er ikke kan svare på en stimulus presentert under ARP.

Bortsett fra refraktæritet, produserer et pågående pulstog med høy hastighet spike rate adaptation (SRA) i ANFer der nevronene gradvis mister evnen til å reagere på hver puls. Denne reduksjonen i nevral eksitabilitet er enda større enn det som kan forklares med refraktæritet. Dyrestudier av ANF-er ved høyhastighets pulstog har vist SRA og tilpasning er også observert i ECAP-amplituden til humane CI-brukere der amplituden avtok etter hvert som stimuleringshastigheten økte. Parallelt med spike rate tilpasning kan overnatting bidra til spike rate dekrement. Akkommodasjon reduserer eksitabiliteten for den andre pulsen (sonde)-responsen når det er en underterskelrespons på den første pulsen (maskeren) og masker-probe-intervallet (MPI) er stort nok til å la membranpotensialet avta tilbake nær eller under hvilepotensialet . Innkvartering i tillegg til SRA betraktes som reduksjon i eksitabiliteten til ANF-er, og effekten akkumuleres over sekvensielle ikke-spikende responser.

Elektrisk stimulering av ANF hos dyr med pulspar har også vist tilrettelegging som er definert som en økning i nerveeksitabilitet forårsaket av subterskelstimulering i korte intervaller. Bortsett fra dyrestudier, har tilretteleggingseffekten også blitt observert hos humane CI-mottakere. Tilrettelegging skjer når nevronet ikke reagerer på den første pulsen, men hvis membranpotensialet forblir nær terskelen lenge nok, kan den andre pulsen produsere en respons. Det ble vist at tilrettelegging er mer tydelig ved lav MPI og for en maskering med en intensitet som er lik eller mindre enn for en sonde. Selv om tilretteleggingseffekten ble observert hos menneskelige CI-brukere, ble systematisk ECAP-måling for å kvantifisere denne effekten ennå ikke utført. Dermed må nevral respons telemetri (NRT) målinger med negativ maskeringsforskyvning og korte MPIer gjøres for å bestemme en ikke-monotonisk oppførsel av tilrettelegging og bekrefte spådommene fra Cohen i modellsimuleringene hans.

Bortsett fra ANFs tidsmessige hensyn, sprer elektrisk strøm seg vidt ut langs sneglehuset og begeistrer et bredt spekter av populasjoner av ANFer, noe som fører til en reduksjon i selektiviteten og antall effektive kanaler. Romlig spredning av det elektriske feltet har således stor innvirkning på spektraloppløsningen til CI-brukere og reduserer eksitabiliteten til den berørte ANF-populasjonen.

I den planlagte studiens refraktoritet vil romlig spredning og tilretteleggingseffekter først bestemmes fra NRT-målinger med CI-deltakere. Deretter er alle de nevnte fenomenene integrert i en bioinspirert kodestrategi for et bedre utvalg av kanaler med høyest energiinnhold. Denne nye strategien vil bli sammenlignet med den konvensjonelle ACE-kodestrategien.