[論文レビュー] Calibration and reference simulations for the auditory periphery model of Verhulst et al. 2018 version 1.2

Alejandro Osses, Sarah Verhulst|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2019

Hearing Loss and Rehabilitation参考文献 11被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、Verhulstらの聴覚周辺モデルの改訂版（v1.2）を提示する。このモデルでは、コッホレア核および内側縫線体の抑制ダイナミクスに是正を加えた。改訂モデルは、より良いフィルタ設計と再キャリブレーションにより、人間の聴覚脳幹反応（ABR）の振幅（波I、III、V）により正確に一致するようになり、コア信号処理段階を変更せずに生理的整合性を向上させた。

ABSTRACT

This document describes a comprehensive procedure of how the biophysical model published by Verhulst et al. (2018) can be calibrated on the basis of reference auditory brainstem responses. Additionally, the filter design used in two of the model stages, cochlear nucleus (CN) and inferior colliculus (IC), is described in detail. These descriptions are valid for a new release of the Verhulst et al. model, version 1.2, as well as for previous versions of the model (version 1.1 or earlier). The differences between the model versions are explicitly mentioned and simulations to basic auditory stimuli are shown for model versions 1.1 and 1.2. In short, version 1.2 of the model includes a new implementation of the CN and IC stages (Stages 5 and 6). All previous model stages (Stages 1-4: outer and middle ear, transmission-line cochlear filter bank, inner hair cell model, and auditory nerve model) remained unchanged. In the new release (model version 1.2), in addition to the updated CN and IC stages, we employed a different calibration procedure to match human reference ABR amplitudes of waves I, III, and V more faithfully. This release note shows the implications of these model adjustments on the simulations presented in the original 2018 model paper. For this purpose, results from two model versions are reported: (1) New model release (version 1.2), labelled as model v1.2; and (2) Previous model release as used by Verhulst et al., labelled as model v1.1. The main difference between IC model stages relates to the degree of IC inhibition that was applied, with more inhibition in v1.2 than implemented in v1.1. The time domain simulations presented in this document show that this change in inhibition strength does not drastically change the results presented in the original paper. However, v1.2 more correctly captures the physiologically derived CN and IC inhibition/excitation strengths.

研究の動機と目的

• normative human ABR波の振幅（波I、III、V）に一致するように、Verhulstらの聴覚周辺モデルを再キャリブレーションすることで、生理的正確性を向上させること。
• 従来、時間定数のスケーリングが誤っており、過剰な興奮を引き起こしていた内側縫線体（IC）段階における深刻な実装バグを是正すること。
• コッホレア核（CN）およびIC段階におけるフィルタ設計を更新し、抑制／興奮の強度に関する神経生理学的データとよりよく一致させる。
• 聴覚研究および聴覚信号処理においてモデルを使用する研究者に対して、検証済みの基準シミュレーションフレームワークを提供すること。
• 再現可能性およびモデル比較を可能にするために、v1.1とv1.2のモデルバージョンの間で後方互換性を保ちつつ明確な区別をすること。

提案手法

• 波I、III、Vのピーク等価音圧レベル（peSPL）に一致するように、normative human ABRデータを用いてモデルを再キャリブレーションする。
• IC段階に存在していたバグを是正し、従来は$1/\tau_{\text{exc}}^4$および$1/\tau_{\text{inh}}^4$がスケーリング要因として使われていたが、正しくは$1/\tau_{\text{exc}}^2$および$1/\tau_{\text{inh}}^2$であるべきであった。これにより、興奮と抑制のバランスが回復された。
• v1.2ではEq. (LABEL:eq:coeffv12) を用いて低域透過フィルタ係数を更新し、v1.1のEq. (LABEL:eq:coeffv11) とは異なる設計を採用することで、時間的応答の忠実性を向上させた。
• コッホレア核への聴神経入力として、13-3-3線維モデル（13 HSR、3 MSR、3 LSR）を用い、元の生物物理学的構造を保持した。
• クリックやトーンなどの標準的な聴覚刺激を全モデル段階でシミュレートし、v1.1とv1.2バージョンの出力を比較した。
• 人間のABR波形と比較して、波I、III、Vの振幅および遅延を重視して、モデル出力の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IC段階における是正された抑制メカニズムが、元のv1.1モデルと比較してシミュレートされたABR波の振幅にどのように影響を与えるか？
• RQ2 CNおよびIC段階における更新されたフィルタ設計が、シミュレートされたABR応答と人間のABR応答との一致度をどの程度向上させるか？
• RQ3 IC実装バグを是正した後、人間らしいABR波-V振幅を維持するために必要な再キャリブレーション手順は何か？
• RQ4 クリックや振幅変調トーンなどの標準的な聴覚刺激に対するv1.2モデルの時間領域応答は、v1.1モデルとどのように異なるか？
• RQ5 更新されたモデルは、Nelsonら（2004）の報告に示されたように、CNおよびICにおける抑制と興奮の既知の神経生理学的データをよりよく反映しているか？

主な発見

• v1.2モデルは、IC段階に存在していた深刻なバグを是正した。このバグにより、元々$1/\tau^4$のスケーリングが誤って使われており、結果として興奮が抑制を上回る応答が生じていた。
• ICのスケーリング誤りを是正した後、人間らしいABR波-V振幅を維持するため、M5ゲイン係数（A W-V）を再キャリブレーションする必要があった。
• 更新されたv1.2モデルは、CNおよびICにおける生理的抑制／興奮比をより正確に再現しており、Nelsonら（2004）のデータとよりよく一致している。
• 時間領域シミュレーションでは、v1.1とv1.2のABR波形全体は類似しているが、v1.2バージョンはより生理的妥当性のある波形の振幅を生成している。
• v1.2モデルは、外耳／中耳、コッホレアフィルターバンク、IHC、ANといったコア段階を変更せず、従来のモデル応用と一貫性を保っている。
• 更新されたキャリブレーション手順により、さまざまな刺激条件下で人間の聴覚誘発電位をより信頼性高く再現可能なシミュレーションが可能になった。