Tonotope Kodierung und zeitliche Ratenkodierung: beides ist wichtig

Geht es um die Klangqualität mit Cochlea-Implantaten, so ist schnell von den Elektrodenträgern die Rede. Zweifellos spielen diese als Bindeglied zwischen Implantat und Cochlea eine zentrale Rolle. Schließlich sind nur lange Elektroden in der Lage, auch in den mittleren bis tiefen Frequenzen eine Übereinstimmung von Tonhöhe und Stimulationsort zu erzielen. Damit der Klangeindruck dem natürlichen Hören möglichst nahe kommt, muss der Elektrodenträger auch die zweite Cochlea-Windung erreichen. Andernfalls ist eine natürliche tonotopische Kodierung für die niederen Frequenzen nicht möglich.

Im Bereich jenseits der ersten Cochlea-Windung braucht es aber mehr als nur einen langen und optimal positionierten Elektrodenträger. Erst in Kombination mit einer frequenzabhängigen Ratenkodierung können die Elektroden in der apikalen Cochlea-Region ihr volles Potenzial ausspielen.

Das führt uns zur Kodierungsstrategie des Implantats. Um für den CI-Nutzer eine möglichst korrekte und naturgetreue Tonhöhenwahrnehmung zu erreichen, muss die Kodierungsstrategie zwei Komponenten in sich vereinen: tonotopische (örtliche) Kodierung und zeitliche (Raten-) Kodierung.

Natürliche Ratenkodierung

Beim natürlichen Hören sind die Abläufe in der zweiten Cochlea-Windung noch komplexer als in der ersten. Klänge werden hier nicht nur tonotopisch, sondern zusätzlich auch zeitlich aufgeschlüsselt. Hier, in der apikalen Region der Cochlea, sind die Haarzellen in der Lage, Nervensignale anzustoßen, die der Frequenz der Klangsignale entsprechen.^1,2

In den mittleren und tiefen Frequenzen triggert jede Schwingung einer Schallwelle eine Reaktion der Haarzelle und beendet diese auch wieder. Klangfrequenz wird in Schwingungen pro Sekunde (Hz) gemessen. Eine 110 Hz Schallwelle stößt also 110 zusammenhängende Aktionspotenziale pro Sekunde in den Fasern des Hörnervs an. Ein Ton mit einer Frequenz von 263 Hz löst eine Kette von 263 Aktionspotenzialen aus, ein 440 Hz Ton triggert 440 Aktionspotenziale usw. Die Phasenverriegelung bringt die Aktionspotenziale in Übereinstimmung mit den Schallwellen.²

Diese Ratenkodierung im Verhältnis 1:1 ermöglicht eine präzise natürliche Frequenzanpassung, die mit der örtlichen Kodierung allein höchstwahrscheinlich nicht zu erzielen wäre. Häufig wird in diesem Zusammenhang auch von ‚zeitlicher Kodierung‘ gesprochen. Es wird davon ausgegangen, dass sie einen wichtigen Einfluss auf Sprachverstehen in Umgebungslärm, Tonhöhenerkennung, Musikwahrnehmung und die Lokalisierung von Klängen hat.^1,2

Bei ca. 1.000 Hz erreicht die Feuerungsrate der einzelnen Nervenfasern ihr Maximum und wird zunehmend durch die tonotopische Kodierung ersetzt. Zusammengefasst zeigt sich also, dass für das natürliche Hören beide Kodierungen – sowohl die tonotopische als auch die zeitliche – notwendig sind.

Phasenstarre zeitliche Kodierung im Hörnerv zeigt sich bis ca. 1.000 Hz. An diesem Punkt erreicht die individuelle neuronale Feuerungsrate ihr Maximum. Versuch einer grafischen Darstellung der Phasenverriegelung; dient lediglich zur Illustrierung des Prozesses; nach Pickles et al. (2013).

Ratenkodierung bei Cochlea-Implantaten

Wenn eine lange Elektrode eine Übereinstimmung zwischen Stimulationsort und Tonhöhe in der zweiten Cochlea-Windung erreicht, warum braucht es dann überhaupt noch Ratenkodierung?

Eine präzise, den Schallwellen entsprechende Ratenkodierung in der zweiten Windung lässt CI-Nutzer mittlere bis tiefe Frequenzen natürlicher wahrnehmen. Erzeugt das Implantat durchwegs eine konstante und hohe Pulsrate (z.B. 1.500 Pulse pro Sekunde), kann das in der apikalen Cochlea-Region die Tonhöhenwahrnehmung beeinträchtigen. Eine solche fixe Pulsrate, die keine Rücksicht auf die natürliche Rate der Schwingungen nimmt und im Vergleich mit dieser viel zu hoch ist, führt dazu, dass Töne höher wahrgenommen werden, als sie tatsächlich sind. ^3,4,5

Sie können sich das Ganze wie bei einem DJ-Pult oder einer Stereoanlage vorstellen. Wird die Musik mit normaler Geschwindigkeit abgespielt, klingt sie natürlich. Erhöht man die Geschwindigkeit eines Songs, wird er nicht nur schneller, sondern klingt auch höher. Für eine akkurate Tonhöhenwahrnehmung insbesondere niederer Frequenzen muss ein Implantat also fähig sein, die zeitliche Kodierung von Schallschwingungen in der zweiten Cochlea-Windung möglichst gut nachzuahmen. Mit anderen Worten: Das CI muss die Pulsrate verlangsamen, bis sie mit der Schwingungsrate der entsprechenden Frequenz übereinstimmt. ^3,4,5,6

Werfen wir an dieser Stelle einen Blick auf ein paar kürzlich durchgeführte Tests, an denen unilaterale CI-Nutzer teilgenommen haben, die auf der nicht implantierten Seite verhältnismäßig normal hören konnten oder sogar auf der implantierten Seite über ein Resthörvermögen verfügten. Diese Studien kamen zu einem bemerkenswerten Resultat: Eine korrekte Wahrnehmung der Tonhöhe lässt sich mit einem CI bis in einen Frequenzbereich von ca. 100 Hz erreichen, wenn sowohl die zeitliche als auch die räumliche Kodierung mit der jeweiligen Frequenz übereinstimmen. Als Beispiel: Die für die Wahrnehmung einer Tonhöhe von 100 Hz zuständige Region in der zweiten Cochlea-Windung wird mit exakt 100 Pulsen pro Sekunde stimuliert.^3,4,6,7

Diese niederen Frequenzen sind notwendig für einen satten, vollen, resonierenden Klang. Ohne sie erscheint der Klang „roboterhaft“, „blechern“, „hallig“ oder „mechanisch“.⁸

Für die höheren Frequenzen in der ersten Cochlea-Windung ist diese Ratenkodierung gemäß den Schallschwingungen jedoch keine geeignete Lösung. Bei einer kurzen Elektrode reicht eine niedere Pulsrate nicht aus, um die Tonhöhe effizient zu reduzieren, sondern führt eher zu einer unbefriedigenden und störenden Klangqualität.^3,5,6 Daraus lässt sich erkennen, dass ein Elektrodenträger die natürliche Klangkodierung nur nachahmen kann, wenn er bis in die apikale Region bzw. in die zweite Windung der Cochlea reicht. Mittlere bis tiefe Frequenzen können also nicht der natürlichen Frequenzverteilung (Greenwood-Funktion) entsprechend stimuliert werden. Ohne präzise tonotopische Kodierung oder Ratenkodierung liegt eine naturgetreue Wahrnehmung niederer Frequenzen außerhalb der Reichweite kurzer Elektrodenträger.^3,4,7,9,10

Natürlichere Klangqualität

Es gibt nur einen Weg, eine möglichst natürliche Tonhöhenwahrnehmung über die gesamte Cochlea und damit alle Frequenzen hinweg zu erlangen: lange, weit in die Cochlea reichende Elektroden und eine präzise Stimulation, die mit der natürlichen Schwingungsrate der zu stimulierenden Frequenzen übereinstimmt.^4,5,6,7

Welche Vorteile liefert die Kombination aus langen Elektrodenträgern und einer tonhöhenspezifischen Ratenkodierung nun Ihren Patienten?

• Deutlich besseres Sprachverstehen binnen kurzer Zeit^11,12
• Natürlichere Tonhöhenwahrnehmung^3,4,9
• Bis zu 250 Spektralbänder/virtuelle Kanäle
• „Stimmen klingen klarer und voller“, der Klang wirkt „satter, voller und natürlicher“⁸
• Höherer Musikgenuss und eine natürlichere Wahrnehmung von Musik ^13,14,15
• Besseres Sprachverstehen in Stille und Lärm ¹⁶

Und nicht zuletzt eine „einzigartige Wiederherstellung der tonotopischen Tonhöhenwahrnehmung“ – Rader et al. (2016)^4.

Sie möchten gerne noch mehr zu unseren langen Elektrodenträgern und ratenspezifischer Klangkodierung erfahren? Nutzen Sie die Kommentarfunktion unten, falls Sie Anmerkungen oder Fragen haben.

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Referenzen:

1. Moon, I.J., & Hong, S.H. (2014). What is temporal fine structure and why is it important? Korean J Audiol., 18(1), 1–7.
2. Pickles, J.O. (2013). An introduction to the physiology of hearing. 4th ed. Leiden, Netherlands: Koninklifke Brill NV.
3. Schatzer, R., Vermeire, K., Visser, D., Krenmayr, A., Kals, M., Voormolen, M., Van de Heyning, P., & Zierhofer, C. (2014) Electric-acoustic pitch comparisons in single-sided-deaf cochlear implant users: frequency-place functions and rate pitch. Hear Res., 309, 26–35.
4. Rader, T., Döge, J., Adel, Y., Weissgerber, T., & Baumann, U. (2016). Place dependent stimulation rates improve pitch perception in cochlear implantees with single-sided deafness. Hear Res., 339, 94–103.
5. Landsberger, D.M., Vermeire, K., Claes, A., Van Rompaey, V., & Van de Heyning, P. (2016). Qualities of single electrode stimulation as a function of rate and place of stimulation with a cochlear implant. Ear Hear., 37(3), 149–159.
6. Prentiss, S., Staecker, H., & Wolford, B. (2014). Ipsilateral acoustic electric pitch matching: a case study of cochlear implantation in an up-sloping hearing loss with preserved hearing across multiple frequencies. Cochlear Implants Int., 15(3), 161–165.
7. Landsberger, D.M., Svrakic, M., Roland, J.T. Jr., & Svirsky, M. (2015). The relationship between insertion angles, default frequency allocations, and spiral ganglion place pitch in cochlear implants. Ear Hear., 36(5), 207–213.
8. Harris, R.L., Gibson, W.P. Johnson, M., Brew, J., Bray, M., & Psarros, C. (2011) Intra-individual assessment of speech and music perception in cochlear implant users with contralateral Cochlear and MED-EL systems. Acta Otolaryngol., 131(12), 1270–1278.
9. Vermeire, K., Landsberger, D.M., Van de Heyning, P., Voormolen, M., Kleine Punte, A., Schatzer, R., & Zierhofer, C.(2015) Frequency-place map for electrical stimulation in cochlear implants: Change over time. Hear Res., 326, 8–14.
10. McDermott, H., Sucher, C., & Simpson, A. (2009) Electro-acoustic stimulation. Acoustic and electric pitch comparisons. Audiol Neurootol., 14(1), 2–7.
11. Buchman, C.A, Dillon, M.T., King, E.R., Adunka, M.C., Adunka, O.F., & Pillsbury, H.C. (2014). Influence of cochlear implant insertion depth on performance: a prospective randomized trial. Otol Neurotol., 35(10), 1773–1779.
12. Helbig, S., Helbig, M., Leinung, M., Stöver, T., Baumann, U., & Rader, T. (2015). Hearing preservation and improved speech perception with a flexible 28-mm electrode. Otol Neurotol. 2015 Jan;36(1):34-42.
13. Müller, J., Brill, S., Hagen, R., Moeltner, A., Brockmeier, S.J., Stark, T., Helbig, S., Maurer, J., Zahnert, T., Zierhofer, C., Nopp, P., & Anderson, I. (2012). Clinical trial results with the MED-EL fine structure processing coding strategy in experienced cochlear implant users. ORL J Otorhinolaryngol Relat Spec., 74(4), 185–198.
14. Roy, A.T., Carver, C., Jiradejvong, P., & Limb, C.J (2015). Musical sound quality in cochlear implant users: A comparison in bass frequency perception between Fine Structure Processing and High-Definition Continuous Interleaved Sampling Strategies. Ear Hear., 36(5), 582–590.
15. Roy, A.T., Penninger, R.T., Pearl, M.S., Wuerfel, W., Jiradejvong, P., Carver, C., Buechner, A., & Limb, C.J. (2016). Deeper cochlear implant electrode insertion angle improves detection of musical sound quality deterioration related to bass frequency removal. Otol Neurotol., 37(2), 146–151
16. Kleine Punte, A., De Bodt, M., Van de Heyning, P. (2014). Long-term improvement of speech perception with the Fine Structure Processing coding strategy in cochlear implants. ORL, 76, 36–43.