为什么简单同步双侧耳蜗不足以改善声源定位

人工耳蜗（CIs）为中重度感音神经性听力损失患者提供了最有效的临床干预措施。对许多患者来说，双侧CI（BICIs）比单侧CI有许多好处（Van Hoesel, 2004；Litovsky, 2004；Peters, 2010），包括在嘈杂环境中声源定位和言语理解的改善（Dunn, 2010；van Hoesel 和 Tyler, 2003；Litovsky, 2006；Litovsky, 2009；Loizou, 2009）。尽管有这些文献记载的进步，BICI使用者的表现通常比NH听者在完成相同任务时更差（Dunn, 2010；Kerber 和 Seeber, 2013；Loizou, 2009）。NH和BiCI听者空间听觉能力的差异部分可以解释为双耳线索感知能力的不同。

NH听者能够在水平面上定位声源，其组合有:（1）低频声音（<1500 Hz）的精细结构耳间时间差（ITD_FS），（2）高频声音（>1500 Hz）振幅调制中的包络耳间时间差（ITD_ENV），以及（3）高频声音（>1500 Hz）上的头影效应引起的耳间强度差（ILD） （Blauert, 1997；Macpherson 和 Middlebrooks, 2002；Middlebrooks 和 Green, 1991；Wightman 和 Kistler, 1989）。

当ILDs和ITDs都可用时，如宽频刺激，NH听者给予低频ITDs比ILDs更大的权重，包络ITDs的贡献很小（Macpherson和Middlebrooks, 2002）。BICI用户从他们的日常处理器接收ILD和ITD，尽管CI处理策略可能会破坏这些线索的传递（Gray, 2021）。双侧人工耳蜗（BICI）听者不能完全获得正常听力听者在空间听觉任务（如声源定位）中使用的双耳线索。当使用不同步的日常处理器时，BICI听者对声音包络中的耳间强度差（ILDs）表现出敏感性，但耳间时间差（ITDs）的可用性不太可靠。

1、双侧耳蜗很大程度上依赖耳间强度差进行定位，往往不能利用时域线索

CI信号处理通常丢弃所有时域信息，除了特定频带的幅度调制，只向听者提供声音的包络ITDs和ILDs（Loizou, 2006；Wilson 和 Dorman, 2008；Wouters, 2015）。此外，临床处理器通常不会测量双耳线索敏感性，因为BICI听者使用两个不协调的处理器，无法可靠地同步，并且对双耳线索的敏感性可能受到信号处理策略的影响（Eklöf 和 Tideholm, 2018； Gray , 2021； Kan , 2018）。

如图2，与NH听者相比，BiCI表现出更大的表现范围，最佳阈值接近NH听者，最差阈值超过自然ITDs范围（约800 ms）。BiCI听者的ITDs灵敏度差异很大，主要取决于脉冲速率、时间调制速率、单电极刺激时的包络形状、刺激水平、电极间距以及多电极刺激时的单耳跨电极时间等参数。通过使用临床处理器和研究处理器对各种任务进行测量，可以明显看出对ILD的敏感性（Anderson ,2019； Grantham , 2008； van Hoesel 和 Tyler, 2003； Seeber 和 Fastl, 2008； Thakkar , 2020）。ILDs与ITDs线索相结合，有利于消除ITDs线索周期判断的混淆，有利于解决ILD线索非单调递增的情况（Jones, 2014；Kelvasa和Dietz, 2015）。

2、双侧耳蜗设备同步和编码处理策略的优化缺一不可

考虑到ITDs对NH听者声源定位的重要性，许多研究都集中在开发和验证新处理策略上，希望为BICI听者编码或增强ITDs线索（Churchill , 2014； van Hoesel 和 Tyler, 2003； Hu , 2018； Monaghan 和 Seeber, 2016； Srinivasan , 2018； Thakkar , 2018）。大多数这些策略很难用临床上可用的硬件和软件来实现，因为它们需要精确控制耳间采样、处理和刺激。因此，德克萨斯州大学稳健语音系统中心（Center for Robust Speech Systems，CRSS）人工耳蜗处理实验室（Cochlear Implant Processing Laboratory，CILab）研发了一款便携式双侧耳蜗同步平台——CCi-MOBILE（见本期第2节），用一个处理器控制双侧耳蜗植入体的采样和刺激。如图3所示，如果其他条件都相同，两个麦克风接收的相同信号将产生相同的刺激输出。

国外威斯康星大学麦迪逊分校双耳听觉和言语实验室（Binaural Hearing and Speech Lab）Litovsky教授团队对比了常规独立ACE策略下的临床处理器和同步CCi-MOBILE处理器的自由场声源定位和空间掩蔽释放，发现双侧设备简单同步，并不足以改善BiCI使用者的空间听觉表现（图4），认为设备同步和双侧信号处理策略的优化缺一不可（Gajecki 和 Nogueira，2020），后者可能包括但不限于通过改变包络形状来增强包络ITDs线索（Monaghan和Seeber 2016； Dieudonné 等2020）、控制脉冲速率来增强精细结构ITDs线索、提供低频ITDs线索（Thakkar 等 2018； Williges等 2018）、调谐耳间增益以提高ILD线索的保真度（Archer-Boyd 和Carlyon 2019；Potts等2019）、减少耳蜗电极各个通道的相互影响。该团队的最新研究表明， BiCI使用者基于ACE策略仍无法利用包络ITD线索对偏侧化程度进行区分（Dennison, 2023）。

国内华南理工大学N3听觉实验室孟庆林教授和周华莉博士则基于CCi-MOBILE平台，提出增加包络调制的时域限制编码（temporal-limits-encoder，TLE）策略，并验证了新的TLE策略可改善双侧耳蜗使用者的双耳获益和音高感知能力（Kan 和 Meng, 2021；Zhou 2022）。

3、电刺激和听者因素共同限制了双侧耳蜗使用者耳间时间差线索感知

耳间时间差（ITDs）为声源定位和在有干扰声音的环境中理解语音提供了重要的线索。大多数双侧CI听者在基于ITDs的空间听觉任务中表现不如NH听者，与电刺激的特性和听者本身的因素都有关。

（1）电刺激特性限制ITDs线索编码

人工耳蜗的电刺激在许多方面与健康耳蜗的声刺激不同。与声刺激相比，低刺激率（500~800 Hz）下电刺激的AN反应表现出更强的锁相性，这反映在纤维内和纤维间放电的时间精度和每个刺激周期放电率更高（Hartmann等，1984；Van den Honert 和Stypulkowski, 1987）。虽然随着刺激速率的增加，神经反应仍然保持在高速率（Dynes和Delgutte, 1992），但神经的不应期特性阻止了纤维在每个周期的所有点都放电。

同步性改变、过高的放电率和不应期的结合导致了不自然的反应，例如，对1000 pps脉冲序列的反应，每个脉冲引起的响应强弱不一（Wilson等，1997）。这些AN响应特性直观上并不不利于电刺激中ITD的准确编码。事实上，在急性耳聋和双侧植入的猫的大多数神经元中，发现电听觉中，ITD调谐仅限于窄动态范围和低脉冲率（<100 pps）时与声学刺激相当（Smith和Delgutte, 2007）。在双耳敏感的内侧上橄榄（MSO）神经元的计算模型中，与声听觉相比，电刺激下的ITD调谐预计仅在较小的参数范围内有效（Colburn等，2009）。虽然在声听觉中，耳蜗的滤波特性似乎支持了MSO细胞特性与AN输入模式之间的匹配，但电刺激通常具有的强制同步性和高放电率使双耳细胞容易受到饱和效应的影响，从而导致低ITDs灵敏度。

在声听觉中，最有效的ITDs线索是通过低频的时间精细结构信息提供的，这些信息主要投射到MSO。在电听觉中，即使使用最尖端的CI电极，低频通路通常也没有得到充分刺激（Stakhovskaya等，2007），因此，MSO对ITDs的精确处理可能没有得到充分利用。空间调谐在电听觉中比在声学听觉中差得多。即使采用双极刺激模式，耳蜗内电场的分布也很大（Nelson等, 2008）。因此，在单个电极上的电刺激在相对较宽的拓扑范围内刺激神经元。然而，考虑到多电极刺激的实际情况，电刺激的扩散会导致相邻电极之间的通道相互作用，限制了ITDs线索的利用。

（2）听者因素限制ITDs线索感知

存活的神经节细胞数量是影响听觉信息编码的重要因素。令人惊讶的是，在电听觉中，这个因素似乎不能很好地预测安静情况下的言语感知（Blamey, 1997；Khan 等, 2005）。一个原因可能是神经元之间的高度同步放电，导致高度冗余。这可能会给神经元间的池化（pooling）留下很小的改进空间。然而，对于嘈杂环境中聆听而言，特别是对于竞争掩蔽声干扰了部分ITDs线索感知，大量神经元之间的池化可能会增加接收完整双耳信号细胞的比例。

位置匹配影响ITDs的灵敏度。在两耳中产生相同位置音高的耳间对可以提高更高的ITDs敏感性（Van Hoesel, 2004；Kan 等， 2013；Long等，2003；Poon 等, 2009；Wilson 等, 2003）。平均而言，超过约3mm的不匹配会导致ITDs灵敏度的显着降低（Kan等，2013；Poon 等, 2009）。在早期人工耳蜗植入中，寻找音高匹配的电极对是一个挑战，因为在较短的时间内，通过行为测听以判断幼儿的音高并不容易。

双侧人工耳蜗使用者在双耳植入前通常会经历长时间的双侧听觉剥夺。与急性耳聋猫相比，先天性耳聋猫的神经元ITD表现有相当大的退化（Hancock等， 2010；Tillein 等, 2010），提示耳聋的发病时间是ITDs敏感性的关键因素。事实上，早发性耳聋的人类BiCI听者似乎对ITD不敏感（Litovsky等，2010）。图5显示了低速率无调制脉冲序列（100 pps）的ITD_FS阈值与双耳重度听力损失发病年龄的关系。鉴于无法获得低龄儿童的听力学指标，我们推测儿童听觉发育关键期缺乏残余听力是导致ITDs敏感性较低的原因。

总而言之，改善双侧耳蜗使用者的真实环境下的聆听体验，不仅需要双侧设备同步，还需要优化目前的人工耳蜗编码策略。如果以增强声源定位能力为目标，BiCI听者可能需要ITDs和ILDs线索相结合的解决方案。如果以增强噪声中言语识别为目标，可能需要提供更多的ITDs线索，因为前者比ILDs对BICI听者而言，更有助于空间掩蔽释放（Ihlefeld和Litovsky, 2012；Todd , 2019）。可能没有单一的最佳双耳线索组合来恢复空间听觉，相反，不同的目标可能需要不同的解决方案。下一步可以更多的利用类似CCi-MOBILE研究平台，基于双耳同步刺激的基础上，研究各种空间听觉任务的不同ITDs解决方案。

附：CCi-MOBILE 耳蜗研究平台介绍

参考文献

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[2] Dennison S R, Thakkar T, Kan A, et al. Lateralization of binaural envelope cues measured with a mobile cochlear-implant research processora)[J]. J Acoust Soc Am, 2023, 153 (6): 3543-3558.

[3] Kan A, Meng Q. The Temporal Limits Encoder as a Sound Coding Strategy for Bilateral Cochlear Implants[J]. IEEE/ACM Trans Audio Speech Lang Process, 2021, 29: 265-273.

[4] Laback B, Egger K, Majdak P. Perception and coding of interaural time differences with bilateral cochlear implants[J]. Hear Res, 2015, 322: 138-150.

[5] Zhou H, Kan A, Yu G, et al. Pitch Perception With the Temporal Limits Encoder for Cochlear Implants[J]. IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng, 2022, 30: 2528-2539.

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