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Hearing sciences
Korean Journal of Audiology 1999;3(2):137-141.
Spread of Masking in the Single Auditory Nerve Fiber in Response to Two Tones
Dukhwan Lim, Sun O Chong, Chong Sun Kim, Ha Won Jung, Won Seok Yu, Ja Won Koo, Dong Young Kim
Department of Otolaryngology, College of Medicine, Seoul National University, Seoul, Korea
단일 청신경에서 Two Tone 자극에 대한 Masking 현상에 관한 연구
임덕환, 장선오, 김종선, 정하원, 유원석, 구자원, 김동영
서울대학교 의과대학 이비인후과학교실
Abstract

In sensorineural hearing loss, patients often reported the masking of desired target sounds due to other incoming frequency components. The aim of this study was to investigate the neurophysiological basis of this masking phenomenon in the peripheral auditory nervous system of an animal model. Single unit auditory nerve action potentials were analyzed in Hyla cinerea in response to two tone stimuli-one component with best excitatory frequency and the other one from the entire frequency range. Spike rates of low Best Excitatory Frequency (BEF) unit showed the suppression of the response to the BEF when the second tonal frequency above the BEF was presented together. This suppression was more pronounced as both intensities were raised systematically. Results showed that the tonal masking could occur even in the peripheral level of the auditory signal processing. The data also indicated the importance of both intensity and frequency relationships in tonal stimulus masking. These aspects should be carefully addressed to designing optimum signal processing strategy in hearing aids for sensorineural hearing loss where the spread of masking often deteriorates the speech intelligibility. 

Keywords: Auditory action potential;Masking;Two tone suppression;Tuning curve;Best excitatory frequency(BEF).
서론 감각신경성 난청의 경우에서 hearing aid가 적용되는 경우에 여러 가지 어려운 점들이 있다. 그 중의 한 가지는 음압이 증가 될 때, 흔히 저음에 의해서 고음이 차폐되는 현상이다. 이러한 경우에 환자는 소리는 듣지만 speech intelligibility에 상당한 장애를 느끼게 된다.8) 물론 이를 극복하기위한 여러 가지 방안들이 현재까지 제시되고 있으나, 근본적인 문제는 이러한 경우에 일어나는 차폐에 대한 감각신경생리학적인 기반이 충분하지 못하다는 것이다.3)6) 따라서 효과적인 hearing aid에서의 선택이나 음 신호처리방식 개발에 있어서 확고한 기준이 부재한 실정이다. 이러한 문제들은 우선적으로 차폐 현상에 대한 근본적인 이해에서부터 시작되어야 할 것이다. 이는 또한 청신경계에서 복합음 신호처리기전을 이해하는데 필수적인 자료중의 하나이다. 그러나 환자에게서 전기생리학적으로 단일 청신경들의 반응을 분석하기는 대단히 어렵다. 이러한 점들이 자연히 임상적으로 합당한 동물모델시스템에서 이러한 현상을 연구하는 방향을 제시하고 있다.9) 본 연구에서는 우선 이러한 점에 착안하여 두 가지 주파수성분이 존재할 때 청신경수준에서 일어날 수 있는 차폐현상을 단일청신경 반응을 통해서 조사하고자 한다. 현재 peripheral area나 central area중에서 어디서부터 차폐가 일어나는 지는 명확하지가 않다. 본 연구에서는 우선 청신경 수준에서 이러한 차폐가 일어나는지를 검사해보고자 하였다. 이를 위해서 청개구리(Hyla cinerea)의 단일 청신경을 excitatory tuning curve를 기록하여 분석하고 여기서 결정된 best excitatory frequency(BEF)를 중심으로 차폐현상의 가능성을 조사하였다. 그리고, 이 실험 결과를 두 자극음 크기의 증감과도 관련시켜서 분석하였다. 재료 및 방법 본 과제를 위한 실험장비의 구성은 음자극 발생 시스템과 단일 청신경전위를 측정하기 위한 시스템으로 이루어졌다(Fig. 1). 전산화된 음자극 합성 시스템을 이용하여 단일 순음 및 두가지 순음이 복합된 음자극들이 합성되었다.4) 동물 모델시스템으로 4∼9 gram의 male green treefrog(Hyla cinerea)가 사용되었다. 이러한 모델은 청각생리 및 언어와 관련된 현상을 연구하는데 여러 장점을 보여주는 우수한 시스템이다.2)7) Hyla cinerea는 sodium pentobarbital(60 mg/kg)로 마취되었다. 그리고 eighth cranial nerve가 ventral approach를 통해서 확인되고 기록준비 되었다. 청신경의 반응은 3M KCl로 채워진 미세유리전극을 이용해서 기록되었다. 이때 전극임피던스는 대략 30에서 70 MOhm을 유지하였다. 우선 단일청신경이 백색잡음에 의해서 확인되었고, 이후 단일청신경에서 순음에 대한 best excitatory frequency(BEF)와 excitatory threshold tuning curve가 결정되었다. 일정한 음압에서 우선 BEF를 고정시킨 후에 두번째 음을 전체 가청 주파수 영역에 걸쳐서 선택하여 동시에 가해주었다. 이 두음의 음압을 10, 20, 30, 40 dB씩 높인 후에, 앞의 동일한 과정을 반복하여서 음압의 크기와 차폐와의 상관관계를 분석하였다. 이때 두번째 음의 주파수 범위는 excitatory threshold tuning curve밖의 점들 까지 고려 하였다. 따라서 BEF 주위의 모든 가청주파수들을 분석에 포함시켰다. 모든 음자극은 AD/DA board(GW Inc)를 이용하여 50 kHz의 sampling frequency로 전산합성되었다. 아날로그 lowpass filter(Frequency Device, 901)의 출력 cutoff frequency는 20 kHz로 고정하였다. 미세전극을 통해서 기록되는 청신경의 활동전위는 그 발생시간이 window discriminator(WPI Inc, MOD121)와 동기되어 실험실에서 제작된 timing latch 회로로 연결되었다. 여기서 기록되는 청신경 활동전위는 그 발생시간 정보가 10 μsec 단위로 기록되어져서 분석을 위해서 컴퓨터로 보내졌다(Apple Inc, Mac). 음자극은 동물 고막주위에 coupler와 silicon grease를 이용해서 밀착되었다. Hyla cinerea의 고막에서의 음압은 attenuator(HP350D)를 사용하여 1 dB 단위로 조절되었다. 그리고 이 음압은 B & K condenser microphone(No.4134)를 통해서 기록되고, calibration되었다. 동물은 vibration isolation table에 고정되었고, sound isolation chamber(Newport Inc)내에서 실험되었다. 미세전극은 hydraulic microdrive(Stoeling, Inc)에 의해서 1 μm 단위로 조정되었다. 전체 실험과정을 통해서, 동물의 체온은 25℃ 정도를 유지하였다. 결과 마취된 동물에서 단일 청신경을 분리하고 그 청신경의 반응 특성을 나타내는 BEF, threshold, 및 각 음에 대한 spike rate를 측정하였다. 이 단일 청신경의 반응은 통계적으로 그 발생시기의 패턴이 동일한 자극에 대하여 간단한 형태의 deterministic process를 나타내지는 않았다. 동일하게 5번 반복된 자극에 대하여 단일 청신경에서 각각의 활동전위의 발생시간이 여러가지 패턴을 나타냈다(Fig. 2). 이때 동일한 음의 반복 자극에 대한 각각 반응에서 나타난 다양한 패턴을 통계적으로 처리하기 위하여 주어진 음자극 지속기간 동안의 평균 spike rate를 구하였다. 이 spike rates를 반응변수로 이용해서 단일청신경의 excitatory threshold tuning curve를 구하였다. 이때 구해진 excitatory threshold tuning curve는 “V”자 형태를 나타내었다(Fig. 3). 여기서 BEF는 430 Hz이고 threshold는 약 53 dB SPL를 나타내었다. 이 BEF는 모델의 가청영역중에서 저주파수 대역에 속하는 범위였고, 이 excitatory tuning curve는 tuning의 정밀도를 나타내는 첨예도가 1.86이었다(Q10=1.86). 여기서, BEF를 역치 BEF 음압보다 10 dB 더 높여서 그 주파수를 고정시킨후에, 두번째 음을 같은 음압 크기로 더하여 주었다. 이 두번째 음의 주파수는 모델의 가청영역을 모두 포함할 수 있도록 선택되었고, 그 주파수 변수는 일정한 간격으로 변화되었다. 이러한 방식으로 두음의 크기를 +10, 20, 30, 40 dB씩 더 높여서 동시에 음자극을 주고 이에 대한 단일 청신경의 spike rate를 구하였다(Fig. 4). 이때, 두번째 음이 BEF보다 높은 주파수 성분을 갖는 경우에는 이 음이 tuning curve 범위에서 벗어난 경우에도 BEF에 대한 청신경의 반응을 차폐하는 것을 볼 수가 있었다. 본 실험에 사용된 음자극 조건에 대하여 단일 청신경은 모두 낮은 BEF인 경우에 그 뚜렷한 차폐현상이 나타났으며(<600 Hz), 이때 해당 masker의 주파수는 모두 BEF보다 높은 주파수를 나타냈다. 이러한 차폐현상은 두음의 크기가 점차적으로 증가함에 따라서 더욱 크게 나타남이 확인되었다(Fig. 4). 이 경우에 모두 tuning curve밖의 높은 주파수성분들이 청신경의 tuning curve내에 포함된 BEF에 대한 반응을 상당히 부분 억제시키고 있었다. 즉, 결과적으로 단일 청신경이 가장 예민하게 반응하는 음성분인 BEF를 BEF 보다 높은 주파수 성분을 갖는 tuning curve밖의 음이 차단하고 있음이 확인되었다. 고찰 이번 실험에서 조사된 단일 청신경은 그 BEF 주파수 범위가 해당 동물 모델 시스템의 가청 영역중에서 낮은 주파수 영역에 속하였다. 이들 청신경세포들은 해부학적으로 모두 amphibian papilla에서 나온 청신경 세포들이라고 추정된다. 실험결과는 초기 단계인 청신경 수준에서 두 가지의 주파수 성분이 공존 할 때, 이미 차폐 현상들이 일어나고 있음을 보여주었다. 이러한 차폐현상은 두 자극음사이의 주파수 관계와 음압의 크기가 밀접하게 관계하고 있음을 알 수가 있었다. 이 실험에서 조사된 청신경의 경우에 가장 큰 영향을 미친 차폐주파수는 BEF보다 높은 주파수를 가지고 있었고, BEF보다 낮은 주파수에서는 차폐가 일어나지 않았다. 따라서 이 동물모델에서의 차폐가능범위는 masker 주파수가 BEF보다 큰 경우로 한정되었다. 그러나 다른 species에서는 이 주파수 범위가 다르게 나타날 수도 있으리라고 생각된다. 실험결과에서 나타난 이러한 차폐의 효과는 두 자극음의 크기가 점차적으로 크게 됨에 따라서 더욱 커지는 것으로 나타났다. 이는 음압의 강도가 커짐에 따라서 청신경 수준에서의 spread of masking 역할이 더욱 커짐을 시사하고 있는 것으로 볼 수 있다. 실지로 보청기 착용환자에게서 downward spread of masking이나 upward spread of masking과 같은 현상들이 오래 전부터 보고되어왔는데, 이러한 청신경 수준에서 확인된 현상을 고려하면 그 개선책을 찾을 수 있을 것으로 판단된다. 즉, matrix gain중에서 음압이 높은 영역에서는 이 spread of masking을 고려해서 emphasis와 deemphasis를 적절히 재 배치 해주면 speech intelligibility의 개선 효과가 클 것으로 생각된다. 이 실험에서 차폐현상에 관한 한가지 모델은 고음의 suppresssion으로 인한 저음의 강조가 나타나는 것으로 볼 수도 있을 것이다. 여기서, 이런 관계의 순차적인 반복이나 여러 청신경신호처리의 연결경로 때문에 발생하는 각 단계간의 상호 작용에 의해서 다 단계의 차폐현상이 만들어질 수도 있다.1)5) 결과적으로 모델 시스템 각 단계에서의 청신경 활동전위 분석에 의해서 이러한 차폐에 관계된 현상들을 보다 객관적으로 정량화하고 그 임상적인 개선책들에 관한 효과를 실험해 볼 수 있을 것이다. 이러한 결과는 차폐와 관련된 청각생리 뿐 아니라 감각신경성난청에 사용되는 hearing aid등과 같은 임상적인 면에도 도움을 줄 수가 있을 것이다. 결론 본 실험의 결과에서 순음간의 차폐현상은 그 시작이 peripheral auditory nerve 수준에서부터도 일어날 수 있다는 것이 전기 생리학적으로 확인되었다. 최종적인 행동반응으로 느껴지는 차폐는 종합적으로 이러한 peripheral auditory processing과 그 상위단계인 central auditory processing간의 서로 상호작용을 결과로 인하여 심화될 것으로 추정된다. 감각신경성 난청환자에게서 흔히 알려진 spread of masking 현상에 의한 speech intelligibility의 감소는 peripheral processing 단계에서의 기능감소에 의해서 peripheral pathway와 central pathway를 포함한 전체 신경전달 경로를 교란시킴으로 인해서 야기될 수 있다고 결론지어진다. 따라서 감각신경성난청 환자에게 적용하는 기존의 아날로그나 디지털 hearing aid의 경우에 이러한 점을 충분히 고려한 적절한 음성신호처리방식을 첨가하여 hearing aid의 효과를 극대화 할 수 있을 것이다. 그리고 이러한 감각신경과학적 자료에 근거한 차폐현상의 분석자료가 체계적으로 적립될 때, 관련 환자의 청력재활에 근본적인 도움을 줄 가능성이 높다고 판단된다.
REFERENCES
1) Bodnar DA, Bass AH. Midbrain combinatorial code for temporal and spectral information in concurrent acoustic signals. J Neurophysiol 1999;81:552-63. 2) Bodnar DA, Capranica RR. Encoding of phase spectra by the peripheral auditory system of the bullfrog. J Comp Physiol 1994;174:157-71. 3) Kiang NYS, Watanabe T, Thomas EC, Clark LF. Discahrge patterns of single fibers in the cat's auditory nerve. MIT Cambridge, 1965. 4) Lim D. Digitalized stimulus synthesis system for audiological evaluation. Korean J Otolaryngol 1999;42:816-9. 5) Lim D, Kim C. Emerging auditory response interactions to harmonic complexes in feld L of the zebra finch. Auris Nasus Larynx 1997;24:227-32. 6) Sachs MB, Kiang NYS. Two tone inhibition in auditory nerve fibers. J Acoust Soc Am 1968;43:1120-8. 7) Simmons AM, Buxbaum RC, Mirin MP. Perception of complex sounds by the green treefrog, Hyla cinerea: Envelope and fine-structure cues. J Comp Physiol 1993;173:321-7. 8) Stelmachowicz PG, Lewis DE, Carney E. Preferred hearing aid frequency responses in simulated listening environments. J Speech Hear Res 1994;37:712-9. 9) Viemeister NF. Intensity coding and the dynamic range problem. Hearing Research 1988;34:267-74.
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