[논문 리뷰] Calibration and reference simulations for the auditory periphery model of Verhulst et al. 2018 version 1.2

Alejandro Osses, Sarah Verhulst|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 21.

Hearing Loss and Rehabilitation참고 문헌 11인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 Verhulst 등(2018)의 청각 외부 모델의 개선된 버전(v1.2)을 제시하며, 고막핵 및 하부 쌍대체에서 보완된 억제 동역학을 포함한다. 개선된 필터 설계와 재교정을 통해 인간 청각 뇌 干 반응(ABR)의 진폭(파형 I, III, V)에 더 정확하게 캘리브레이션되며, 핵심 신호 처리 단계를 변경하지 않은 채 생리학적 정확도를 향상시켰다.

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.

연구 동기 및 목표

• 정상 인간 ABR의 파형 진폭(I, III, V)을 일치시키기 위해 Verhulst 등의 청각 외부 모델을 재캘리브레이팅하여 생리학적 정확도를 향상시키기.
• 이전에 잘못된 시간상수 스케일링으로 인해 과도한 자극을 유발했던 하부 쌍대체(IC) 단계의 심각한 구현 버그를 수정하기.
• 고막핵(CN) 및 IC 단계에서 억제/자극 강도에 대한 신경생리학적 데이터와의 일치도를 높이기 위해 필터 설계를 업데이트하기.
• 청각 연구 및 청각 신호 처리 분야에서 모델를 사용하는 연구자들을 위한 검증된 기준 시뮬레이션 프레임워크 제공하기.
• 재현성과 모델 비교를 위해 v1.1과 v1.2 버전 간의 명확한 차이를 유지하고 후행 호환성을 확보하기.

제안 방법

• 파형 I, III, V의 정상 인간 ABR 데이터를 사용하여 피크 등가 음압 수준(peSPL)을 일치시키기 위해 모델 재캘리브레이션.
• 이전에 $1/\tau_{\text{exc}}^4$ 및 $1/\tau_{\text{inh}}^4$를 스케일링 인자로 사용하여 자극과 억제의 균형이 깨졌던 IC 단계의 버그 수정. $1/\tau_{\text{exc}}^2$ 및 $1/\tau_{\text{inh}}^2$로 수정하여 자극과 억제의 적절한 균형 복원.
• v1.2에서 사용된 업데이트된 저통과 필터 계수를 Eq. (LABEL:eq:coeffv12)에 따라 적용. v1.1의 Eq. (LABEL:eq:coeffv11)와 다름. 이로 인해 시간 응답 정밀도 향상.
• 고막핵에 대한 청각 신경 입력으로 13-3-3 섬유 모델(13 HSR, 3 MSR, 3 LSR)을 사용하여 원래의 생물물리적 구조 유지.
• 표준 청각 자극(예: 클릭, 톤)을 모든 모델 단계를 거쳐 v1.1과 v1.2 버전 간 출력 비교.
• 모델 출력을 인간 ABR 파형과 비교하여 파형 I, III, V의 진폭과 잠재시간에 중점을 두고 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IC 단계에서 수정된 억제 메커니즘이 원래 v1.1 모델 대비 시뮬레이션된 ABR 파형 진폭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 CN 및 IC 단계에서 업데이트된 필터 설계가 시뮬레이션된 ABR 반응과 인간 ABR 반응 간의 일치도를 어느 정도 향상시키는가?
• RQ3 IC의 구현 버그를 수정한 후 인간 유사 ABR 파형-V 진폭을 유지하기 위해 필요한 재캘리브레이션 절차는 무엇인가?
• RQ4 클릭 및 진폭 변조 톤과 같은 표준 청각 자극에 대해 v1.2 모델의 시간 도메인 응답이 v1.1 모델과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 업데이트된 모델이 Nelson 등(2004)의 자료에서 알려진 고막핵 및 하부 쌍대체의 억제 및 자극에 대한 신경생리학적 데이터를 더 잘 반영하는가?

주요 결과

• v1.2 모델은 이전에 잘못된 $1/\tau^4$ 스케일링으로 인해 자극이 억제를 압도하는 문제가 발생했던 IC 단계의 심각한 버그를 수정하였다.
• IC 스케일링 오류를 수정한 후, 인간 유사 ABR 파형-V 진폭을 유지하기 위해 M5 보상 인자(A W-V)를 재캘리브레이션해야 했다.
• 업데이트된 v1.2 모델은 고막핵 및 하부 쌍대체에서 생리학적 억제/자극 비율을 더 정확하게 표현하며, Nelson 등(2004)의 데이터와 더 잘 일치한다.
• 시간 도메인 시뮬레이션 결과, v1.1과 v1.2의 전반적인 ABR 파형은 유사하지만, v1.2 버전은 더 생리학적으로 타당한 파형 진폭을 생성한다.
• v1.2 모델은 외이/중이, 고막 필터 베드, IHC, AN 등의 핵심 단계를 그대로 유지하여 이전 모델 적용과의 일관성을 확보한다.
• 업데이트된 캘리브레이션 절차는 다양한 자극 조건에서 인간 청각 유도 반응의 더 신뢰성 있고 재현 가능한 시뮬레이션을 가능하게 한다.