An investigation of speech reception thresholds elevation pure-tone thresholds can not explain

It is well established that the biomarker most predictive of speech reception thresholds (SRTs) consists of pure-tone thresholds (PTTs). In general, the assumption is that an elevation of PTTs causes an elevation of SRTs. However, PTTs can explain ~60% of the variance of speech reception thresholds, and it remains controversial whether the remaining variance can be explained by subcortical phenomena such as cochlear synaptopathy or which part is caused by central processing deficits such as limited working memory, or a combination of both. To investigate the origins of SRT elevation which cannot be explained by PTT elevation, we employed a combination of subcortical and cortical measurements. In the first section I will describe detailed audiometric screening of our cohort, in which we introduce two new approaches to studying the aspect of speech comprehension: the pure-tone normalized OLSA threshold (PNOT) and a post hoc analysis of variance. Using them, we show that age does not affect SRT beyond PTT. Furthermore, we found that cochlear synaptopathy explains a small but measurable amount of additional variance of SRT. In contrast, we found that the function of outer hair cells measured via pulsed DPOAE could explain a larger amount of additional variance. In the second section, I will describe neuroelectric responses to phonemes recorded using a passive listening paradigm. Speech EEGs have been identified as an indicator of speech performance beyond PTT in hearing aid users. We confirm phoneme-evoked EEG response amplitude (PEA) as an indicator of speech comprehension. Specifically, PEA decreased with elevated SRT, PTT and increased age. We report here that temporal delays of phoneme-evoked EEG responses (PED) increase with age and PTT. The absolute duration of PED, its age-correlation, and the lack of PEA-lateralization suggest a predominantly thalamic generator of phoneme-evoked EEG responses. Most importantly, PED correlates with SRT and explains SRT-variance in quiet and in ipsilateral noise that PTT cannot. I will show that PED reflects both temporal fine structure (TFS) and temporal envelope (TENV) coding; thalamic activity may thus provide integrated information at the gate of the neocortex. In the third section, I will expand the results of the previous two sections towards cortical speech processing. Cortical speech processing was investigated here using frequency-tagged MEG responses to speech in auditory scenes, including non-competitive and competing female and male voices. We found that attention alters cortical neural frequency-tagged responses. Furthermore, we have identified three factors that affect cortical speech processing. The first factor is the subject's age, which was correlated with increasing amplitude of cortical responses. The second factor is the delay of neural responses in the left hemisphere, which decreases with elevated SRT in noise. The neural response delay is particularly relevant when TFS coding is involved. Lastly, the third factor is the specificity of the neural response, which is linked to PNOT(quiet) and manifests as increased right-hemispheric activity and more stimulus-specific left-hemispheric responses to individual sentences. These findings can be explained as a combination of cortical and subcortical gating. The combination of cochlear, subcortical and cortical factors measured in the same cohort provide a multi-dimensional picture of age-related hearing deficits. I sincerely hope that clinicians dealing with hearing deficits at the limits of pathology and the need to decide whether treatment is already necessary for a given patient, will benefit from the new perspectives opened here and possibly adopt new differentiated diagnostic tools. We have introduced new audiometric and neural measures which will hopefully advance further progress towards an objective measure of speech reception thresholds. Those more objective measures might in the future also enable more individualized therapeutic interventions.

Es ist gut etabliert, dass der Voraussage-stärkste Biomarker für Sprachverständnisschwellen (SRT) in Form der routinemäßig bestimmten Reintonschwellen (PTT) bereitsteht. Es wird allgemein angenommen, dass eine Erhöhung der Reintonschwellen eine Erhöhung der Sprachverständnisschwellen verursacht. Jedoch lassen sich nur etwa 60% der Varianz der Sprachverständnisschwellen durch die Varianz der Reintonschwellen erklären und es bleibt weiterhin eine Kontroverse, ob die verbleibende Varianz durch subkortikale Störungen wie die „cochleäre Synaptopathie“ erklärbar wird, oder welcher Anteil doch eher durch zentrale Verarbeitungsdefizite wie beispielsweise reduziertes Arbeitsgedächtnis zustande kommt, oder auch eine Kombination peripherer und zentraler Defizite. Um die Ursachen von erhöhten Sprachverständnisschwellen zu klären, die nicht durch erhöhte Reintonschwellen erklärbar sind, haben wir eine Kombination von subkortikalen und kortikalen Messungen unternommen. Im ersten Teil meiner Arbeit beschreibe ich ein sehr gründliches audiometrisches Screening unserer Kohorte. Bereits hier führten wir zwei bisher im Forschungsfeld nicht eingesetzte Methoden ein: Reinton-Schwellen normalisierte Sprachverständnisschwellen (PNOT) und eine auf Permutationsanalysen beruhende posthoc Varianzanalyse. Damit konnten wir zeigen, dass das Alter der Studienteilnehmer keinen Einfluss auf die Sprachverständnisschwellen nach Korrektur durch Reintonschwellen hatte. Außerdem konnten wir zeigen, dass cochleäre Synaptopathie zwar einen kleinen aber messbaren Anteil der zusätzlichen Varianz der Sprachverständnisschwellen erklärt. Mit Verwendung der gepulsten Distorsionsproduktbestimmung otoakustischer Emissionen (p-DPOAE) konnten dahingegen einen größeren Anteil der zusätzlichen Varianz der Sprachverständnisschwellen erklären. Im zweiten Teil meiner Arbeit beschreibe ich neuroelektrische (EEG) Antworten auf passiv gehörte Phoneme. Solche Phonem-Antworten wurden schon vor unserer Studie als Indikator für gestörte Sprachverständnisschwellen jenseits der Reintonschwellen in Hörgeräteträgern identifiziert. Wir konnten die Amplitude solcher hirnelektrischer Phonem-Antworten (PEA) als Indikator für das Sprachverständnis bestätigen: PEA nimmt mit erhöhten Sprachverständnis- und Reintonschwellen, sowie mit dem Alter ab. Wir berichten hier, dass zeitliche Verzögerungen der hirnelektrischen Phonem-Antworten (PED) mit dem Alter und den Reintonschwellen zunehmen. Die Größenordnung dieser Verzögerungen, ihre Korrelation mit dem Alter und das Fehlen einer Lateralisierung der Antwortamplituden legen einen vorrangig thalamischen Generator für Phonem-Antworten nahe. Noch wichtiger aber sind die Befunde, dass PED mit den Sprachverständnisschwellen korreliert und sowohl die Varianz der Sprachverständnisschwellen, die in Stille als auch mit ipsilateralem Rauschen bestimmt wurden, erklärt, was die Reintonschwellen nicht können. Ich werde dann auch zeigen, dass PED sowohl Aspekte der Kodierung zeitlicher Feinstruktur (TFS) als auch der zeitlichen Einhüllenden (TENV) reflektiert. Thalamische Aktivität stellt daher integrierte Information am Tor zur Hirnrinde zur Verfügung. Im dritten Teil meiner Arbeit werde ich die Ergebnisse der ersten beiden Teile in Richtung auf die kortikale Sprachverarbeitung erweitern. Kortikale Sprachverarbeitung wurde hier mithilfe von Frequenz-markierenden magnetencephalographischen (MEG) Antworten auf Sprache in auditorischen Szenen untersucht. Wir fanden heraus, dass Aufmerksamkeit die Frequenz-markierenden Antworten der Hirnrinde verändern kann. Außerdem haben wir drei Faktoren identifiziert, die die kortikale Sprachverarbeitung beeinflussen. Der erste Faktor ist das Alter der Studienteilnehmer, das zunehmende Antwortamplituden der Hirnrinde mit dem Alter zeigte. Der zweite Faktor ist die zeitliche Verzögerung der hirnmagnetischen Antworten der linken Hemisphäre, die bei erhöhten Sprachverständnisschwellen im Rauschen abnimmt. Die neurale Antwortverzögerung ist besonders relevant, wenn die Kodierung der zeitlichen Feinstruktur involviert ist. Der dritte Faktor schließlich ist die Spezifität der neuralen Antworten, die mit der Reintonschwellen-normierten Sprachverständnisschwelle-in-Stille (PNOTquiet) korreliert und sich sowohl als gesteigerte rechtshemisphärische Aktivität als auch in Form Reiz-spezifischerer linkshemisphärischer Antworten auf individuelle Sätze manifestiert. Diese Befunde können als Kombination von kortikalem und subkortikalem Ausblenden („gating“) erklärt werden. Die in derselben Kohorte gemessene Kombination von cochleären, subkortikalen und kortikalen Faktoren bietet ein multi-dimensionales Bild der altersbezogenen Hördefizite. Ich hoffe aufrichtig, dass Kliniker, die sich täglich mit Hörstörungen an der Grenze zur Pathologie und der für den einzelnen Patienten noch zu klärenden Notwendigkeit für eine Behandlung beschäftigen, von den hier eröffneten Perspektiven profitieren und möglicherweise neue differenzierte diagnostische Werkzeuge in die klinische Routine einführen werden. Wir haben neue audiometrische und neurale Maße vorgestellt, die hoffentlich weiteren Fortschritt in Richtung auf objektive Messwerte für Sprachverständnisschwellen vorantreiben und in der Zukunft auch mehr individualisierte therapeutische Interventionen ermöglichen werden.