Physiologienahe Modellierung des menschlichen auditiven Systems unter Einbeziehung physikalischer und psychoakustischer Daten

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Herbert Hudde
• Fachliche Zuordnung: Akustik ; Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 170053972

• Erstellungsjahr: 2014

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In diesem Projekt konnten mehrere grundlegende Fragen hinsichtlich der hydroakustischen, mechanischen und elektrischen Funktionsweise der Cochlea durch Simulationen mit einem Netzwerkmodell geklärt werden. Um solchen Fragestellungen überhaupt nachgehen zu können, war es notwendig, ein physiologienahes Modell zu entwickeln, in dem alle Teilnetzwerke möglichst direkt mit den zu beschreibenden Systemen der natürlichen Cochlea verbunden sind. Das ist im Rahmen der angestrebten eindimensionalen Modellmodellbildung recht gut für die passive Cochlea zu realisieren. Deutlich schwieriger wird die Modellierung bei Teilsystemen, deren Funktion gar nicht genau bekannt ist. Dazu zählen bereits die äußeren Haarzellen und die Art und Weise, wie sie ihre Schwingungsenergie auf die Basilarmembran übertragen. Die Modellierung muss in kreativer Weise vorhandene Kenntnisse berücksichtigen, aber auch Raum lassen für Teilsysteme, die weniger genau bekannt, aber aufgrund der mit dem Modell gefundenen Erkenntnisse notwendig sind, um die Funktion eines hochempfindlichen spektralen Analysators mit einem stabilen System nachbilden zu können. Mit dem Modell konnte gezeigt werden, dass der cochleäre Verstärker nur dann stabil funktionieren kann, wenn es aktive Zonen gibt, deren frequenzspezifische Verstärkung in basaler Richtung einen gewissen Abstand zum resultierenden charakteristischen Ort hat. Im Modell wurden dafür Elemente benutzt, die wir als Cortiresonatorquellen bezeichnen. Sie gehen zurück auf frühere Simulationen mit einem Finite-Elemente-Modell. Mit diesen Elementen konnte ein stabiler Betrieb erzielt werden und es konnten Tuningkurven eingestellt werden, die Messdaten von Säugern entsprechen. Eine weitere wesentliche Erkenntnis ergab sich aus der Simulation von spontanen otoakustischen Emissionen. Mit einem reinen Haarzellenmodell ergeben sich bei korrekter Einstellung der Tuningkurven deutlich zu große Emissionsamplituden. Erst durch das Einfügen eines zweiten nichtlinearen Elements (interpretiert als aktives Cilien-Haarbündel) lassen sich Amplituden der richtigen Größe erzeugen. Bestätigt wurde die Notwendigkeit von "rauen" Parameterverläufen, um überhaupt spontane Emissionen erzeugen zu können. Bestätigt wurde ferner die Anwesenheit von stehenden Wellen zwischen der Basis und den aktiven Zonen, die zu bestimmten Emissionsfrequenzen gehören. Hinzu kommen allerdings starke Wanderwellen im Bereich der charakteristischen Orte, die zu Emissionsfrequenzen gehören. In diesem Zusammenhang muss das Konzept der kohärenten Reflexionen erheblich modifiziert werden, weil die Rauigkeit nicht in direkter Weise zu solchen Reflexionen führt, sondern nur im Zusammenhang mit emittierenden Quellen, die durch die Rauigkeit an Stärke zunehmen. Alle durchgeführten Arbeiten beziehen sich ausschließlich auf das periphere Hörorgan. Ein auditives Modell der menschlichen Wahrnehmung konnte noch nicht erreicht werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• "A physiology-based auditory model elucidating the function of the cochlear amplifier and related phenomena. Part I: Model structure and computational method", International Congress on Acoustics, Montreal 2013, Proceedings of Meetings on Acoustics, Vol. 19, 050111 (2013), Acoustical Society of America
  Hudde, H., Becker, S.
  
• "A physiology-based auditory model elucidating the function of the cochlear amplifier and related phenomena. Part II: Model parameters and simulations", International Congress on Acoustics, Montreal 2013, Proceedings of Meetings on Acoustics, Vol. 19, 050112 (2013), Acoustical Society of America
  Becker, S., Hudde, H.
  
• (2014). "Einstellung des cochleären Verstärkers mit Cortiresonator, äußeren Haarzellen und aktiven Haarbündeln ", 40. Dtsch. Jahrestg. f. Akust., DAGA 2014, Oldenburg, 345-346
  Becker, S., Hudde, H.
  
• (2014). "Model analysis of spontaneous otoacoustic emissions", 21st International Congress on Sound and Vibration (ICSV21), Beijing, China, paper 25, 1-8
  Hudde, H., Becker, S.
  
• (2014). "Spontane otoakustische Emissionen werden durch aktive Haarbündel erzeugt ", 40. Dtsch. Jahrestg. f. Akust., DAGA 2014, Oldenburg, 343-344
  Hudde, H., Becker, S.