[论文解读] 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 7

一句话总结

本论文提出了 Verhulst 等人听觉外周模型的修订版本（v1.2），在耳蜗核和下丘阶段修正了抑制动力学。通过改进滤波器设计与重新校准，新模型实现了对人类听觉脑干反应（ABR）振幅（波 I、III、V）更精确的匹配，提升了生理真实性，同时未改变核心信号处理阶段。

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.

研究动机与目标

• 通过将模型重新校准以匹配正常人类 ABR 波振幅，提升 Verhulst 等人听觉外周模型的生理准确性。
• 修正下丘（IC）阶段一个关键的实现错误，该错误曾因时间常数缩放错误导致过度兴奋。
• 更新耳蜗核（CN）和 IC 阶段的滤波器设计，以更好地与抑制/兴奋强度的神经生理学数据对齐。
• 为使用该模型进行听力研究和听觉信号处理的研究人员提供一个经过验证的参考仿真框架。
• 确保与旧版本的向后兼容性，并清晰区分 v1.1 与 v1.2 版本，以支持可重复性与模型比较。

提出的方法

• 使用正常人类 ABR 数据（波 I、III、V）对模型进行重新校准，以匹配峰值等效声压级（peSPL）。
• 修正 IC 阶段的错误：此前错误地使用 $1/\tau_{\text{exc}}^4$ 和 $1/\tau_{\text{inh}}^4$ 作为缩放因子，而非 $1/\tau_{\text{exc}}^2$ 和 $1/\tau_{\text{inh}}^2$，从而恢复兴奋与抑制之间的正确平衡。
• 在 v1.2 中采用基于公式 (LABEL:eq:coeffv12) 的更新低通滤波器系数，与 v1.1 的公式 (LABEL:eq:coeffv11) 不同，以提升时间响应保真度。
• 使用 13-3-3 纤维模型（13 个 HSR，3 个 MSR，3 个 LSR）作为耳蜗核的听神经输入，保留原始生物物理结构。
• 通过所有模型阶段仿真标准听觉刺激（如点击声、纯音），比较 v1.1 与 v1.2 版本的输出结果。
• 将模型输出与人类 ABR 波形进行验证，重点关注波 I、III、V 的振幅与潜伏期。

实验结果

研究问题

• RQ1 IC 阶段修正后的抑制机制与原始 v1.1 模型相比，对模拟 ABR 波振幅有何影响？
• RQ2 CN 和 IC 阶段更新的滤波器设计在多大程度上改善了模拟 ABR 响应与人类 ABR 响应的匹配度？
• RQ3 在修正 IC 实现错误后，需要何种重新校准程序以保持人类相似的 ABR 波-V 振幅？
• RQ4 对于标准听觉刺激（如点击声和调幅纯音），v1.2 模型的时间域响应与 v1.1 模型相比如何？
• RQ5 更新后的模型是否更准确地反映了已知的 CN 和 IC 中抑制与兴奋的神经生理学数据，特别是 Nelson 等人（2004）的研究？

主要发现

• v1.2 模型修正了 IC 阶段一个关键错误，该错误曾因 $1/\tau^4$ 缩放错误导致兴奋占主导。
• 在修复 IC 缩放错误后，必须重新校准 M5 增益因子（A W-V）以维持人类相似的 ABR 波-V 振幅。
• 更新后的 v1.2 模型在 CN 和 IC 中更准确地再现了生理抑制/兴奋比例，与 Nelson 等人（2004）的数据更加一致。
• 时域仿真显示，尽管 v1.1 与 v1.2 的 ABR 波形整体相似，但 v1.2 版本产生的波振幅更具生理合理性。
• v1.2 模型保持了核心阶段（外耳/中耳、耳蜗滤波器组、IHC、AN）不变，确保与先前模型应用的一致性。
• 更新后的校准程序使得在不同刺激条件下更可靠、可重复地模拟人类听觉诱发电位成为可能。