Fisiologia dell'udito e protesi uditive
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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.
I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher evap6 di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Sensi naturali e artificiali e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Pisa - Unipi o del prof Oddo Calogero Maria.
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