Fisiologia dell'udito e protesi uditive

Il phase locking è la caratteristica di attivazione neuronale su cui si basa il modello di

Jeffress. In particolare se ho una sollecitazione periodica l’attivazione di un neurone

avviene in fase con l’onda di pressione. Cioè se l’onda di pressione modula con una certa

frequenza, l’attività di firing del neurone si sincronizzerà con quella frequenza. Questo è

vero fino ai 4-5 KHz, oltre si può prendere il sincronismo di fase, perché all’aumentare

della frequenza i vari impulsi vengono a confondersi.

Non si ha necessariamente un impulso ad ogni ciclo, a volte un impulso si perde, ma in

ogni caso il tempo tra impulsi successivi è sempre multiplo del periodo del segnale.

Il firing rate del recettore ha una caratteristica periodica analoga a quella dell’onda di

pressione ed è bloccata in fase, cioè un certo passaggio dell’onda provoca un burst di

spike, che si ripete proprio ad a quel passaggio dell’onda. Via via che la forma d’onda si

ripete ho un’attivazione ad impulsi. Più aumento la frequenza dell’onda, più questi impulsi

si avvicininano fino a confondersi a 4-5 KHz.

Questa caratteristica sincrona, bloccata in fase, fa sì che in un’architettura di questo tipo,

con una caratteristica ipsilaterale e una controlaterale, che parte dalla coclea, nucleo

cocleare e nucleo olivare superiore, permette il rilevamento delle coincidenze, soprattutto

a livello del nucleo olivare superiore.

Tramite le due orecchie, l’onda di pressione viene convertita in una sequenza di impulsi.

Tuttavia le due onde destra e sinistra sono sfasate di una certa componente temporale.

In questo caso il destro è in anticipo di 0.25 ms rispetto al sinistro, ipotizzando che un

periodo dell’onda valga 1 ms. Per cui anche gli impulsi provenienti dall’orecchio sinistro

saranno in ritardo rispetto al destro. La distanza tra gli spike provenienti dai due orecchi è

detta distanza di ritardo. Se la sollecitazione arrivasse dall’altro lato, avrei l’esatto opposto,

ovvero gli impulsi dall’orecchio sinistro in anticipo rispetto a quelli provenienti dal destro. In

questo caso la distanza tra gli spike dei due orecchi è detta distanza di anticipo.

Per cui tramite una struttura neuronale che misura il ritardo, siamo in grado di risalire al

seno dell’angolo di provenienza dell’onda e quindi all’angolo stesso. Questo viene

effettuato tramite un’architettura detta Modello di Jeffress.

Modello di Jeffress

Esiste una barriera di reti di ritardo nel trasferire il segnale dalla coclea destra e dalla

coclea sinistra al nucleo olivare superiore destro o sinistro. In particolare l’orecchio proietta

in modo ipsilaterale al nucleo cocleare, che poi proietta una componente ipsi e una

controlaterale al nucleo olivare superiore, lungo più neuroni, e nel fare questo vengono

introdotti ritardi via via varianti che ritardano il segnale in misura diversa canale per canale,

in modo analogo sui due percorsi destro e sinistro. Questo produce una serie di

combinazioni tra segnali e ritardi, generando un numero enorme di possibili combinazioni

di sfasamenti. Verificando il neurone dove è avvenuto il rifasamento complessivo, cioè la

coincidenza, su quel segnale ottengo un rilevatore di posizione, cioè il neurone del nucleo

cocleare che si attiva, che identifica la posizione di provenienza dello stimolo.

Il segnale proveniente dal nucleo cocleare, nel procedere verso il nucleo olivare superiore

viene progressivamente ritardato sempre di più. In particolare procedere verso la via

controlaterale, visto che comporta un percorso più lungo, determina un ritardo maggiore. A

livello del nucleo olivare, esistono dei detettori delle coincidenze. In base a quale si attiva

ottengo un rifasamento dei due stimoli, per cui conoscendo il neurone che si è attivato,

posso risalire alla relazione di fase del segnale in ingresso, e quindi alla posizione della

sorgente di stimolazione.

Se ad esempio il destro è in anticipo rispetto al sinistro, significa che per rifasarli dovrò

ritardare di più il destro rispetto al sinistro, per cui verrà attivato un neurone più vicino al

sinistro, che ha fatto meno strada. Se il segnale è frontale, si attiverà il neurone che è

esattamente a metà strada tra i due segnali.

I neuroni sono fatti in modo tale da propagare l’impulso solo se proviene da entrambi i lati.

Questo avviene sia nel nucleo olivare destro che sinistro.

Le protesi uditive

Si possono avere 3 tipi di perdita dell’udito:

• Perdita uditiva sensorineurale: causata dalla mancanza o dal danneggiamento

delle cellule ciliate nella coclea ed è generalmente una perdita permanente

• Perdita uditiva mista: deriva da una combinazione di perdita neurosensoriale e di

conduzione. Può risultare da problemi sia dell’orecchio esterno medio o interno.

• Perdita uditiva neurale: deriva da l’assenza o da un danno a livello del nervo

uditivo. Si tratta generalmente di una perdita profonda e permanente. In questo

caso protesi uditive non sono in alcun modo utili, in quanto il nervo non è in grado di

trasmettere informazioni sul suono al cervello.

A seconda del tipo di perdita, verranno utilizzati diversi approcci tecnologici. Se per

esempio c’è un problema nella membrana timpanica o nella responsività degli ossicini, in

questo caso una soluzione è quella di forzare i trasduttori, cioè amplifico il segnale

all’incidenza sulla membrana, così da spingere gli ossicini a trasmettere maggiore potenza

a livello della finestra ovale. Posso dare sia onde di pressione amplificate, oppure

utilizzare un sistema con dei magneti che mettono in movimento gli ossicini bypassando il

timpano. Oppure posso stimolare direttamente il nervo in modo elettrico, questo ad

esempio se ho problemi a livello delle cellule ciliate.

Esistono 5 approcci. Tutti sono composti da:

Batteria miniaturizzata che alimenta l’apparecchio

- Microfono che capta il suono

- Amplificatore che amplifica il suono

- Speaker che manda il segnale amplificato verso l’orecchio esterno

-

Ausili uditivi

Queste protesi agiscono a livello dell’orecchio esterno. In analogica, viene preso il suono

tramite il microfono, l’amplificatore prende la potenza e la rimanda verso l’orecchio esterno

tramite un altoparlante. Esistono anche approcci in digitale in cui si effettua un filtraggio

del disturbo, tuttavia questa metodica porta ad ottenere un suono tipo subacqueo per cui è

stata un po’ abbandonata.

Hanno una gomma che ricopre completamente il padiglione auricolare, in modo tale da

stimolarlo dall’interno, amplificando il suono captato dal microfono.

Impianti a conduzione ossea

Questo sistema trasmette il suono mettendo in vibrazione le ossa del cranio tramite un

trasduttore, e tali vibrazioni si propagano fino alla coclea bypassando ossicini e timpano.

Impianto dell’orecchio medio

Prevede una parte esterna, il processore ed una impiantata chirurgicamente nell’orecchio

medio. Il processore trasmette il suono verso la parte interna. In particolare si ha un

ricevitore impiantato direttamente sotto la pelle che capta il suono proveniente dal

processore, e lo invia all’impianto che è attaccato ad uno degli ossicini dell’orecchio medio

o vicino alla finestra ovale della coclea. L’impianto muove direttamente gli ossicini oppure

fa vibrare la finestra ovale.

Protesi cocleari

In questo caso gli elettrodi sono integrati direttamente dentro la coclea, grazie ad un filo

contenente appunto un array di elettrodi i quali attivano i recettori nella coclea. Si tratta

quindi di una stimolazione elettrica. Vengono impiantate in caso di danneggiamento di

parti dell’orecchio interno fornendo i segnali al cervello.

Un processore dietro l’orecchio o sul corpo capta il suono lo digitalizza e lo invia

all’impianto. Questo lo converte in impulsi elettrici che vengono inviati all’array di elettrodi

posto nella coclea. Questi stimolano il nervo uditivo che poi manda impulsi al cervello dove

vengono interpretati come un suono.

Soluzioni ibride

Si tratta di impianti elettro-acustici che permettono di recuperare l’udito alle alte frequenza,

molto importanti per capire discorsi e comunicare. In particolare si ha la combinazione di

una protesi acustica sull’orecchio esterno e una stimolazione elettrica direttamente sulla

coclea.

Il sistema vestibolare

Il sistema vestibolare ha la funzione di permettere la guida inerziale di varie funzioni, come

la locomozione, il mantenimento della postura ecc…

E’ composto da 5 organi sensoriali posti nell’orecchio interno, che misurano

l’accelerazione lineare e angolare della testa, e ci permettono di camminare, di mantenere

una corretta postura, oltre a dirci in che posizione siamo rispetto all’ambiente circostante.

Si tratta di fatto di funzioni meccanorecettive, in quanto vengono misurate delle grandezze

meccaniche, in particolare il vettore accelerazione rispetto alla testa. Abbiamo di fatto un

accelerometro incorporato.

I segnali del sistema vestibolare sono generati nei labirinti dell’orecchio interno. Ne

abbiamo uno osseo che è una struttura cava posta nell’osso temporale e che è riempito di

un liquido che, grazie ai canali e alle ampolle, stimola selettivamente i recettori, posti nel

labirinto membranoso all’interno di quello osseo, in seguito all’accelerazione della testa.

Vicino all’elicotrema della coclea esistono due strutture, dette appunto ampolle, chiamate

sacculo ed utricolo, le quali misurano le accelerazioni lungo il piano orizzontale e lungo

quello verticale, di fatto le accelerazioni traslazionali. Dalle due ampolle partono poi altri 3

canali, detti semicircolari, posti lungo tre piani ortogonali tra di loro, pur non in

corrispondenza dei tre assi x y e z.