Late auditory evoked potentials in cochlear implant listeners during the first days of hearing rehabilitation [Elektronische Ressource] = (Auditorische Hirnrindenpotentiale bei Cochlear-Implantat-Patienten während der Erstanpassung des Sprachprozessors) / vorgelegt von Galina Danilkina

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Aus der Hals-Nasen-Ohren-Klinik der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg Direktor: Prof. Dr. med. Heinrich Iro Late auditory evoked potentials in Cochlear Implant Listeners during the first days of hearing rehabilitation (Auditorische Hirnrindenpotentiale bei Cochlear Implantat Patienten während der Erstanpassung des Sprachprozessors) Inaugural-Dissertation zur Erlangung der Doktorwürde der Medizinischen Fakultät der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg vorgelegt von: Galina Danilkina aus: Moskauer Gebiet, Stadt Koroljew, Russland Gedruckt mit Erlaubnis der Medizinischen Fakultät der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg Dekan: Prof. Dr.med. Dr. h.c. Jürgen Schüttler Referent: Prof. Dr.-Ing. Dr.rer.med. Ulrich Hoppe Korreferent: Prof. Dr. med. Johannes Zenk Tag der mündlichen Prüfung: 7.
Publié le : vendredi 1 janvier 2010
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Aus der Hals-Nasen-Ohren-Klinik
der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg
Direktor: Prof. Dr. med. Heinrich Iro


Late auditory evoked potentials in Cochlear Implant Listeners
during the first days of hearing rehabilitation
(Auditorische Hirnrindenpotentiale bei Cochlear Implantat
Patienten während der Erstanpassung des Sprachprozessors)


Inaugural-Dissertation
zur Erlangung der Doktorwürde
der Medizinischen Fakultät der Friedrich-Alexander Universität
Erlangen-Nürnberg








vorgelegt von: Galina Danilkina
aus: Moskauer Gebiet, Stadt Koroljew,
Russland






Gedruckt mit Erlaubnis der Medizinischen Fakultät der
Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg













Dekan: Prof. Dr.med. Dr. h.c. Jürgen Schüttler

Referent: Prof. Dr.-Ing. Dr.rer.med. Ulrich Hoppe

Korreferent: Prof. Dr. med. Johannes Zenk

Tag der mündlichen Prüfung: 7. Juli 2010
Widmung


Meinem Bruder






















Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis
Seite
Zusammenfassung 1
Abstract 3
1 Introduction 5
1.1. PET in studying of CI listeners 5
1.2. Late auditory evoked potentials in CI listeners 7
1.2.1. P1-N1-P2 Complex in CI patients 9
1.2.2. ACC in studying of CI users 10
2 Materials and Methods 13
2.1. Subjects 13
2.2. General Procedure 15
2.3. Stimuli 15
2.4. Electrophysiology 16
2.5. Analysis Procedure 16
3 Results 18
3.1. Incidence of LAEP components 18
3.2. LAEP morphology 25
3.3. LAEP during the first few days of hearing rehabilitation 27
3.4 Comparison of the P1-N1-P2 complex and the ACC 28
3.5 Comparison of LAEP parameters from different stimulated implant electrode
pairs 34
4 Discussion 40
4.1. Artefacts 40
4.2. Incidence of LAEP components 44
4.2.1. P1-N1-P2 Complex 44
4.2.2. Acoustic Change Complex 46
4.3. LAEP parameters during the “switch-on” period 48
4.4. Comparison of LAEP parameters from different stimulated implant
electrode pairs 51
4.5. Comparison of the P1-N1-P2 complex and the ACC 52

Inhaltsverzeichnis

Seite
5 Conclusion 53
Acknowledgments 54
References 56
Glossar 60
Publications 61
Eidesstattliche Versicherung 63
Danksagung 64
Lebenslauf 65
























Zusammenfassung


Zusammenfassung

Hintergrund und Ziele

Die cortikalen auditorisch evozierten Potentiale (CAEP) eignen sich zur objektiven
Untersuchung des auditorischen Systems. Sie können durch die akustische Stimulation
bei Normalhörigen, Schwerhörigen mit Hörgerät und bei Patienten mit Cochlea Implantat
(CI) hervorgerufen werden. Die CAEP sind ebenfalls geeignet, die kortikale
Reorganisation widerzuspiegeln, die bei einem gezielten Hörtraining oder bei
Wiederherstellung des akustischen Inputs nach der Taubheit auftritt. Ebenso wurde
beschrieben, dass CAEP-Parameter mit dem Sprachverstehen korrelieren. Die
Kenntnisse über die kortikale Signalverarbeitung bei CI Trägern in einem früheren
Stadium der CI Anwendung könnten für die Sprachprozessoranpassung und das
Hörtraining nützlich sein. Da bisher elektroenzephalographische Studien an
implantierten Patienten ohne CI Erfahrung fehlen, waren die Ziele der Studie wie folgt:
1) Untersuchung der Detektierbarkeit der CAEP, nämlich P1N1P2 Komplex (Onset
Komplex) und Acoustic Change Complex (ACC), an den ersten Tagen nach Aktivierung
des CI-Sprachprozessors.
2) Untersuchung des Verlaufs von CAEP-Parametern während der ersten Tagen der CI
Nutzung.
3) Charakterisierung der Änderungen der CAEP Parameter im Lauf der Erstanpassung
des Sprachprozessors.

Methoden

Bei 23 postlingual ertaubten erwachsenen CI Patienten, die mit einem Nucleus Freedom
Cochlear Implant erstimplantiert wurden, wurden im Lauf der ersten fünf Tage während
der Erstanpassung CAEP gemessen. An jedem Tag wurden neben den EEG-
Messungen eine individuelle Anpassung des Sprachprozessors, Sprachtherapie und
Sprachverstehenstests durchgeführt. CAEP wurden täglich durch die direkte elektrische
Stimulation der benachbarten Implantatelektroden durchgeführt: cochleo-basale
1
Elektroden 3 und 4, cochleo-mediale Elektroden 10 und 11 und cochleo-apikale
Elektroden 18 und 19. Die Stimulationsstärke wurde auf Grund der subjektiven
Wahrnehmung der „lauten, aber nicht zu lauten“ Töne festgelegt, die Lautstärke wurde
für beide Elektroden im Paar balanciert.

Ergebnisse

Die CAEP wurden bei allen CI-Trägern registriert, obwohl ein Artefakt durch die
elektrische Stimulation des CI in einigen Ableitungselektroden beobachtet wurde. Die
Detektierbarkeit des Onset Komplexes und des ACC hat sich im Lauf der
Erstanpassung verbessert, war auf dem Elektrodenpaar Nr.18/19 am besten und war für
den Onset Komplex signifikant besser als für den ACC. Die Latenzen der P1, N1, P2
Peaks und N1P2 Interpeak Amplitude der beiden Komplexe verändern sich tendenziell
im Laufe der ersten Tage von der CI Nutzung und sind signifikant von dem
Stimulationselektrodenpaar abhängig. Der ACC und der Onset Komplex unterscheiden
sich signifikant im Laufe der Erstanpassung.

Schlussfolgerung

Die CAEP als Antwort auf direkte elektrische Stimulation der Implantatelektroden kann
schon während der ersten Tage nach CI Aktivierung detektiert werden, obwohl Artefakte
registriert wurden. Diese Artefakte lassen sich durch geeignete Stimulationsmuster
reduzieren. Die Veränderungen der CAEP Parameter im Lauf der Erstanpassung des
Sprachprozessors spiegeln die neuronale Reorganisation des Hörsystems wider, die als
Folge der Wiederherstellung des akustischen Inputs und des aktiven Hörtrainings
erfolgt. Im Laufe der Erstanpassung vergrößert sich die evozierte neuronale Aktivität
des Hörsystems. Die Ergebnisse bestätigen, dass CI Träger zunächst die Detektion
akustischer Reize erlernen und anfangs größere Mühe bei der Diskrimination spektral
unterschiedlicher Stimuli haben. Außerdem ist die Prozessierung der akustischen
Information durch verschiedene Teile der Cochlea und der Hörbänder zum Kortex
unterschiedlich: Sie ist tendenziell schlechter im basalen Teil der Cochlea.



2
Abstract

Abstract

Objectives:

The late auditory evoked potentials (LAEPs) are an objective method for measurement
of the central hearing system activity. It is possible to elicit LAEPs both by acoustic
stimulation in normal hearing subjects, subjects with hearing aids and cochlear implant
(CI) and also by electrical stimulation of cochlear implant electrodes in CI listeners.
LAEPs are able to reflect neuronal reorganisation due to hearing loss, due to restoration
of acoustic input after deafness or due to hearing training. It was found that LAEPs
parameters correlate significantly with speech understanding. The information about the
cortical signal processing through CI in the earlier period of CI usage could be useful for
adequate setting of the speech processor and hearing training of CI patients. As there
still aren’t any electroencephalographic (EEG) studies, which concentrate on the
inexperienced CI users, the objectives of this study were to determinate: 1) whether
LAEPs as P1-N1-P2 complex and acoustic change complex (ACC) can be observed
during the first few days after CI processor switch-on; 2) whether parameters of LAEPs
change during the first few days of hearing rehabilitation.

Design:

23 postlingually deaf adults wearing the Nucleus Freedom Cochlear Implant were tested
during the first 4-5 days of hearing rehabilitation (“switch-on” period), which consisted of
speech processor setting, speech hearing training and speech performance control. The
LAEPs were obtained each day using direct electrical stimulation of neighbouring
implant electrodes: basal electrodes nos.3/4, middle electrodes nos.10/11 and apical
electrodes nos.18/19. The stimulation level based on subjective sensation of “loud, but
not too loud” signals. The stimulation was adjusted until the sensation of both electrodes
was the same.


3
Results:

The LAEPs were observed in all CI users who participated in spite of artefacts, which
were observed in some recording positions. The incidence of both complexes increased
during the “switch-on” period and was better for electrode pair 18/19 and for P1-N1-P2
complex. The latencies of P1, N1 and P2 peak and N1P2 amplitudes in both complexes
tended not change significantly during the first few days of CI usage and were
dependent on the stimulated electrode pair. The P1-N1-P2 and ACC complex differed
significantly during the “switch-on” period.

Conclusion:

The LAEPs as a response to direct electrical stimulation of implant electrodes can
already be reliably recorded to electrical stimulation in CI listeners in the first few days of
CI usage in spite of artefacts. The changes in LAEPs parameters during the “switch-on”
period reflect the neuronal reorganisation of the hearing system as a response to
restoration of acoustic information input and active hearing training. During the “switch-
on” period, the activity of the central hearing system increases in response to
stimulation. In seems possible that during the first few days of the CI usage, CI users
have better ability to detect acoustic stimulation than to discriminate frequency
information of this stimulation. Delivery of acoustic information through the particular
parts of cochlea and hearing pathways to the cortex is not identical: it is better for the
apical part of cochlea and worse for the basal part of cochlea.









4
1. Introduction

According to the fundamental neurophysiological hypothesis, the central neural hearing
system is able to reorganise during the period of acoustic deprivation and after the
restoration of acoustic input. This ability is called brain plasticity, and it is suggested, that
it can reflect the benefit of cochlear implantation (Fallon, 2008; Purdy, 2000; Cone-
Wesson, 2003). A number of papers confirms this by means of neuroimaging methods
(positron emission tomography, PET) [Giraud, 2001; Green, 2008] and
electroencephalography (cortical auditory evoked potentials, LAEPs) [Tremblay, 2001;
Cone-Wesson, 2003].
While the EEG provides better time resolution, PET is more appropriate for displaying
spatial phenomena. There are some studies, which use PET to investigate the activity of
the hearing system in CI users with or without a small experience of CI usage.

1.1. PET in studying of CI listeners

Naito et al. (1995) studied postlingually deaf patients with CI using PET to evaluate the
auditory cortex reaction to verbal (speech) and non-verbal stimulation (noise), which was
presented with CI only and compared with the state of the brain during silence (implant
is switched off). Bilateral activity increase was observed to noise stimulation in the
primary auditory areas and in the immediate auditory association areas and dominated
in the contralateral hemisphere. The activity increase to speech stimulation was
significantly higher than the activity increase to noise in the left immediate auditory
association area. It was similar to normal hearing adults, because this area processes
speech.
Fujiki et al. (1999) studied rCBF (regional cerebral blood flow) on 14 postlingually deaf
CI subjects during speech sound stimulation to estimate the correlation with speech
perception. Significant positive correlation between rCBF and the speech perception
was found in the right and left auditory association areas. The author suggested that the
adult auditory cortices may still have plasticity or the ability to reorganise. The
improvement of the auditory processing of speech in CI users was accompanied by the
recruitment of more neurons in the auditory association areas.
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