نشریه‌ی علمی مهندسی پزشکی زیستی

شماره جاری

بر اساس شماره‌های نشریه

بر اساس نویسندگان

بر اساس موضوعات

نمایه نویسندگان

نمایه کلیدواژه ها

درباره نشریه

اهداف و چشم انداز

اعضای هیات تحریریه

اصول اخلاقی انتشار مقاله

بانک ها و نمایه نامه ها

پیوندهای مفید

پرسش‌های متداول

فرایند پذیرش مقالات

اخبار و اعلانات

ایمپلنت ساقه‌ی مغز تا چه اندازه مشابه اعصاب مسیر شنوایی عمل می‌کند؟ پژوهشی بر اساس مدل‌سازی ویژگی‌های زمانی

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، پژوهش‌کده‌ی علوم و فناوری‌های پزشکی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

2 استادیار، پژوهش‌کده‌ی علوم و فناوری‌های پزشکی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

10.22041/ijbme.2023.551923.1765

چکیده

بدن انسان دارای پنج حس اصلی بینایی، شنوایی، چشایی، بویایی و لامسه بوده که هر یک از این حواس اطلاعات به خصوصی را از محیط پیرامون در اختیار می‌گذارند. نقص عمل‌کرد هر یک از این حواس باعث می‌شود تا نسبت به رفع آن و استفاده از تکنولوژی اقدام گردد. حس شنوایی نیز از این مقوله مستثنی نبوده و تلاش­های متعدد و زیادی در بهبود آن انجام شده­ که منجر به طراحی و ساخت ایمپلنت­های گوناگونی شده است. در این پژوهش با هدف بررسی عمل‌کرد ایمپلنت شنوایی ساقه‌ی مغز (Auditory Midbrain Implant - AMI) به ایجاد دو نوع تحریک آکوستیک و الکتریک در سیستم شنوایی گربه پرداخته شده است. تحریک­های الکتریک حاصل تزریق جریان به بافت توسط AMI و تحریک­های آکوستیک حاصل تولید موج تک-تن در گوش گربه می­باشند. پس از انجام تحریک و ثبت پتانسیل­های عمل محیطی از قشر اولیه‌ی شنوایی مغز گربه، ویژگی­های زمانی استخراج شده و نهایتا به مدل‌سازی توسط شبکه‌ی­ عصبی پرداخته شده است. بعد از ثبت و مقایسه بین داده­ها، مشخص شده که AMI در تحریک هسته‌ی کولیکولوس تحتانی موفق عمل کرده است اما این ایمپلنت کاهش تاخیر در زمان تحریک را احتیاج دارد. پس از مدل‌سازی مشخص شده که شبکه‌ی عصبی با مدل غیرخطی همراه با الگوریتم لونبرگ-مارکوارت و 10 نورون در لایه‌ی پنهان بهترین عمل‌کرد را در بین سایر ساختارها با خطایی معادل 009/0 از خود ارائه کرده است. در مقایسه‌ی مدل الکتریک با مدل اعصاب شنوایی، هر دو مدل رفتار مشابهی در برابر تغییرات فرکانس از خود نشان داده اما مدل الکتریک در یک فرکانس ثابت شدت بزرگ‌تری از پاسخ را در خروجی نشان داده است. علاوه بر این موارد، فاصله‌ی زمانی انتقال پیام عصبی از هسته‌ی حلزونی تا کولیکولوس تحتانی، 9 میلی­ثانیه محاسبه شده است. 

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

How Similar is the Auditory Midbrain Implant to the Hearing Pathway Nerves? A Time-Based Series Modelling Research

نویسندگان [English]

  • Ehsan Mohammadi Mahmoei 1
  • Reza Lashgari 2
  • Behrouz Salamat 2

1 M.Sc., Institute of Medical Science and Technology (IMSAT), Shahid Beheshti University, Tehran, Iran

2 Assistant Professor, Institute of Medical Science and Technology (IMSAT), Shahid Beheshti University, Tehran, Iran

چکیده [English]

The human body has five main senses of sight, hearing, taste, smell and touch. The defective performance of any of these senses causes us to solve this problem and use technology for this purpose. The sense of hearing is no exception and several attempts have been made to restore it, which has led to the design of various implants. In this study, with the aim of investigating the function of the auditory midbrain implant (AMI) in restoring hearing ability, the cat’s auditory system has been stimulated in acoustic and electrical stimulation. Electrical stimuli are the result of AMI injecting current into the central nucleus of the inferior colliculus (ICC) and acoustic stimuli are the result of pure tone sound in the cat’s ear. After stimulation, responses were extracted from the primary auditory cortex of the cat's brain. Finally, a neural network (NN) with backpropagation-based modelling has been used. After data acquisition and processing, it was clear that AMI successfully stimulated the ICC. But it is associated with delays during stimulation. After model creation, it was found that the Levenberg-Marquardt algorithm with 10 neurons in the hidden layer had the best performance compared to the others with an error of 0.009. Also, both models show similar behaviour to frequency changes, but the electrical model at a constant frequency shows a bigger response at the output. Finally, the interval between the transmission of the neural message from the cochlear nucleus to the inferior colliculus was calculated at 9 milliseconds.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Auditory Midbrain Implant
  • Local Field Potentials
  • Electrical and Acoustic Stimulation
  • Nonlinear Modeling
  • Levenberg-Marquardt Algorithm
مراجع
  1. Lenarz T, Lim H, Joseph G, Reuter G, Lenarz M. [Central auditory prosthesis]. HNO. 2009;57(6):551-62.
  2. Disorders NIoDaOC. Cochlear Implants NIDCD Fact Sheet | Hearing and Balance2021 [updated March 24, 2021.
  3. Schierholz I, Finke M, Kral A, Buchner A, Rach S, Lenarz T, et al. Auditory and audio-visual processing in patients with cochlear, auditory brainstem, and auditory midbrain implants: An EEG study. Hum Brain Mapp. 2017;38(4):2206-25.
  4. Lenarz M, Lim HH, Lenarz T, Reich U, Marquardt N, Klingberg MN, et al. Auditory midbrain implant: histomorphologic effects of long-term implantation and electric stimulation of a new deep brain stimulation array. Otol Neurotol. 2007;28(8):1045-52.
  5. Connor SEJ. Contemporary imaging of auditory implants. Clin Radiol. 2018;73(1):19-34.
  6. Calixto R, Salamat B, Rode T, Hartmann T, Volckaerts B, Ruther P, et al. Investigation of a new electrode array technology for a central auditory prosthesis. PLoS One. 2013;8(12):e82148.
  7. Calixto R, Lenarz M, Neuheiser A, Scheper V, Lenarz T, Lim HH. Coactivation of different neurons within an isofrequency lamina of the inferior colliculus elicits enhanced auditory cortical activation. J Neurophysiol. 2012; 108(4): 1199-210.
  8. Lim HH, Lenarz M, Lenarz T. Auditory midbrain implant: a review. Trends Amplif. 2009;13(3):149-80.
  9. Lim HH, Lenarz T, Anderson DJ, Lenarz M. The auditory midbrain implant: effects of electrode location. Hear Res. 2008;242(1-2):74-85.
  10. Lenarz T, Lim HH, Reuter G, Patrick JF, Lenarz M. The auditory midbrain implant: a new auditory prosthesis for neural deafness-concept and device description. Otol Neurotol. 2006;27(6):838-43.
  11. Lenarz M, Lim HH, Patrick JF, Anderson DJ, Lenarz T. Electrophysiological validation of a human prototype auditory midbrain implant in a guinea pig model. J Assoc Res Otolaryngol. 2006;7(4):383-98.
  12. Neuheiser A, Lenarz M, Reuter G, Calixto R, Nolte I, Lenarz T, et al. Effects of pulse phase duration and location of stimulation within the inferior colliculus on auditory cortical evoked potentials in a guinea pig model. J Assoc Res Otolaryngol. 2010;11(4):689-708.
  13. Salamat B. Functional Enhancement of Auditory Activation through Multi-Site Stimulation. PLoS One. 2013;8(12):e82148.
  14. Dyballa KH, Lim H, Samii A, Metwali H, Salcher R, Dengler R, et al. The New Auditory Midbrain Implant – Second Clinical Trial. Laryngorhinootologie. 2018;97(S 02):10709.
  15. Lenarz T, Samii A, Dyballa KH, Lim H. Central auditory protheses to treat neural deafness including the novel double shank auditory midbrain implant. Laryngorhinootologie. 2018;97(S 02):10761.
  16. Seikel JA, Konstantopoulos K, Drumright DG. Neuroanatomy and Neurophysiology for Speech and Hearing Sciences: Plural Publishing, Incorporated; 2018.
  17. Ghosal S, Sengupta S, Majumder M, Sinha B. Linear Regression Analysis to predict the number of deaths in India due to SARS-CoV-2 at 6 weeks from day 0 (100 cases - March 14th). Diabetes Metab Syndr. 2020; 14 (4): 311-5.
  18. Gessler JP. Sensor para análisis de alimentos aplicando espectroscopía de impedancia y redes neuronales artificiales. 2021.
  19. French J. The time traveller’s CAPM. Investment Analysts Journal. 2017;46(2):81-96.
  20. Hagan MT, Demuth HB, Beale M. Neural network design: PWS Publishing Co.; 1997.
  21. Cao Y, Huang J. Neural-network-based nonlinear model predictive tracking control of a pneumatic muscle actuator-driven exoskeleton. IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica. 2020;7(6):1478-88.
  22. Yadav AK, Chandel S. Solar radiation prediction using Artificial Neural Network techniques: A review. Renewable and sustainable energy reviews. 2014;33:772-81.
  23. Gonzalez J, Yu W. Non-linear system modeling using LSTM neural networks. IFAC-PapersOnLine. 2018;51(13):485-9.
  24. Liu Z, Yang Y, Cai Q. Neural network as a function approximator and its application in solving differential equations. Applied Mathematics and Mechanics. 2019; 40 (2): 237-48.
  25. Faiz O, Blackburn S, Moffat D. Anatomy at a Glance: Wiley; 2011.
  26. Verhulst S, Altoè A, Vasilkov V. Computational modeling of the human auditory periphery: Auditory-nerve responses, evoked potentials and hearing loss. Hearing Research. 2018; 360: 55-75.
  27. Heffner RS, Heffner HE. Hearing range of the domestic cat. Hearing Research. 1985; 19 (1): 85-8.
  28. Ratnanather JT, Wang LC, Bae S-H, O'Neill ER, Sagi E, Tward DJ. Visualization of speech perception analysis via phoneme alignment: a pilot study. Frontiers in Neurology. 2021;12.
  29. Rode T, Hartmann T, Hubka P, Scheper V, Lenarz M, Lenarz T, et al. Neural representation in the auditory midbrain of the envelope of vocalizations based on a peripheral ear model. Front Neural Circuits. 2013;7:166.
نشریه‌ی علمی مهندسی پزشکی زیستی
دوره 16، شماره 3
آذر 1401
صفحه 195-205
فایل ها
سابقه مقاله
  • تاریخ دریافت: 24 فروردین 1401
  • تاریخ بازنگری: 21 مهر 1401
  • تاریخ پذیرش: 30 دی 1401
هم رسانی
ارجاع به این مقاله
آمار