Behavioral frequency discrimination ability of partially deafened cats using cochlear implants



Yüklə 129,64 Kb.
Pdf görüntüsü
tarix15.03.2018
ölçüsü129,64 Kb.
#32019


Behavioral frequency discrimination ability of partially deafened cats using cochlear implants 

 

Yuri B. Benovitski



1,2

, Peter J. Blamey

1,3,4 

Graeme D. Rathbone



1,2

 and James B. Fallon

1,3,4

  

 



Bionics  Institute, 

Department  of  Electronic  Engineering,  La  Trobe  University, 



3

Department  of  Medical 

Bionics University of Melbourne, and 

4

Department of Otolaryngology, University of Melbourne.  



 

Correspondence concerning this article should be addressed to James B. Fallon, Bionics Institute, 384-388  

Albert St, East Melbourne, VIC – 3002, Australia. Tel.: +61 3 9288 3686; fax: +61 3 9288 2998  

Email: jfallon@bionicsinstitute.org  

 

Abstract 



The  aim  of  this  study  was  to  determine  the  effects  of  cochlear  implant  (CI)  use  on  behavioral  frequency 

discrimination  ability  in  partially  deafened  cats.  We  hypothesized  that  the  additional  information  provided 

by the CI would allow subjects to perform better on a frequency discrimination task. 

Four  cats  with  a  high  frequency  hearing  loss  induced  by  ototoxic  drugs  were  first  trained  on  a  go/no-go, 

positive reinforcement, frequency discrimination task and reached asymptotic performance (measured by d’ 

- detection theory). Reference frequencies (1, 4, and 7 kHz) were systematically rotated (Block design) every 

9  to  11  days  to  cover  the  hearing  range  of  the  cats  while  avoiding  bias  arising  from  the  order  of  testing. 

Animals were then implanted with an intracochlear electrode array connected to a CI and speech processor. 

They then  underwent  6  months  of continuous performance measurement  with  the CI turned on,  except  for 

one month when the stimulator was turned off. 

Overall,  subjects  performed  the  frequency  discrimination  task  significantly  better  with  their  CI  turned  on 

than in the CI-off condition (3-way ANOVA, p<0.001). The analysis showed no dependence on subject (3-

way ANOVA, subject x on-off condition, p>0.5); however, the CI only significantly improved performance 

for two (1 and 7 kHz) of the three reference frequencies. 

In this study we were able to show, for the first time, that cats can  utilize information provided by  a CI in 

performing a behavioral frequency discrimination task. 




Abbreviations:  ICES,  intracochlear  electrical  stimulation;  CI,  cochlear  implant;  EAS,  electric  and  acoustic 

stimulation;  FA, false alarm; CR, correct  rejection;  ∆f/f, ratio between frequency difference  and reference 

frequency; SPL, sound pressure level; d’, d-prime. 

 

Keywords: Partial hearing loss, cochlear implant, behavioral frequency discrimination.   



 


1. Introduction 

Profound sensorineural hearing loss is successfully treated by intracochlear electrical stimulation (ICES) of 

the  auditory  nerve  via  a  cochlear  implant  (CI).  Improvement  in  the  speech  perception  ability  of  cochlear 

implantees over the post-implantation period has been shown in various clinical studies (Blamey et al., 2012, 

Blamey  et  al.,  1996a,  e.g.,  Wilson  and  Dorman,  2008).  Initial  perceptual  quality  and  rate  of  improvement 

over time largely depend on the amount of pre-implantation hearing experience and auditory training. 

As selection criteria for CI recipients have eased, more patients with preserved low frequency hearing have 

received  CIs  (for  review  see  Turner  et  al.,  2008).  Several  clinical  studies  report  improvement  of  overall 

hearing performance of subjects with residual hearing in one ear (possibly with a hearing aid) in addition to 

ICES in the other, sometimes referred to as bimodal hearing (Von Ilberg et al., 2011, Mok et al., 2006, Firszt 

et  al.,  2008,  Ching  et  al.,  2006).  For  example,  Dorman  et  al.  (2007)  showed  an  increase  of  20%  in 

performance of patients  with  CI in  one ear and a hearing aid  in  another on word and sentence recognition 

tasks when electric stimulation was added (EAS). Other studies report very little or no bimodal benefit (Mok 

et al., 2006, Tyler et  al., 2002). The latter findings might be at least partially explained by the finding that 

pitch percepts evoked by ICES can correspond to tones up to 3 octaves lower than those predicted from the 

place of stimulation (Blamey et al., 1996b). The mechanisms that underlie auditory perception in response to 

combined electric and acoustic stimulation (EAS) remain unclear. Although the residual hearing of partially 

deaf subjects  is  usually in the low frequency region, whereas  the CI  usually stimulates the high-frequency 

region,  the  degree  of  overlap  between  the  regions  is  variable  and  significant  overlap  in  this  region  could 

cause electric and acoustic perception interference. 

Frequency  discrimination  ability  is  a  factor  in  determining  how  well  human  subjects  can  recognize  pitch, 

and separate auditory streams, which in turn affects speech recognition ability (Rose and Moore, 2005). To 

study the  effects of  interactions  between  electric  and acoustic stimulation  on frequency discrimination,  we 

developed a novel behavioral task (Benovitski et al., 2014) to test frequency discrimination  in the partially 

deaf  cat  model.  We  have  previously  shown  that  using  this  task,  cats  can  learn  a  frequency  discrimination 

task  and  demonstrate  stable  and  repeatable  performance  (Benovitski  et  al.,  2014).  The  use  of  a  partial 

hearing, chronically stimulated animal  model allows us to determine performance changes on a behavioral 

frequency discrimination task by adding and removing ICES in the same animal.  While other studies have 




used  conditioning  to  provide  animals  with  behaviorally  relevant  auditory  experience  (Kral  et  al.,  2006, 

Klinke  et  al.,  1999),  these  studies  did  not  allow performance  to  be  measured.  Others  have  used  avoidance 

conditioning to train cats to detect stimulation thresholds (Vollmer et al., 2001, Beitel et al., 2000, Vollmer 

and  Beitel,  2011)  and  discriminate  changes  in  modulation  frequency  (Vollmer  et  al.,  2001).  In  those 

experiments  individual  electrodes  were  tested  one  at  a  time  and  subjects  received  only  electric  but  not 

acoustic stimulation. 

The aim of this experiment was to determine whether CI use affects the ability of partially deaf animals to 

perform  a  frequency  discrimination  task.  We  hypothesized  that  additional  information  provided  by  the  CI 

would  allow  partially  deafened  animals  to  perform  better  on  a  frequency  discrimination  task.  To  our 

knowledge, this is the first study to test frequency discrimination in partially hearing animals implanted with 

a CI. 

 

2. Method 



2.1 Subjects 

Four  healthy  cats  with  otoscopically  normal  tympanic  membranes  were  used  in  the  present  study.  All 

procedures  were  in  accordance  with  Australian  Code  of  Practice  for  the  Care  and  Use  of  Animals  for 

Scientific  Purposes  and  with  the  guidelines  laid  down  by  the  National  Institutes  of  Health  in  the  US 

regarding  the  care  and  use  of  animals  for  experimental  procedures,  and  were  approved  by  the  Royal 

Victorian  Eye  and  Ear  Hospital  Animal  Research  and  Ethics  Committee.  Subjects  were  partially  deafened 

between 7.4 to  8.3  months  of age  by  daily subcutaneous  injections  of Kanamycin (200  mg/kg;  kanamycin 

monosulphate, Sigma, USA). After 17 days, hearing condition was checked via tone-specific auditory brain 

response  (ABR)  recordings  (Coco  et  al.,  2007)  and  injections  continued  until  a  partial  high  frequency 

hearing loss was achieved to model an EAS CI recipient (Irving et al., 2014). High frequency hearing loss 

(normal hearing up to 2 kHz,  figure 1) was confirmed using a standard ABR. The difference in thresholds 

between two ears was not significant (4-way ANOVA, ear side x cat x pre/post CI x frequency, p> 0.9). 

Subjects  were  implanted  unilaterally  (left  side)  with  a  Hybrid  L  14-electrode  intra-cochlear  array  between 

13.3 to 14.4 months of age. The tip of electrode array was approximately 10.5 mm from the round window, 




resulting in the most apical electrode being located at approximately the 4-kHz place as represented in figure 

1 (for details about the Hybrid L array and implantation procedure see Shepherd et al., 2011).  

Each subject was chronically stimulated using a clinical stimulator and speech processor (Cochlear Limited) 

carried  in  a  harness  worn  by  the  animals  which  did  not  limit  the  animal’s  ability  to  move  (Fallon  et  al., 

2009).  A  standard  stimulation  strategy  (SPEAK;  McDermott,  1989)  with  a  clinical  electrode-frequency 

allocation map  was used. The 14 electrodes from apex to base were allocated to the following frequencies 

187,  312,  562,  812,  1062,  1312,  1562,  1937,  2312,  2812,  3437,  4187,  5187,  6312,  and  7937  Hz.  The 

stimulation rate was 500 pulses per second per electrode. During the stimulator-on phases of the behavioral 

task, the following electrode pairs were preferentially activated by the acoustic stimulus:  electrodes 13 and 

10  (pair  1),  8  and  4  (pair  2),  5  and  1  (pair  3).  The  frequency-place  map  was  not  optimized  to  match  the 

characteristic  frequencies  of  the  electrode  locations  in  the  cochlea,  thus  overlap  of  electric  and  acoustic 

cochlear  stimulation  can  be  expected,  as  shown  in  figure  1.  After  the  unilateral  CI  implantation,  acoustic 

signals  were  not  blocked  from  the  implanted  nor  the  contralateral  ear  meaning  that  cats  were  acoustically 

stimulated  in  both  ears  and  electrically  stimulated  in  one  ear  only  resulting  in  a  combination  of  hybrid-

bimodal stimulation.  

 

2.2 Behavioral procedure 



After deafening, cats were trained on a go/no-go, positive reinforcement, frequency discrimination task 

developed in our laboratory (For details regarding stability, repeatability and other aspects of the behavioural 

method, please see Benovitski et al., 2014). Testing was carried out in the animals’ regular housing facility 

where they were required to respond to pairs of tones by moving toward and away from the device 

depending on whether the members of a tone pair were different or the same in frequency. A hit (animal 

approached during a different frequency stimulus pair) was followed by food reward. A correct rejection 

(CR) was recorded if same-frequency tone pairs were presented without an approach from the animal, after 

which a new trial could be activated with no delay. A false alarm (FA) (approaching the food source after 

presentation of a same-frequency tone pair) was followed by a 20 second penalty timeout, during which a 

green light was presented and a new trial could not be initiated. A miss (failing to approach after 

presentation of a different-frequency pair) was followed by 0 to 6 seconds of penalty time out without any 



light indication. Tone pips of 195 ms with 4.3 ms rising edge and 49 ms falling edge were used. The interval 

between the two tones within a pair was 750 ms, and that between two pairs was 2350 ms. 

To  minimize  any  response  biases,  after  the  end  of  the  first  week  of  procedural  training  on  a  different 

frequency  to  the  test  stimuli,  presentation  of  different  (target)  and  same  (non-target)  frequency  tone  pairs 

was randomized and the proportion set to 50% target and 50% non-target. The ratio between the frequency 

of the tones (∆f/f) was fixed at 0.6 during the entire experiment where the three pairs of tones were (1, 0.4 

kHz), (4, 1.6 kHz), and (7, 2.8 kHz). Sound pressure level (SPL) was set at 80 dB and the intensity of the 

tones was roved by ±5 dB to minimize loudness cues. All cats reached asymptotic performance within the 

first  1.5 (±0.5) months  (see figure 2 for example).  The training periods of 2 cats  were before implantation 

and the training period of the other 2 cats was interrupted by the implantation. 

Experimental  data  was  collected  throughout  a  4.3  to  5.5  month  period  of  continuous  performance 

measurement after the conclusion of the training period. The CI stimulator was turned off for a period of one 

month  during  this  period  (Table  1).  Reference  frequencies  (1,  4,  and  7  kHz)  were  systematically  rotated 

(Block design) every 9 to 11 days to cover the hearing range of the cats while balancing the order of testing 

across both cats and reference frequencies. 

 

2.3 Data analysis  



Hit  and  FA  rates  (see  figures  2  and  3A  for  example)  were  analyzed  in  100-trial  bins.  Performance  was 

measured  using  detection  theory  by  calculating  d’  (d-prime);  d'  =  z(hit  rate)  -  z(FA  rate),  where  z  is  the 

inverse cumulative normal distribution with a mean of 0 and standard deviation of 1 (Heeger, 1997). To help 

eliminate  trials  during  which  animals  were  possibly  not  fully  engaged  in  the  discrimination  task,  a  test 

session was defined as more than 5 consecutive trials that were less than 5 minutes apart (Benovitski et al., 

2014). Trials outside of sessions did not contribute to performance calculation. A repeated measures 3-way 

analysis  of  variance  with  the  variables  stimulator  condition  (on  and  off),  subjects  (n=4),  and  reference 

frequencies (1, 4, and 7 kHz), was conducted to determine the effect of an EAS on frequency discrimination 

ability. 

 

3. Results 




Overall  cats’  performance  on  the  frequency  discrimination  task  was  stable  over  long  periods  of  time  (20 

days, Figure 2) and repeatable after 2 months (FA rate, figure 3). This is in accordance with data collected 

during the method validation (Benovitski et al., 2014). Subjects had a drop in performance, resulting from an 

increase in the FA rate, after turning off the stimulator, which did not recover over time; while performance 

returned to baseline after the stimulation was turned back on (e.g. solid lines in figure 3B).  

Figure  4A  shows  behavioral  performance  for  each  cat,  reference  frequency  (pair  number)  and  stimulation 

condition (On/Off). As can be seen, performance was variable among individual animals. C2’s performance 

on Pair 1 with the stimulator off, was the worst, but showed a 0.6 increase in d’ with the stimulator on. A 

similar increase in performance was seen for C3 for Pair 1 and C4 Pair 3. In contrast, C5 exhibited generally 

high performance, with no clear effect of stimulation, possibly due to performance hitting a ceiling level (see 

Discussion).  Figure  4B  shows  the  behavioral  performance  at  each  of  the  three  reference  frequencies, 

averaged across cats, when the CI was turned on and off. Subjects performed the frequency discrimination 

task  significantly  better  (d’  =  2.64  with  standard  error  of  means  of  0.34,  averaged  across  3  reference 

frequencies) with the CI on compared to the off condition (d’ = 2.32 with standard error of means of 0.11; 3-

way ANOVA, p<0.001). This result was not significantly different among subjects (3-way ANOVA, subject 

x on-off condition, p>0.5). However, there was a significant dependence on the reference frequency used (3-

way ANOVA, reference frequency x on-off condition,  p<0.03). For reference frequencies 1 and  7 kHz, d’ 

increased by 0.6 and 0.36 respectively while reduced by 0.01 for 4 kHz. Post hoc t-tests considering on-off 

condition  for  the  1,  4,  and  7  kHz  reference  frequencies  were  p=0.0015,  p=0.4725,  and  p=0.0041 

respectively. 

 



4. Discussion  

Partial hearing animals were used to model a clinical condition of  CI use in subjects with residual hearing. 

This study shows, for the first time, that partially deafened cats can use the information provided by a CI to 

improve performance on a frequency discrimination task compared to using their residual hearing alone. 

The increase in frequency discrimination performance is despite the fact that the use of a clinical CI system 

meant that frequencies represented by the CI were also represented by the residual hearing at different place 

along the cochlea (i.e. significant disruption to the normal tonotopic representation). This dual representation 

might have caused the ICES to interfere with the acoustic stimulation resulting in a performance drop after 

adding  ICES.  Additionally,  previous  studies  have  reported  a  marked  suppression  of  the  acoustic  evoked 

auditory nerve compound action potential by ICES in guinea pigs (Von Ilberg et al., 1999), which again may 

have been expected to result in decreased performance. 

 

Multiple  clinical  studies  have  assessed  speech  recognition  performance  of  partially  hearing  subjects  who 



received bimodal EAS (e.g. a CI and a hearing aid in the contralateral ear). The general trend is that patients 

with bimodal EAS perform better on speech recognition tasks (for review see Von Ilberg et al., 2011, Firszt 

et  al.,  2008,  Ching  et  al.,  2006);  however,  subject  variability  is  large  and  some  individuals  do  not  benefit 

from bimodal EAS. For example, a study by Mok et al. (2006) showed that less than half of their 14 patients 

had a significant bimodal benefit. Another study by Tyler et al. (2002) showed a bimodal EAS advantage for 

only  one  of  the  three  patients  for  words  and  none  for  sentences.  In  fact,  in  some  rare  cases  hearing 

performance can even deteriorate (Hamzavi et al., 2004, Armstrong et al., 1997). These studies conclude that 

perceptual  ability  can  be  heavily  influenced  by  the  amount  and  quality  of  residual  hearing  while  bimodal 

interaction  might  be  a  secondary  factor.  The  animal  model  used  in  this  experiment  is  somewhat  different 

from  the  usual  bimodal  clinical  case.  The  residual  hearing  is  similar  in  the  two  ears,  and  there  is  no 

amplification in the non-implanted ear. In the clinical studies, patients have a hearing aid in one ear, usually 

that with the better hearing thus direct comparison in performance is impracticable. Nevertheless this animal 

model  allows  direct,  within  animal,  assessment  of  CI  use  under  conditions  where  deafening  method  and 

time, as well as previous acoustic experience and environment, are well controlled. 

 



To our knowledge there have been no previous studies of behavioral frequency discrimination performance 

of partial hearing animals receiving ICES. There have been multiple studies which assessed ICES in animal 

behavioral  models  (Vollmer  et  al.,  2001,  Vollmer  and  Beitel,  2011,  Kral  et  al.,  2006,  Klinke  et  al.,  1999, 

Beitel  et  al.,  2000).  However,  results  from  these  studies  are  not  comparable  with  results  from  the  present 

experiment due to:  1) effects  of  electrical  stimulation differ  significantly  between partially and profoundly 

deaf cochlea (Von Ilberg et al., 2011); 2) none of the above studies used a partial hearing, ICES behavioral 

model;  and  3)  conditioning  and  detection  tasks  are  different  from  discrimination  tasks  in  terms  of  their 

objectives.  

Behavioral  performance  during  the  current  experiment  was  measured  while  presenting  EAS  or  acoustic 

stimulation only. As performance on electrode discrimination alone was not available, we can only speculate 

about the performance on the same task with only electric stimulation being provided to the animals. Worse 

performance  could  be  expected  with  electric  stimulation  alone,  especially  if  delivered  through  a  clinical 

speech  processor  with  multiple  electrodes  activated  at  the  same  time.  One  study  on  which  we  base  this 

assumption compared performance of normal hearing, hearing impaired, and CI subjects on a spectral shape 

discrimination task and concluded that even hearing impaired subjects are doing better than CI users (Henry 

et  al.,  2005).  In  another  study,  three  EAS  patients  with  residual  hearing,  implanted  with  the  Iowa/Nucleus 

Hybrid  10-mm  short-electrode  array  performed  significantly  better  compared  to  standard  CI  (electric 

stimulation only) (Turner et al., 2004).  

One limitation of the present study is the possibility of a behavioral measurement ceiling effect which could 

partially explain the lack of EAS benefit at 4 kHz (Pair 2). This is evident from figure 4A where it is clear 

that the performance of cats C2, C3, and C5 was already high (d’>2.5) for Pair 2 before turning the CI on, 

although it must be noted that this does not hold for C3. The hit rate was saturated for all the subjects so the 

d’ differences were primarily due to variations in FA rate. The maximum d’ for 100 trials (ideal observer: 49 

hits, 1 miss, 49 CRs, and 1 FA) is 4.1; however, in practice a d’ of 4 is rarely achieved (see figure 3). In an 

attempt to stay within the usable range of d’, the difficulty level (

∆f/f) was set to 0.6 as in pilot experiments 

it generated a d’ level of 2. Nevertheless, it is possible that elevation in d’ at 4 kHz could not be observed 

due to the superior performance in the stimulator off condition resulting in a performance ceiling effect.  




Another  limitation  is  that  the  SPL  roving  used  to  minimize  loudness  cues  was  probably  not  sufficient, 

especially with the 7 kHz reference frequency. The difference between hearing thresholds for 7 and 2.8 kHz 

was around 50dB post implantation. The 80 dB SPL tones may have been almost inaudible to cat C5 at 7kHz 

but  40  dB  above  threshold  at  2.8kHz;  therefore  it  is  possible  that  some  animals  may  have  been  able  to 

perform  some  part  of  the  auditory  only  task  using  just  a  loudness  cue.  However,  that  CI  use  improved 

performance was also seen with the lowest frequency reference, where the auditory threshold was the most 

similar, for which the loudness roving should have been sufficient. Finally, it is worth noting that  the ICES 

levels were set relatively to the electrically evoked ABR thresholds, and therefore should not have contained 

any residual loudness cues. 

 

Several studies of partial deafness suggest that frequencies closer to the lesion edge are over-represented in 



the  cortex  (Robertson  and  Irvine,  1989,  Harrison  et  al.,  1991,  for  review  see  Pienkowski  and  Eggermont, 

2011).  This  over-representation  has  been  proposed  to  underlie  the  better  frequency  discrimination 

performance in that frequency region seen in some patients (as shown by McDermott et al., 1998). However, 

it  is  clear  from  figure  4B  that  performance  at  7  kHz  was  not  greater  than  for  the  other  2  reference 

frequencies.  Close  examination  of  cortical  activity  will  be  necessary  in  future  experiments  to  examine 

possibility that having a larger area of cortex representing given frequencies does not necessarily mean better 

frequency discrimination. 

 

Most  human  bimodal  clinical  studies  suggest  that  patients  with  residual  hearing  who  receive  bimodal 



auditory  input  (e.g.  CI  in  one  ear  and  a  hearing  aid  in  the  other)  perform  better  compared  to  patients 

receiving  either  acoustic  or  electric  input  alone.  While  the  low-frequency  hearing  of  the  animals  in  the 

current  study  is  better  than  the  majority  of  patients  in  those  studies,  there  is  a  growing  trend  towards 

implanting patients with increasing amounts of low-frequency hearing. Using this animal model also allows 

testing of hearing loss treatments such as neurotrophins (Pettingill et al., 2007) and novel electric stimulation 

strategies (e.g. Focused Multipolar Stimulation (van den Honert and Kelsall, 2007)) in ways not possible in 

human subjects. 

 



Acknowledgments 

This work was funded by the National Institutes of Health (HHS-N-263-2007-00053-C), the National Health 

and Medical Research Council of Australia and The Department of Electronic Engineering, La-Trobe 

University. The Bionics Institute acknowledges the support it receives from the Victorian Government 

through its Operational Infrastructure Support Program. The authors are grateful to Andrew Wise for implant 

surgeries; Alison Neil, Nicole Critch and Amy Morley for technical assistance; Sam Irvine for advice; Sue 

Pierce for veterinary advice; Sue Mckay for animal maintenance; and Dexter Irvine for comments on the 

earlier versions of the manuscript. 

 



References 

 

ARMSTRONG, M., PEGG, P., JAMES, C. & BLARNEY, P. 1997. Speech perception in noise with implant and hearing aid. 



Otology & Neurotology, 18, S140-S141. 

BEITEL, R. E., VOLLMER, M., SNYDER, R. L., SCHREINER, C. E. & LEAKE, P. A. 2000. Behavioral and neurophysiological 

thresholds for electrical cochlear stimulation in the deaf cat. Audiology and Neurotology, 5, 31-38. 

BENOVITSKI,  Y.  B.,  BLAMEY,  P.  J.,  RATHBONE,  G.  D.  &  FALLON,  J.  B.  2014.  An  automated  psychoacoustic  testing 

apparatus for use in cats. Hearing research, 309, 1-7. 

BLAMEY,  P.,  ARNDT,  P.,  BERGERON,  F.,  BREDBERG,  G.,  BRIMACOMBE,  J.,  FACER,  G.,  LARKY,  J.,  LINDSTRÖM,  B., 

NEDZELSKI, J. & PETERSON, A. 1996a. Factors affecting auditory performance of postlinguistically deaf adults 

using cochlear implants. Audiology and Neurotology, 1, 293-306. 

BLAMEY, P., ARTIERES, F., BAŞKENT, D., BERGERON, F., BEYNON, A., BURKE, E., DILLIER, N., DOWELL, R., FRAYSSE, B. 

& GALLÉGO, S. 2012. Factors affecting auditory performance of postlinguistically deaf adults using cochlear 

implants: an update with 2251 patients. Audiology and Neurotology, 18, 36-47. 

BLAMEY, P. J., DOOLEY, G. J., PARISI, E. S. & CLARK, G. M. 1996b. Pitch comparisons of acoustically and electrically 

evoked auditory sensations. Hearing research, 99, 139-150. 

CHING, T. Y., INCERTI, P., HILL, M. & VAN WANROOY, E. 2006. An overview of binaural advantages for children and 

adults who use binaural/bimodal hearing devices. Audiology and Neurotology, 11, 6-11. 

COCO, A., EPP, S. B., FALLON, J. B., XU, J., MILLARD, R. E. & SHEPHERD, R. K. 2007. Does cochlear implantation and 

electrical stimulation affect residual hair cells and spiral ganglion neurons? Hearing research, 225, 60-70. 

DORMAN, M. F., GIFFORD, R. H., SPAHR, A. J. & MCKARNS, S. A. 2007. The benefits of combining acoustic and electric 

stimulation for the recognition of speech, voice and melodies. Audiology and Neurotology, 13, 105-112. 

FALLON, J. B., SHEPHERD, R. K., BROWN, M. & IRVINE, D. R. 2009. Effects of neonatal partial deafness and chronic 

intracochlear  electrical  stimulation  on  auditory  and  electrical  response  characteristics  in  primary  auditory 

cortex. Hearing Research, 257, 93-105. 

FIRSZT, J. B., REEDER, R. M. & SKINNER, M. W. 2008. Restoring hearing symmetry with two cochlear implants or one 

cochlear implant and a contralateral hearing aid. J Rehabil Res Dev, 45, 749-67. 

HAMZAVI, J., MARCEL POK, S., GSTOETTNER, W. & BAUMGARTNER, W.-D. 2004. Speech perception with a cochlear 

implant used in conjunction with a hearing aid in the opposite ear. International Journal of Audiology, 43, 61-

65. 

HARRISON, R., NAGASAWA, A., SMITH, D., STANTON, S. & MOUNT, R. 1991. Reorganization of auditory cortex after 



neonatal high frequency cochlear hearing loss. Hearing research, 54, 11-19. 

HENRY, B. A., TURNER, C. W. & BEHRENS, A. 2005. Spectral peak resolution and speech recognition in quiet: normal 

hearing, hearing impaired, and cochlear implant listeners. The Journal of the Acoustical Society of America, 

118, 1111. 

IRVING,  S.,  WISE,  A.,  MILLARD,  R.,  SHEPHERD,  R.  &  FALLON,  J.  2014.  A  partial  hearing  animal  model  for  chronic 

electro-acoustic stimulation. Journal of Neural Engineering, 11, 046008. 

KLINKE, R., KRAL, A., HEID, S., TILLEIN, J. & HARTMANN, R. 1999. Recruitment of the auditory cortex in congenitally 

deaf cats by long-term cochlear electrostimulation. science, 285, 1729-1733. 

KRAL, A., TILLEIN, J., HEID, S., KLINKE, R. & HARTMANN, R. 2006. Cochlear implants: cortical plasticity in congenital 

deprivation. Progress in brain research, 157, 283-402. 

MCDERMOTT, H. 1989. An advanced multiple channel cochlear implant.  Biomedical Engineering, IEEE Transactions 

on, 36, 789-797. 

MCDERMOTT,  H.  J.,  LECH,  M.,  KORNBLUM,  M.  S.  &  IRVINE,  D.  R.  1998.  Loudness  perception  and  frequency 

discrimination  in  subjects  with  steeply  sloping  hearing  loss:  possible  correlates  of  neural  plasticity.  The 

Journal of the Acoustical Society of America, 104, 2314. 

MOK, M., GRAYDEN, D., DOWELL, R. C. & LAWRENCE, D. 2006. Speech perception for adults who use hearing aids in 

conjunction with cochlear implants in opposite ears. Journal of Speech, Language and Hearing Research, 49, 

338. 


PETTINGILL, L. N., RICHARDSON, R. T., WISE, A. K., O'LEARY, S. J. & SHEPHERD, R. K. 2007. Neurotrophic factors and 

neural  prostheses:  potential  clinical  applications  based  upon  findings  in  the  auditory  system.  Biomedical 



Engineering, IEEE Transactions on, 54, 1138-1148. 

PIENKOWSKI,  M.  &  EGGERMONT,  J.  J.  2011.  Cortical  tonotopic  map  plasticity  and  behavior.  Neuroscience  & 



Biobehavioral Reviews, 35, 2117-2128. 

ROBERTSON,  D.  &  IRVINE,  D.  R.  1989.  Plasticity  of  frequency  organization  in  auditory  cortex  of  guinea  pigs  with 

partial unilateral deafness. Journal of Comparative Neurology, 282, 456-471. 



ROSE, M. M. &  MOORE, B. C. 2005. The relationship between stream segregation and frequency discrimination in 

normally hearing and hearing-impaired subjects. Hearing research, 204, 16-28. 

SHEPHERD, R., VERHOEVEN, K., XU, J., RISI, F., FALLON, J. & WISE, A. 2011. An improved cochlear implant electrode 

array for use in experimental studies. Hearing Research, 277, 20-27. 

TURNER, C. W., GANTZ, B. J., VIDAL, C., BEHRENS, A. & HENRY, B. A. 2004. Speech recognition in noise for cochlear 

implant listeners: benefits of residual acoustic hearing. The Journal of the Acoustical Society of America, 115, 

1729. 

TURNER, C. W., REISS, L. A. & GANTZ, B. J. 2008. Combined acoustic and electric hearing: preserving residual acoustic 



hearing. Hearing research, 242, 164-171. 

TYLER, R. S., PARKINSON, A. J., WILSON, B. S., WITT, S., PREECE, J. P. & NOBLE, W. 2002. Patients utilizing a hearing 

aid and a cochlear implant: speech perception and localization. Ear and hearing, 23, 98-105. 

VAN DEN HONERT, C. & KELSALL, D. C. 2007. Focused intracochlear electric stimulation with phased array channels. 



The Journal of the Acoustical Society of America, 121, 3703. 

VOLLMER, M. & BEITEL, R. E. 2011. Behavioral training restores temporal processing in auditory cortex of long-deaf 

cats. Journal of neurophysiology, 106, 2423-2436. 

VOLLMER, M., BEITEL, R. E. & SNYDER, R. L. 2001. Auditory detection and discrimination in deaf cats: psychophysical 

and neural thresholds for intracochlear electrical signals. Journal of Neurophysiology, 86, 2330. 

VON ILBERG, C. A., BAUMANN, U., KIEFER, J., TILLEIN, J. & ADUNKA, O. F. 2011. Electric-acoustic stimulation of the 

auditory system: a review of the first decade. Audiology and Neurotology, 16, 1-30. 

VON ILBERG, C. A., KIEFER, J., TILLEIN, J., PFENNINGDORFF, T., HARTMANN, R., STÜRZEBECHER, E. & KLINKE, R. 1999. 

Electric-acoustic stimulation of the auditory system. New technology for severe hearing loss. ORL; Journal for 

oto-rhino-laryngology and its related specialties, 61, 334. 

WILSON, B. S. & DORMAN, M. F. 2008. Cochlear implants: A remarkable past and a brilliant future. Hearing Research, 

242, 3-21. 

 

 



 


Figures and Tables:  

Table 1. Animal details 

Cat 

Age at 


deafening 

Age at 


implantation 

Age at 


EAS start 

Age at 


stimulator 

turn off 

Age of 

stimulator 



turn on 

Age at 


EAS end

 

C2 



7.4 

14.3 


15.7 

17.8 


18.8 

20 


C3 

7.4 


14.4 

15.7 


17.8 

18.8 


20.3 

C4 


8.3 

13.3 


15.77 

19 


20 

21.3 


C5 

8.3 


13.3 

15.77 


19 

20 


21 

All ages are in months and EAS stands for electric and acoustic stimulation. 

 

 

Figure  1.  ABR  audiograms  of  cat  C5  before  and  after  bilateral  deafening.  Values  are  means  (n  =  8)  of 



thresholds  for  monaural  stimulation  of  the  left  and  right  ears,  and  error  bars  represent  standard  deviation. 

The  inset  represents  unilateral  electrode  array  placement  relative  to  the  characteristic  frequencies  of  the 

electrode  locations  in  the  cochlea.  P1,  P2,  and  P3  represent  the  different  pairs’  frequencies  and  electrodes 

activated during the psychophysical experiment. 

 

 

0



20

40

60

80

100

120

0.1

1

10

A

BR 

T

h

res

h

o

ld

 (d



SPL

)

Frequency (kHz)

Pre-deafening

Post-deafening

Post-implantation



40

4

P1

P1

P2

P2

P3

P3

7 kHz

250 Hz

Hybrid L (14)

P1

P1

P2

P2

P3

P3

7


 

Figure 2. Behavioral performance represented in hit and false alarm (FA) rates (plus and cross signs) for cat 

C4 before starting reference frequency rotations. The frequencies presented during training were 2 and 0.5 

kHz. Each point was calculated over a window of 100 trials. The two lines are linear approximations for hit 

and FA rates over the last 45 and 20 days respectively. Hit rate is stable (slope=2E-06; R

2

= 3E-07) at 0.92 



throughout 45 days and FA stabilized (slope= -4E-04; R

2

= 1E-03) at 0.23 over the final 20 days indicating 



good frequency discrimination ability.  

 

0



0.1

0.2


0.3

0.4


0.5

0.6


0.7

0.8


0.9

1

0



5

10

15



20

25

30



35

40

45



Fa

ls

e

 Al

ar

m

 o



H

it 

Ra

te

Day Number

Hit Rate


FA Rate


 

Figure 3. Example of stimulator turn-off effect on performance of cat C4. A: Experimental time-line. Each 

block (P1, P2, and P3) represent 9 to 11 days of different pairs of tones (1, 4, and 7 kHz reference) presented 

throughout  the  experiment.  B:  Hit  and  FA  rates  for  3  different  periods  of  testing  at  7  kHz  reference 

frequency  (pair  3,  2.8  &  7  kHz)  which  was  presented  at  times  marked  in  A.  Each  point  is  cumulative 

calculation  of  100-trial  window.  Solid  lines  represent  FA  average  of  each  period.  C:  Performance 

represented by d’, calculated from hit and FA rates in B. Increase in FA causes reduction of d’ which means 

reduction in frequency discrimination ability.  

0

0.5


1

1.5


2

2.5


3

3.5


4

4.5


012345678910

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

61

62

63

64

65

66

67

68

69

70

71

72

73

74

75

d'

Stimulator ON    |   Stimulator OFF   |    Stimulator ON

0.03125


0.0625

0.125


0.25

0.5


1

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960616263646566676869707172737475



Fa

ls

e

 Al

ar

m

 o



H

it 

Ra

te

Pair 3 Hit Rate

Pair 3 FA Rate

(B)

(C)

(A)



 

 

Figure 4. A: Behavioral performance with cochlear stimulator on and off for 3 different frequency pairs. B: 



Averaged performance across 4 subjects. Performance is measured in d’ calculated from the last 5, 100-trial 

sessions (e.g. last 5 data points of each period in figure 3). Error bars represent standard error of the means. 

Color is matched to the arrows in  figure 1. Asterisks mark reference frequencies for which performance is 

significantly better (Bonferroni correction) when the stimulator is turned on (Post hoc t-tests considering on-

off  condition  for  the  1,  4,  and  7  kHz  reference  frequencies  were  p=0.0015,  p=0.4725,  and  p=0.0041 

respectively). 




 

Minerva Access is the Institutional Repository of The University of Melbourne

 

 

Author/s: 



Benovitski, YB; Blamey, PJ; Rathbone, GD; Fallon, JB

 

Title: 



Behavioral frequency discrimination ability of partially deafened cats using cochlear implants

 

Date: 



2014-09-01

 

Citation: 



Benovitski, YB; Blamey, PJ; Rathbone, GD; Fallon, JB, Behavioral frequency discrimination

ability of partially deafened cats using cochlear implants, HEARING RESEARCH, 2014, 315

pp. 61 - 66 (6)

 

Persistent Link: 



http://hdl.handle.net/11343/43089

Yüklə 129,64 Kb.

Dostları ilə paylaş:




Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©genderi.org 2024
rəhbərliyinə müraciət

    Ana səhifə