Effects of Unilateral Hearing Loss: From the Brain to Behavior

Effects of Unilateral Hearing  Loss: From the Brain to  Behavior Jill B. Firszt, Ph.D. Professor;  Director, Cochlear Implant Program Ruth Symposium,...
29 downloads 2 Views 1MB Size
Effects of Unilateral Hearing  Loss: From the Brain to  Behavior Jill B. Firszt, Ph.D. Professor;  Director, Cochlear Implant Program

Ruth Symposium, Harrisonburg, VA, October 9, 2015

Disclosures  • Financial: — Employed by WUSM—salary — NIH (research funds) — Cochlear Americas, Advanced Bionics (consulting  relationship and audiology advisory board member,  research funds)

— Honorarium from JMU for 2015 Ruth Symposium

• Nonfinancial: —Serve as treasurer for the American CI Alliance (ACIA)

Overview of Presentation • •

Case study  Unilateral hearing loss (UHL)

— Hemispheric activation patterns — Study in Adults with UHL—No CI — Study in Children with UHL—No CI — Study of effects of unilateral input and mode of  hearing from the listener perspective

Individual Subject (S11) •

Hearing history

– Mumps age 7 yrs, profound HL (LE) – Acoustic neuroma age 47, profound HL (RE) – 1 mo later, CI in LE, the ear without direct  peripheral stimulation for 40 years 

Word and Sentence Recognition In Quiet

100% 90%

Percent Correct

80% 70% 60% CUNY Q HINT Q CNCW

50% 40% 30% 20% 10% 0% S07

S01

S03

S06

S10

S05

S02

S11

S09

S08

S04

Subjects Word and Sentence Recognition In Noise

100%

CUNY N HINT N SPIN

90% Percent Correct

80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% S07

S01

S03

S06

S10

S05 Subjects

S02

S11

S09

S08

S04

Firszt et al, 2002

EABR El #1 100% of DR All subjects

Firszt et al, 2002

EMLR El #1 100% of DR All subjects

Firszt et al, 2002

El N1‐P2 El #1 100% of DR All subjects

Firszt et al, 2002

Individual Subject (S11) •

Did having sound in one ear help to maintain  the opposite ear for a good outcome?



Was having hearing in both ears until age 7  and establishing binaural pathways the main  reason?

Introduction • Sound stimulation is necessary for normal  • •

development and function of the central auditory  system (CAS) Hearing loss affects the representation of sound to  the CAS Consequences of hearing loss depend on whether  the loss is:

– Bilateral or unilateral – Total (profound) or partial

Normal Auditory System •

Is characterized by hemispheric asymmetry

– Acoustic stimulation in one ear produces  activation that is stronger in the contralateral  compared to ipsilateral hemisphere  (Wolpaw & Henry 1977; Shtyrov et al., 1999; Khosla et al., 2003;  Loveless et al., 1994; Sheffler et al., 1998; Jancke et al., 2002)

–Even with bilateral stimulation, activation is still    asymmetric, with greater activation in the left  hemisphere

Normal Hearing Acoustic stimulation in  each ear produces • Stronger contralateral  activation  (darker colors)  • Weaker ipsilateral  activation  cochlear nucleus (lighter colors)

Auditory Cortex

medial geniculate body

medial geniculate body

inferior colliculus

inferior colliculus

superior olive

superior olive

cochlear nucleus

But What is the Functional Significance  of Hemispheric Asymmetry •

Association between clinical disorders and  atypical hemispheric dominance

– Children with learning problems (Mattson et al 1992) – Individuals with language impairment, including  dyslexia (Leonard et al 1993; Galaburda et al., 1994) – Continued need for investigation of functional  significance of asymmetries

Animal Studies: Bilateral HL vs UHL



Some animal studies have shown that (Silverman & Clopton, 1977; Clopton & Silverman 1977) 

– With bilateral auditory deprivation  • the projections between ears (or sides) maintain  •

balance, although activity was reduced less effect on binaural interactions

– With monaural auditory deprivation  • loss of balance in neural activity  • binaural interactions were altered • effect was greater than bilateral deprivation

Symmetric HL Acoustic stimulation  produces

• Reduced overall activation • Asymmetric balance  remains —Stronger contralateral —Weaker ipsilateral

cochlear nucleus

Auditory Cortex

medial geniculate body

medial geniculate body

inferior colliculus

inferior colliculus

superior olive

superior olive

cochlear nucleus

Unilateral HL Acoustic stimulation  produces • Loss of balance  • Altered binaural  interactions • Stronger ipsilateral cochlear nucleus

Auditory Cortex

medial geniculate body

medial geniculate body

inferior colliculus

inferior colliculus

superior olive

superior olive

cochlear nucleus

Human Studies: NH vs UHL •

Some human studies have shown that:

• When the intact ear (good ear) is evoked by  sounds, hemispheric activation patterns differ in  UHL compared to normal hearing (NH)

• Using MEG (Vasama et al, 1994; 1995; 1997) • Using EEG (Hanss et al, 2009; Khosla et al 2003; Ponton et al,  2001)

• Using fMRI (Burton et al, 2012; Scheffler et al, 1998)

Activation lateralization in human core,  belt and parabelt auditory fields with  unilateral deafness compared to  normal hearing Harold Burton, Jill Firszt, Tim Holden,  Alvin Agato, Rosalie Uchanski Brain Research, 2012, 1454; 33‐47

Methods Acoustic stimulus

EPI

Silent Event Related Design

Delayed BOLD response

Amaro, E., Jr., Barker, G.J. 2006. Study design in fMRI: basic principles. Brain Cogn 60: 220-232.

% MR Signal Change

Response time courses for spectral + temporal RSS trials

UHL Ipsi vs. Contra

NH Ipsi vs. Contra

-48,-30,8, A1 (BA42)

-48,-30,8, A1 (BA42)

1.0

1.0

0.5

0.5

0.0

Ipsil Contra

Stim Delay (s)

2

3

4

5

6

7

8

9

0.0

2

3

4

5

6

7

8

9

p=0.34

p=0.002

Ipsi = Contra in 11/11 Foci

Ipsi < Contra in 6/11 Foci

Burton et al, 2012

Ipsilateral RE stimulation

Contralateral

LE stimulation

RE stimulation

LE stimulation

Te1.0

UHL NH

*

1.0

*

*

0.5

Te1.0 , Te 1.1 Core, primary auditory regions

0.0

Te1.1

Average % Change in BOLD Response

1.0

*

*

0.5

0.0

Te2 1.0

*

*

Te2 , Te3, parts of Core A1, caudel belt, lateral belt regions

0.5

0.0

Te3

*

1.0

0.5

0.0

STG/STS 0.8

*

0.6

*

*

STG/STS, Lateral belt, parabelt regions

*

0.4 0.2 0.0

2

3

4

5

6

7

8

9

2

3

4

5

6

7

8

9

2

3

4

5

6

Stimulus-EPI Delay (sec)

7

8

9

2

3

4

5

6

7

8

9

Burton et al, 2012

Using fmri in UHL and NH



Summary of findings

– UHL RE stimulation (left ear deafness), ipsilateral 



responses larger compared to NH in core and belt  regions – UHL LE stimulation (right ear deafness), only  posterior core showed larger ipsilateral responses In agreement with Khosla et al 2003 (EEG) and Hanss et al 2009 (EEG) , greater differences for left ear  deafness vs right ear deafness

UHL



Unilateral hearing loss induces CAS  reorganization in ways that are different from  bilateral hearing loss

– What does this mean for patients? – What are the behavioral effects? – How are they quantified?

Studies underway at WUSM/SLCH We are studying several patient populations with  varied asymmetry between ears  • All have one deaf ear • All are unilateral listeners 250

500

1000

2000

4000

8000

250

0

0

20

20

500

1000

2000

40

8000

250

500

1000

2000

4000

8000

C

C

C

C

C C C

0

A

A

A

A

20

A 40

4000

A

40

A A

60

60

80

80

80

100

100

100

Normal or Near-normal hearing

Some hearing loss Uses amplification

60

Severe to profound HL Uses cochlear implant

Unilateral Hearing Loss (UHL) Study  in Adults Purpose:

• • • •

Quantify auditory deficits in adults with UHL Identify sources of variability in outcomes Compare results with NH bilateral listeners  Compare results with NH unilateral listeners – Introduce the condition of UHL for NH listeners  that have not adapted to UHL 

UHL Study Participants • Adults with UHL  Tested with one NH ear 

• NH matches for each UHL  participant  (age and gender) –

One NH match tested with one  ear (other ear plugged & muffed)  •



NH‐Plugged

One NH match tested with both  ears •

NH‐Bilateral

250

500

Frequency (Hz) 1K 2K

4K

8K

O O O

O

-10 0 10

O O

O

X X

X

20

Hearing Level (dB )



125

30 40 50 60 70 80 90

100 110 120

X X X X

X

UHL Study – Demographics  Mean (SD) Range

UHL (n=26)

NH - Plugged (n=25)

NH - Bilateral (n=23)

Age (years)

49.1 (12.9) 25 - 71

48.8 (13.7) 22 - 71

49.7 (11.6) 22 - 67

PTA (dB HL) from .25-8 kHz in ear(s) tested

PTA (dB HL) from .25-8 kHz in deaf ear

Age Onset SPHL (years)

Length of Deafness (years)

13.2 (7.1)

110.2 (10.5)

27.3 (22.7)

21.9 (21.8)

0.0 – 29.3

78.3 – 121.3+

0 - 61