¿Por qué es necesario tanto la codificación tonotópica como de estructura fina temporal?

En la primera parte de esta serie sobre calidad del sonido del implante coclear, analizamos guías de electrodos. Específicamente, observamos cómo las guías de electrodos largas son necesarias para la correspondencia entre tono y lugar en las frecuencias de medias a bajas. Si una guía no llega a la segunda espira de la cóclea, no puede proporcionar codificación tonotópica natural para las frecuencias más bajas.

Sin embargo, más allá de la primera espira, la correspondencia entre tono y lugar es solo el primer paso. Ahora veremos la segunda mitad de la ecuación: la tasa de codificación de correspondencia con la frecuencia del sonido en la región apical.

Observemos por qué es necesaria una estrategia de codificación del sonido que proporcione tanto codificación tonotópica (lugar) como temporal (frecuencia) para alcanzar la percepción de tonos más precisa posible.

Codificación de frecuencia natural

Con la audición natural, una disposición más compleja entra en juego en la segunda espira de la cóclea. Además de la codificación tonotópica, aparece una forma de codificación de frecuencia. Aquí, en la región apical, las células ciliadas pueden disparar señales nerviosas en sincronía con la frecuencia de las señales sonoras.^1,2

Para las frecuencias de medias a bajas, cada ciclo de una onda de sonido abre y cierra la respuesta de una célula ciliada, como prender y apagar un interruptor. La frecuencia del sonido se mide en ciclos por segundo (Hz), con lo cual, en teoría, una onda de sonido de 110 Hz dispara 110 potenciales de acción compuestos a la fibra del nervio auditivo. Un tono de 263 Hz dispararía 263 potenciales de acción compuestos por segundo, un tono de 440 Hz dispararía 440 potenciales de acción compuestos, y así sucesivamente. Este bloqueo de fase sincroniza los potenciales de acción con la onda de sonido entrante.²

Esta codificación de frecuencia uno a uno permite el ajuste preciso de la frecuencia natural que probablemente no sería posible solo con la codificación de lugar. Generalmente se la llama codificación temporal, ya que puede proporcionar la codificación de tiempo precisa del sonido. Se cree que la codificación temporal tiene un papel importante en la comprensión del habla con ruido, la percepción de tonos, la apreciación musical y la localización del sonido.^1,2

A aproximadamente 1000 Hz, la tasa de disparo de fibras nerviosas individuales se satura cada vez más y la codificación tonotópica se hace dominante. Es por eso que tanto la codificación tonotópica y la temporal son esenciales en la audición natural.^1,2

Se puede observar la codificación temporal con fase bloqueada en el nervio auditivo hasta los 1000 Hz, cuando la tasa de disparo neural individual se satura. Aproximación visual del bloqueo de fase; la imagen solo tiene un propósito ilustrativo, basado en Pickles, et al. (2013).

Codificación de frecuencia en implantes cocleares

Si una guía larga puede proporcionar correspondencia entre tono y lugar en la segunda espira de la cóclea, ¿por qué es importante la codificación de frecuencia para los usuarios de implantes cocleares?

La codificación de frecuencia en la segunda espira de la cóclea es esencial para conseguir una percepción más natural de las frecuencias de medias a bajas. Si el implante utiliza una tasa fija de impulsos rápidos (p. ej. 1.500 pulsos por segundo), la percepción de tonos se puede distorsionar en los electrodos en la región apical. Una frecuencia de pulsos demasiado alta causará que la percepción de tonos se desplace hacia arriba. ^3,4,5

Imagine reproducir un disco en un tocadiscos. A la velocidad correcta, la música suena natural. Pero si se acelera el tocadiscos, todo empieza a sonar en tonos más altos. Por eso, para obtener una percepción precisa de frecuencias bajas, un implante necesita imitar la codificación de frecuencia natural en la segunda espira de la cóclea. Esto significa bajar la velocidad de la frecuencia de pulsos para que se corresponda con la frecuencia del sonido.^3,4,5,6

Observemos experimentos recientes de correspondencia de tonos con destinatarios que tenían una audición relativamente normal en su oído no implantado, o incluso audición residual en su oído implantado. Estos estudios revelaron que pulsos con correspondencia de frecuencia en electrodos con correspondencia de lugar pueden ofrecer percepción de tonos precisa hasta aproximadamente 100 Hz, por ejemplo, 100 pps para una señal de 100 Hz en un electrodo apical, en la segunda espira.^3,4,6,7

Estas frecuencias bajas son esenciales para obtener un sonido rico, completo y resonante; sin las frecuencias bajas, la calidad del sonido puede ser “robótica”, “metálica”, “con eco” o “mecánica”.⁸

No obstante, la codificación de frecuencia no es efectiva en la primera espira de la cóclea; una frecuencia de pulsos baja en una guía corta no puede disminuir el tono con eficacia lo suficiente, y puede producir una calidad de sonido desagradable o molesta.^3,5,6 Por esta razón, si la guía de electrodos no alcanza la región apical, no puede imitar la codificación de frecuencia natural. Esto significa que no se pueden mapear los tonos bajos a medios de acuerdo con la función de Greenwood. Sin acceso a la codificación precisa tonotópica o de frecuencia, las guías cortas no pueden alcanzar la percepción natural de las frecuencias más bajas.^3,4,7,9,10

Calidad de sonido más natural

Solo hay una forma de conseguir una percepción de tonos más natural en toda la cóclea: combinando guías de electrodos largas con estimulación con correspondencia de frecuencia precisa.^4,5,6,7

¿Qué beneficios pueden ofrecer a sus pacientes las guías largas y la codificación de frecuencia con correspondencia de tonos?

• Comprensión del habla significativamente mejor en un plazo reducido ^11,12
• Percepción de tonos más natural ^3,4,9
• Hasta 250 bandas espectrales/canales virtuales
• “Voces mucho más claras y resonantes” y “Sonido más profundo, resonante y natural”⁸
• Mejor apreciación de la música y percepción más natural de la música^13,14,15
• Percepción del habla considerablemente mejor en silencio y con ruido ¹⁶

Y finalmente, “Una recuperación sin igual de la percepción de tonos tonotópicos”—Rader et al. (2016)⁴

¿Tiene alguna pregunta sobre guías largas y codificación del sonido con correspondencia de frecuencia? ¡Deje un comentario a continuación!

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Referencias:

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.