《Hearing Research》：Pulse-rate effects on single- and multi-channel envelope processing and consonant identification in cochlear implant users
编辑推荐：
•在125脉冲/秒（pps）时，辅音辨识和25赫兹幅度调制（AM）检测均显著降低。•在临床相关的脉冲率（250至2000 pps）范围内，辅音辨识表现基本保持稳定。•脉冲率效应在听障植入用户和辅音特征之间存在差异，支持个体化的人工耳蜗编程。•25赫兹幅度调制检测与辅音辨识表现
- •
在125脉冲/秒（pps）时，辅音辨识和25赫兹幅度调制（AM）检测均显著降低。
- •
在临床相关的脉冲率（250至2000 pps）范围内，辅音辨识表现基本保持稳定。
- •
脉冲率效应在听障植入用户和辅音特征之间存在差异，支持个体化的人工耳蜗编程。
- •
25赫兹幅度调制检测与辅音辨识表现之间无显著关联。
- •
单通道辅音辨识与多通道结果呈显著相关，突出了电极内时间编码的作用。
引言
人工耳蜗（CI）通过电刺激耳蜗内的听觉神经元来恢复听觉。人工耳蜗设备使用声音编码策略将环境声音转化为通过耳蜗内电极传递的电脉冲。这些策略主要编码各频率带上的幅度包络，因为包络传达了对言语识别至关重要的时间线索。典型的人工耳蜗策略使用恒定速率载波脉冲来表示幅度包络，通常牺牲了精细的时间细节。
使用人工耳蜗的言语感知表现可能受到声音编码策略中言语包络线索编码次优，以及听者在感知这些线索时个体特定的听觉处理限制的影响。载波刺激脉冲的频率在决定获取时间包络信息方面起着关键作用。低脉冲率会降低可表示的包络调制范围和包络采样的精度，而较高脉冲率在原则上允许更准确、更精确地呈现时间调制。尽管存在这些理论预期，但研究脉冲率对言语感知影响的研究结果不一致。一些研究表明中等至高脉冲率具有优势（Kiefer等，2001；Loizou等，2000；Nie等，2006；Verschuur，2005），而另一些研究则报告在不同脉冲率间无可辨优势（Berg等，2023；Friesen等，2005；Plant等，2007；Shannon等，2011），或在较低脉冲率时具有优势（Brochier等，2017；Vandali等，2000）。此外，一些研究发现了个体最优脉冲率，且在人工耳蜗用户之间因缺乏一致模式而有所变化（Plant等，2007；Shader等，2020；Weber等，2007）。这些差异证明了言语时间包络传输的复杂性，并表明使用人工耳蜗对包络的最优编码可能取决于个体听觉特征。
本研究旨在系统性地调查脉冲率对言语识别和时间包络处理的复杂影响。具体而言，我们提出低脉冲率和高脉冲率均会损害对时间包络调制的心智物理敏感性。在低脉冲率下，由于时间保真度降低，包络处理可能会恶化。此外，低刺激脉冲率所对应的时间音高可能与包络调制所关联的音高在感知上发生混淆，使得包络调制更难区分。在高脉冲率下，动物生理学研究表明皮质对幅度调制（AM）的相位锁定减弱（Middlebrooks，2008），人体心智物理研究表明随着脉冲率增加，AM检测和幅度增量辨别能力下降（Galvin, Fu，2005；Galvin, Fu，2009），这些都支持了对包络调制敏感性降低的观点。然而，高脉冲率下幅度敏感性的心理物理学下降可能部分源于随着电流幅度增加响度增长变缓，并不一定表明影响言语识别的时间包络处理缺陷（Galvin, Fu，2009）。一项先前的研究采用了一种新颖的心理物理学方法，将脉冲率对响度增长的影响与其对幅度增量敏感性的影响区分开来，并证明较高脉冲率可能通过降低辨别响度差异的能力来损害对幅度增量的感知敏感性（Azadpour等，2018）。较高脉冲率下响度辨别能力的降低减少了可听范围内的可辨别强度步进数，这可能反过来损害声学包络和言语线索的感知。
为了考虑脉冲率对电响度增长的影响，本研究使用通过人工耳蜗处理策略呈现的声学刺激来检测幅度调制和辅音辨识，这些策略主要通过声学-电学映射来补偿电响度增长的差异。选择辅音辨识是因为它严重依赖于时间调制线索，并且可以通过正确率百分比和声学特征信息传递率来分析（Miller, Nicely，1955）。声学刺激使用标准临床多通道ACE（高级组合编码器）策略和单通道程序进行处理。单通道程序通过使用单个活动电极传递整体信号包络来消除跨通道频谱表示的影响（Azadpour, McKay，2014；Azadpour, Smith，2016）。测试了从125到4000脉冲/秒（pps）的广泛ACE通道率范围，并为每个脉冲率单独确定电学阈值和舒适水平。对于幅度调制检测，使用了25赫兹的调制频率，以确保在所有载波脉冲率下都能充分表示调制。即使在最低的125 pps脉冲率下，这也相当于每个调制周期有五个采样点，超过了先前报告的准确表示幅度调制的最低标准——每个周期四个采样点（Fraser, McKay，2012；McKay等，1994）。该调制频率也与言语感知相关，因为关键的言语包络线索集中在低频调制区域（Fu, Shannon，2000；Shannon等，1995；Sinha, Azadpour，2024；Xu等，2005）。特别是，辅音辨识随着包络低通截止频率增加至约20赫兹时迅速改善，而在更高截止频率时改善幅度显著较小，这在人工耳蜗用户（Fu, Shannon，2000）和通过声码器模拟聆听的正常听力听者中均如此（Xu等，2005）。
本研究在几个重要方面拓展了先前的脉冲率效应研究。首先，将辅音辨识与幅度调制检测同时评估，以评估调制处理限制如何影响不同脉冲率下的言语包络感知。在较高脉冲率下，预期言语包络能被更准确地表示，因此任何言语感知的下降更可能反映幅度调制处理的限制。在较低载波脉冲率下，高频包络线索表示的降低也可能影响言语识别，尤其是对浊音相关线索的影响。然而，如上所述，许多重要的言语包络线索集中在较低的调制频率（通常在20赫兹以下），因此受本研究中使用的最低载波频率影响较小。因此，比较脉冲率对幅度调制检测和辅音辨识的影响有助于区分物理包络表示与感知调制敏感性对言语识别表现的各自贡献。本研究的另一个关键方面是同时使用临床多通道和单通道程序。单通道程序隔离了电极内的包络表示，提供了一种在没有跨通道频谱影响下评估时间包络处理的方法。单通道和多通道策略表现之间的相关性被用于评估通道内时间处理对临床多通道刺激所得结果的贡献。
各节摘要
受试者
本研究纳入十名使用Cochlear Nucleus设备的后语言期致聋成人人工耳蜗用户，设备配有过膜电极阵列。参与者的基本信息、植入类型及其临床处理器中的ACE通道率见表I。所有参与者在测试时均已使用人工耳蜗至少一年。双耳人工耳蜗使用者以其较好耳进行测试。参与者招募和测试已获机构审查委员会（IRB）批准，且已获得知情
阈值水平与舒适水平
随着刺激率的增加，阈值水平（T）和舒适水平（C）均降低，这与先前报告一致（Kreft等，2004；Zhou等，2012）。图1显示了10名受试者在阵列中不同电极和五种脉冲率（125、250、500、1000和2000 pps）下测得的平均T和C水平（以临床等级单位CL表示）。误差线代表标准误。
跨受试者和电极的平均T水平随着脉冲率的增加呈现系统性降低33CL（从151降至118CL），脉冲率
脉冲率和电极位置对T和C水平的影响
电极阵列上的平均T和C水平随着脉冲率的增加而降低，其中T水平的降低幅度更大且更具系统性，相比C水平更为显著，这与先前报告一致（Kreft等，2004；Zhou等，2012）。脉冲率对T水平的显著影响可能归因于在较低电流幅度下脉冲间的促进效应（Boulet等，2016；Middlebrooks，2004）。随着脉冲率增加，T水平降幅大于C水平
资金来源
本研究由美国国家卫生研究院（NIH）国家聋病与其他通信障碍研究所（NIDCD）资助，资助编号为R01 DC016839（首席研究员Svirsky、Hansen、Litovsky）
生成式人工智能及人工智能辅助技术在论文撰写过程中的声明
在本文撰写过程中，作者使用ChatGPT改善了文章的可读性和清晰度。作者对输出内容进行了审阅和编辑，并根据需要作出修改，对已发表文章的内容承担全部责任。
CRediT作者贡献声明
Mahan Azadpour：撰写——初稿、监督、软件、项目管理、方法论、正式分析、概念构思。Jonathan Neukam：数据整理。Nicole Capach：数据整理。Mario Svirsky：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思。
Mahan Azadpour|Jonathan Neukam|Nicole Capach|Mario Svirsky
