Neurophysiological evidence of cortical reorganisation and impaired musical sound perception in cochlear-implant users

Hearing can be restored in individuals suffering from severe and profound hearing loss by means of a cochlear implant (CI). This sophisticated bionic device aims at mimicking the natural input i nto the human auditory system . However, the human brain has to learn to use the coarse, artificial input provided by a CI , thereby showing a remarkable amount of plasticity. The primary aim of the present empirical work is to better understand this adaptat ion process in CI users, in particular regarding musical input. The two studies reported in this thesis evaluated electrophysiological correlates of musical sound perception in CI users. However, i n CI users electrophysiological measures are challenging b ecause any acoustic stimulation in implantees generates an electrical artefact that inevitably corrupts the signal of the Ele ctroencephalogram ( EEG) . Here we used independent component analysis (ICA) to reduce CI related artefacts in event related EEGs, wh ich allowed the detailed spatio temporal evaluation of auditory evoked poten tials (AEPs) in CI users . In the first experiment an active oddball paradigm was used which required the participants to discriminate between different musical sounds. This study f ocused on hemispheric asymmetry during musical sound processing in CI users (n = 12) and matched normal hearing (NH) controls (n = 12) in order to better understand functional changes after cochlear implantation in the auditory cortex contra and ipsilater al to the implanted device. In the second experiment , musical sound discrimination ability was systematically examined in CI users (n = 12) and NH listeners (n = 12) by behavioural discrimination tasks and mismatch negativity (MMN) recordings. Auditory dis crimination profiles were obtained by using a set of clarinet sounds varying along different acoustic dimensions (frequency / intensity / duration) and deviation magnitudes (four levels). On the methodic level, the results from the two studies demonstrate that CI related artefacts in EEGs of CI users can be successfully reduced by means of ICA . We show that successful artefact reduction allows for evaluating neurophysiological mechanisms of restored auditory function in CI users . On the functional level, t he results revealed smaller N1/MMN amplitudes and altered hemispheric asymmetries in CI users compared to NH listeners, indicating that CI users show experience related changes in the auditory cortex contra and ipsilateral to the CI device. Furthermore, t he second study revealed reduced musical sound discrimination ability in different acoustic dimensions in CI users when compared to NH listeners. These results agree with previous findings of poor music perception with CI and thereby emphasize that degrade d acoustic signals of CIs do not provide sufficient information for satisfactory music and tone perception. On the other hand, the results from the two studies suggest that in addition to limitations in the implant signal, music processing with CI may be i nfluenced by demographic factors as well, such as duration of profound deafness and CI auditory experience. W e conclude that a multi dimensional approach including technical improvements as well as the development of individual behavioural training protoco ls seems to be necessary to achieve the long term goal of qualitatively improved music perception with CIs. Bei Personen mit schwerem und vollständigem Hörverlust kann die Hörfähigkeit durch ein Cochlea Implantat (CI) wiederhergestellt wer den. Diese s hochentwickelte bio technische Gerät ha t das Ziel den natürlichen Input in das menschliche auditorische System zu imitieren. Das menschliche Gehirn muss jedoch die Bedeutung des imitierten und daher vergleichsweise undifferenzierten Inputs des C Is erlernen, was ein bemerkenswertes Ausmass an Plastizität erfordert. Das primäre Ziel der vo r liegenden Arbeit ist diesen Adaptations Prozess bei CI Trägern besser zu verstehen, insbesondere bei musikalischem Input. Die zwei Studien dieser Arbeit untersu chten die elektrophysiologischen Korrelate von musikalischer Klang Wahrnehmung mit einem CI. Bei CI Trägern sind elektrophysiologische Messungen stark eingeschränkt, weil jede akustische Stimulation bei Implantat Trägern ein elektrisches Artefakt im Elektr oencephalogramm (EEG) erzeugt. Deshalb haben wir in den zwei Studien die Independent Component Analysis (ICA) angewandt um CI generierte Artefakte in evozierten Potentialen von CI Trägern zu reduzieren, was auch bei CI Trägern eine detaillierte räumlich ze itliche Analyse von auditorisch evozierten Potentialen (AEPs) ermöglichte. Im ersten Experiment wurde eine aktive Oddball Aufgabe gestellt, bei welcher die Versuchspersonen verschiedene musikalische Klänge unterscheiden mussten. Diese Studie fokussierte au f die Hemisphären Asymmetrie während der musikalischen Klang Verarbeitung bei CI Trägern (n = 12) und normalhörenden Kontrollpersonen (n = 12), um die CI induzierten funktionellen Veränderungen im auditorischen Kortex kontra und ipsilateral zum implantier ten Gerät besser zu verstehen. Im zweiten Experiment wurde die Fähigkeit zur Ton Diskrimination bei CI Trägern (n = 12) und Normalhörenden (n =12) systematisch mit Verhaltenstests und Messungen der Mismatch Negativity (MMN) untersucht. Dabei wurden Klarine tten Töne präsentiert, welche sich in verschiedenen akustischen Dimensionen (Frequenz / Intensität / Dauer) und im Ausmass der Abweichung (4 Stufen) unterschieden. Auf der methodischen Ebene zeigen die Studien, dass die neurophysiologischen Mechanismen v on wiederhergestellten auditorischen Funktionen bei CI Trägern mit ICA erfolgreich untersucht werden können, indem ICA tatsächlich die CI Artefakte im EEG von CI Trägern reduziert. Auf der funktionellen Ebene zeigen die Ergebnisse kleinere N1/MMN Amplitude n und veränderte Hemisphären Asymmetrien bei CI Trägern im Vergleich zu Normalhörenden, was auf erfahrungsbezogene Veränderungen im auditorischen Kortex von CI Trägern kontra und ipsilateral zum implantierten Gerät hindeutet. Die zweite Studie weist ausse rdem reduzierte Leistungen der Ton Diskriminationsfähigkeit in verschiedenen akustischen Dimensionen bei CI Trägern im Vergleich zu Normalhörenden aus. Diese Ergebnisse stimmen mit früheren Erkenntnissen, wonach mit CI bloss eine verminderte Musik Wahrnehm ung gegeben ist, überein, das heisst, die reduzierte Komplexität des CI Signals lässt keine zufriedenstellende Ton und Musik Wahrnehmung zu. Andererseits zeigen die Resultate der beiden Studien, dass neben dem limitieren CI Signal auch demographische Fakt oren wie z.B. die Dauer der Taubheit oder die CI Tragzeit einen Einfluss auf die Musik Verarbeitung bei CI Trägern haben können. Daraus folgern wir, dass das langfristige Ziel einer qualitativ verbesserten Musik Wahrnehmung mit CI nur durch einen multi dim ensionalen Ansatz zu erreichen ist, welcher neben technischen Verbesserungen auch die Entwicklung von individuellen Verhaltens Trainings einbezieht. Posted at the Zurich Open Repository and Archive, University of Zurich ZORA URL: https://doi.org/10.5167/uzh-163885 Dissertation Published Version Originally published at: Sandmann, Pascale. Neurophysiological evidence of cortical reorganisation and impaired musical sound perception in cochlear-implant users. 2009, University of Zurich, Faculty of Science.