Lokalisation von Schallquellen mit Cochlea Implantaten

Die direkte elektrische Stimulation des Hörnervs durch Cochlea Implantat (CI) Systeme hat sich als äusserst erfolgreicher Ersatz für ein funktionsuntaugliches Innenohr etabliert: sie ermöglicht ertaubten Menschen das Verstehen von Sprache. Derzeitige CI Systeme können jedoch nicht alle Funktionen des normalen Gehörs ersetzen. Während die Lokalisation von Schallquellen in der links/rechts Dimension bei beidohriger CI Stimulation gut funktioniert, ist die Lokalisation in den vorne/hinten und oben/unten Dimensionen (innerhalb der sogenannten Sagittalebenen) wegen unzureichender Übertragung der relevanten Informationen durch derzeitige CI Systeme stark begrenzt. Beim normalen Gehör erfolgt die Lokalisation innerhalb der Sagittalebenen durch Auswertung der durch die Ohrmuschel (Pinna) verursachten spektralen Färbung des eintreffenden Schallsignals bei hohen Frequenzen (Pinna-Cues bzw. spektrale Cues). Derzeitige CI Systeme übertragen diese Pinna-Cues unzureichend aufgrund der Positionierung des Mikrophons hinter der Pinna und der zu schmalen Bandbreite des Signalanalyseteils des Prozessors. Während diese technischen Einschränkungen relativ einfach zu bewältigen sind, ergeben sich grundlegende Fragenstellungen: Wie viele Frequenzkanäle werden minimal benötigt, um die für die Lokalisation innerhalb der Sagittalebenen relevanten Pinna-Cues zu übertragen? Inwieweit können CI Träger Lokalisation in den Sagittalebenen mittels hochfrequenten Pinna-Cues erlernen, die an tonotopen Positionen mit niedrigeren charakteristischen Frequenzen (entsprechend der Lage typischerweise implantierter Elektroden) übertragen werden. In diesem Projekt werden diese Fragen in Experimenten mit CI Trägern und normalhörenden Versuchspersonen untersucht, wobei letztere akustische Simulationen der Wahrnehmung eines CI Trägers zu hören bekommen. Das Ziel des Projektes ist es, CI Trägern die Lokalisation von Schallquellen in den Sagittalebenen zu ermöglichen. Zuerst werden in einer Serie von Experimenten die Effekte verschiedener Parameter, wie die Anzahl und der tonotope Bereich der stimulierenden Elektroden, auf die Übertragung von Pinna Cues und Sprachinformation bestimmt. In der zweiten Projektphase wird die Fähigkeit beider Gruppen von Versuchspersonen untersucht, Lokalisation in den Sagittalebenen mittels Pinna Cues zu erlernen, die frequenzmässig in den tonotopen Bereich der basalen Elektroden von CI Trägern hin verschoben wurden. Die Assoziation auditorischer Stimuli mit räumlichen Positionen wird mittels audio-visueller Stimulusdarbietung erlernt. Praktische Voreile für CI Träger werden vor allem bei der Lokalisation von Schallquellen erwartet, insbesondere bei der vorne/hinten Unterscheidung.

Träger von derzeitigen Cochleaimplantaten (CIs) können bis zu einem gewissen Grad Schallquellen entlang der links/rechts Dimension lokalisieren. Demgegenüber ist die Lokalisation entlang der vertikalen Ebenen (vorne/hinten/oben/unten) wegen unzureichender Übertragung der relevanten Information erschwert. Im akustischen Gehör wird die Lokalisation in den Vertikalebenen durch die an den Ohrmuscheln verursachte spektrale Färbung der eintreffenden Signale ermöglicht. In diesem Projekt wurden grundlegende Fragen zur Möglichkeit der Lokalisation in den Vertikalebenen mit CIs untersucht. Zuerst wurden Methoden zum Erlernen neuer Lokalisationsinformation mittels einer virtuellen audiovisuellen Umgebung entwickelt. Im nächsten Schritt wurde die Fähigkeit von bilateralen CI Trägern zur Lokalisation im 3-D Raum unter Verwendung der klinischen CI Systeme untersucht. Wie erwartet war die Lokalisation in den Vertikalebenen unter realistischen Bedingungen (bei zufälligem Signalpegel) deutlich schlechter als bei Normalhörenden. Anschließend wurde die für die Sprachverständlichkeit mit einem 12-Kanal CI notwendige Spektralkonfiguration untersucht. Ausreichende Sprachverständlichkeit trat mit Frequenzen bis zumindest 3 kHz und acht Kanälen auf, womit vier Kanäle für die Kodierung spektraler Richtungsinformation zur Verfügung stehen. Im nächsten Schritt wurde die Fähigkeit von CI Trägern zur Unterscheidung unterschiedlicher Spektren untersucht - eine Vorraussetzung für die Lokalisation in den Vertikalebenen. Während alle CI Träger prinzipiell sensitiv für spektrale Spitzen und Täler waren, nahm die Sensitivität bei zufälliger breitbandiger Pegelvariation dramatisch ab. Demgegenüber sind Normalhörende auch mit Pegelvariation sensitiv. Da im akustischen Gehör sowohl spektrale als auch zeitliche Signalmerkmale zur Verfügung stehen - letztere wurden im CI-Experiment ausgeschaltet - könnten zeitliche Merkmale eine Rolle spielen. Die nächste Studie untersuchte die Anzahl der für die Lokalisation in den Vertikalebenen notwendigen Frequenzkanäle. Normalhörende zeigten bei akustischer CI-Simulation nach audio-visuellem Training robuste Lokalisation mit nur vier Kanälen innerhalb des relevanten Frequenzbereichs. In der letzten Studie wurde die Adaptationsfähigkeit der auditorischen Systems bezüglich einer Kompression der spektralen Richtungsinformation zu tieferen Frequenzen getestet, entsprechend der reduzierten Obergrenze der elektrischen Stimulation. Fünfzehn Normalhörende absolvierten ein Lokalisations- Trainingsexperiment mit 2-stündigen täglichen Einheiten über den Zeitraum von drei Wochen. Nach anfänglich stark erhöhtem Lokalisationsfehler verbesserte sich die Lokalisationsleistung der Probanden stetig, erreichte aber am selbst am Ende der Trainingsperiode nicht die Ausgangsleistung. Die Kombination der Ergebnisse aus den Teilprojekten zeigt, dass die Lokalisation in den Vertikalebenen bei adäquater Übertragung der spektralen Richtungsinformation für Träger zukünftiger CI Systeme möglich sein könnte. Während unsere Ergebnisse die Möglichkeit zur Anpassung der Richtungsinformation an den im elektrischen Gehör zur Verfügung stehenden Spektralbereich zeigen, liegt eine wichtige zukünftige Herausforderung in der Verbesserung der Fähigkeit der CI-Träger zur Unterscheidung verschiedener Spektren, möglicherweise durch Einbindung zeitlicher Signalinformation.