36
Refractory Effects of the N1 EventRelated Potential in Experienced Cochlear 1 Implant Patients 2 Christopher D. CowperSmith 1 , Janet Green 1 , Heather Maessen 2 , 3 Manohar Bance 3 , & Aaron J. Newman 1,4 4 5 6 7 1. Department of Psychology, Dalhousie University, Halifax, Nova Scotia, 8 Canada 9 2. Nova Scotia Hearing and Speech Centers, Halifax, Nova Scotia, Canada 10 3. Division of Otolaryngology, Capital Health District. Department of Surgery, 11 School of Human Communication Disorders, and School of Biomedical 12 Engineering, Dalhousie University, Halifax, Nova Scotia 13 4. Departments of Psychiatry, Surgery (Division of Otolaryngology), and 14 Pediatrics (Division of Neurology), Dalhousie University, Halifax, Nova Scotia 15 16 This research was funded by the Nova Scotia Health Research Foundation. AJN was 17 supported by the Canada Research Chairs program. CCS was supported by a CGS 18 Scholarship from Canadian Institutes of Health Research. 19 20 21 22 IN PRESS — INTERNATIONAL JOURNAL OF AUDIOLOGY 23 DOI: 10.3109/14992027.2012.743044 24 25 26 For Correspondence: 27 Aaron J. Newman 28 Department of Psychology 29 Box 15000 30 Dalhousie University 31 Halifax, NS B3H 4R2 32 Canada 33 Tel: +19024946959 34 Email: [email protected] 35 36

1 Refractory*Effectsof*the*N1*Event2Related*Potential ... · 1" Refractory*Effectsof*the*N1*Event2Related*Potential*inExperienced*Cochlear* 2" Implant*Patients* " " 3" ChristopherD."Cowper0Smith1,JanetGreen1,HeatherMaessen2,"

Embed Size (px)

Citation preview

Refractory  Effects  of  the  N1  Event-­‐Related  Potential  in  Experienced  Cochlear  1  Implant  Patients  2  

   

Christopher  D.  Cowper-­‐Smith1,  Janet  Green1,  Heather  Maessen2,    3  Manohar  Bance3,  &  Aaron  J.  Newman1,4  4  

 5    6    7  

1.  Department  of  Psychology,  Dalhousie  University,  Halifax,  Nova  Scotia,  8  Canada  9  

2.  Nova  Scotia  Hearing  and  Speech  Centers,  Halifax,  Nova  Scotia,  Canada  10  

3.  Division  of  Otolaryngology,  Capital  Health  District.  Department  of  Surgery,    11  School  of  Human  Communication  Disorders,  and  School  of  Biomedical  12  Engineering,  Dalhousie  University,  Halifax,  Nova  Scotia  13  

4.  Departments  of  Psychiatry,  Surgery  (Division  of  Otolaryngology),  and  14  Pediatrics  (Division  of  Neurology),  Dalhousie  University,  Halifax,  Nova  Scotia  15  

 16  

This  research  was  funded  by  the  Nova  Scotia  Health  Research  Foundation.  AJN  was  17  supported  by  the  Canada  Research  Chairs  program.  CCS  was  supported  by  a  CGS  18  Scholarship  from  Canadian  Institutes  of  Health  Research.  19    20    21    22  IN  PRESS  —  INTERNATIONAL  JOURNAL  OF  AUDIOLOGY  23  DOI:  10.3109/14992027.2012.743044  24    25    26  

For  Correspondence:  27  Aaron  J.  Newman  28  Department  of  Psychology  29  Box  15000  30  Dalhousie  University  31  Halifax,  NS    B3H  4R2  32  Canada  33  Tel:  +1-­‐902-­‐494-­‐6959  34  E-­‐mail:  [email protected]  35  

36  

Auditory  Refractory  Period  in  Cochlear  Implant  Patients  

2  

 

Abstract  37    38  

Objective:   To   determine   if   CI   patients   exhibit   a   temporal   processing   deficit   for  39  auditory   stimuli,   by   examining   refractory   effects   of   the  N1   event-­‐related  potential  40  (ERP)  component.  41  

Design:  Cochlear  implant  patients  and  normally  hearing  controls  were  tested  in  an  42  auditory  refractory  period  paradigm  while  ERP  recordings  were  collected  across  the  43  scalp.  Participants  were  presented  with  brief  500  Hz  tones  that  were  separated  by  44  inter-­‐stimulus   intervals   (ISIs)   of   500,   1000,   or   3000  ms.   The   amplitude   of   the  N1  45  was  examined  as  a  function  of  ISI  within  each  group.    46  

Study  Sample:  Ten  adult  CI  patients  and  13  age-­‐matched  normally  hearing  controls  47  were  tested.  Patients  had  long-­‐lasting  severe  or  profound  sensorineural  hearing  loss  48  prior  to  implantation,  and  a  minimum  of  2  years  experience  with  CI  activation.    49  

Results:  Unlike  normally  hearing  controls,  CI  users  showed  no  refractory  effect  for  50  tones  at  500  ms  ISIs  compared  to  1000  ms.  However,  similar  to  controls,  recovery  51  from  refractoriness  was  observed  in  anterior  locations  at  3000  ms.    52  

Conclusion:  The  refractory  period  threshold,  defined  as  the  minimum  ISI  where  53  different  N1  amplitudes  are  elicited,  is  greater  than  1000ms  in  CI  patients;  at  least  54  double  that  of  normally  hearing  controls.    55    56    57    58    59    60    61    62    63    64  Keywords:  Cochlear  Implant,  EEG,  hearing  loss,  auditory  evoked  potential  (AEP),  65  auditory  refractory  period  66    67  Acronyms  &  Abbreviations:  cochlear  implants  (CIs);  elecroencephalography  68  (EEG);    event  related  potentials  (ERPs);  late  auditory  evoked  potential  (LAER);  69  hearing  in  noise  test  (HINT);  inter-­‐stimulus-­‐interval  (ISI);  independent  components  70  analysis  (ICA);  linear  mixed  effects  (LME)  71    72    73  

Auditory  Refractory  Period  in  Cochlear  Implant  Patients  

3  

 

The  current  most  effective  rehabilitative  option  for  severe  to  profound  74  

sensorineural  hearing  loss,  and  some  forms  of  auditory  neuropathy  is  surgical,  using  75  

cochlear  implants  (CIs)  (Isaacson,  2010).  The  success  of  CI  treatment  remains  highly  76  

variable,  and  is  affected  by  many  variables  including  the  level,  laterality,  and  77  

duration  of  hearing  loss.  Following  deafness  greater  than  4  years,  adults  treated  78  

with  CIs  often  exhibit  only  moderate  improvements  in  speech  comprehension,  79  

which  typically  plateau  within  1  year  of  implantation,  and  thereafter  remain  80  

independent  of  the  duration  of  CI  experience.  Improvements  in  speech  81  

comprehension  that  do  occur  are  better  for  closed-­‐set  (constrained)  tasks,  and  82  

worse  for  open-­‐set  task  performance  (for  review,  see  Peterson  et  al.  2010).  83  

The  limited  capacity  for  speech  comprehension  improvements  in  CI  recipients  with  84  

prior  long-­‐term  deafness  may  arise  from  deprivation  and/or  nonuse  of  the  auditory  85  

cortex  (cf.  Kral  et  al.  2007).  Prolonged  lack  of  auditory  stimulation  may  lead  to  86  

reduced  responsiveness  and  less  precise  tuning  of  neural  responses  to  sound.  As  87  

well,  some  evidence  suggests  takeover  of  auditory  association  cortices  by  visual  88  

processing,  at  least  in  the  case  of  congenital  deafness  (Buckley  et  al.  2011;  Lomber  89  

et  al.  2010).  Either  or  both  of  these  phenomena  could  contribute  to  less-­‐than-­‐ideal  90  

outcomes  of  cochlear  implantation  in  deaf  adults.  91  

One  contributor  to  speech  comprehension  deficits  in  CI  users  might  be  reduced  92  

temporal  acuity,  since  speech  comprehension  depends  on  the  ability  to  represent  93  

rapidly  changing  sequences  of  sound.  Consistent  with  temporal  processing  deficits,  94  

Auditory  Refractory  Period  in  Cochlear  Implant  Patients  

4  

 

unilateral  CI  users  exhibit  increased  gap  detection  thresholds  (e.g.  Garadat  et  al.  95  

2011),  reflecting  difficulty  in  detecting  brief  acoustic  transients.  In  addition,  bilateral  96  

CI  users  appear  to  depend  on  interaural  level  rather  than  interaural  time  differences  97  

in  sound  localization  tasks,  suggesting  that  temporal  cues  are  not  effectively  98  

transmitted  or  used  (Aronoff  et  al.  2010).  Finally,  many  CI  recipients  exhibit  a  99  

reduced  ability  to  detect  changes  in  stimulus  duration,  as  well  as  stimulus  frequency  100  

and  intensity  (Sandmann  et  al.  2010).    101  

A  well-­‐established  approach  for  studying  the  time  course  of  cortical  responses  to  102  

auditory  information  is  to  measure  event-­‐related  potentials  (ERPs),  which  are  the  103  

summed  electrical  potentials  of  large  fields  of  coherently-­‐activated  neurons  as  104  

recorded  from  the  scalp.  One  component  of  this  is  the  so-­‐called  late  auditory  evoked  105  

response  (LAER).  The  LAER  is  a  complex  of  3  components,  P1-­‐N1-­‐P2,  which  peak  in  106  

healthy  adults  at  approximately  50,  100,  and  200  ms  after  an  onset,  change  (e.g.  of  107  

frequency  or  intensity),  or  offset  of  an  auditory  stimulus  (Martin  et  al.  2008;  Woods  108  

1995).  Modulation  of  LAER  amplitude  and  latency  occurs  as  a  function  of  stimulus  109  

intensity,  frequency,  and  duration  in  normally  hearing  adults  (Rosburg  et  al.  2002;  110  

Woods  1995).  The  LAER  is  also  thought  to  critically  underlie  mechanisms  111  

responsible  for  normal  speech  perception,  and  it  is  reliably  elicited  and  modulated  112  

by  acoustic  changes  in  naturally  occurring  speech  sounds  (Martin  et  al.  2008).  113  

Moreover,  auditory  neuropathy  patients  (who  exhibit  speech-­‐comprehension  114  

deficits  that  are  disproportionately  large  when  compared  to  their  absolute  pure-­‐115  

Auditory  Refractory  Period  in  Cochlear  Implant  Patients  

5  

 

tone  hearing  loss),  exhibit  entirely  absent  or  distorted  LAERs  as  a  consequence  of  116  

disrupted  neural  synchrony  (Cowper-­‐Smith  et  al.  2010).  117  

In  an  effort  to  understand  speech-­‐comprehension  deficits  following  cochlear  118  

implantation,  several  groups  have  investigated  the  LAER  in  CI  users  (e.g.  Gilley  et  al.  119  

2008;  Hoppe  et  al.  2001;  Sandmann  et  al.  2010;  Sharma  et  al.  2007;  Zhang  et  al.  120  

2010).  Although  CI  users  may  demonstrate  similar  modulations  of  the  LAER  by  121  

stimulus  intensity  and  frequency  changes  (Hoppe  et  al.  2001),  their  responses  tend  122  

to  be  reduced  in  amplitude  and  increased  in  latency  (relative  to  normally-­‐hearing  123  

people;  Ponton  et  al.  2001;  Sharma  et  al.  2005),  an  effect  that  is  consistent  with  124  

reduced  or  slowed  neural  responsiveness  to  modulations  in  sound  stimuli.    125  

One  aspect  of  the  neural  response  to  sound  that  has  not  been  extensively  126  

investigated  is  refractoriness  in  CI  users.  The  amplitude  of  the  P1-­‐N1-­‐P2  complex,  127  

and  particularly  the  N1,  is  monotonically  reduced  with  declining  interstimulus  128  

intervals  (ISI)  when  brief,  consecutive  auditory  stimuli  are  presented  (Budd  et  al.  129  

1998;  Coch  et  al.  2005;  Friesen  &  Picton,  2010;  Martin  et  al.  2008;  Woods  1995).  The  130  

decline  in  N1  amplitude  with  decreasing  ISIs  appears  to  be  closely  related  to  131  

behavioral  thresholds  for  the  detection  of  distinct  stimuli  at  short  ISIs;  below  the  ISI  132  

where  two  distinct  stimuli  can  be  discriminated,  no  N1  is  observed  for  the  second  133  

stimulus  (Coch  et  al.  2005;  Fitzpatrick  et  al.  1999).  Budd  et  al.  (1998)  showed  that  134  

the  modulation  of  N1  amplitude  by  ISI  is  more  consistent  with  refractoriness  than  135  

with  habituation.  As  such,  this  N1  effect  reflects  “temporal  limitations  inherent  in  136  

Auditory  Refractory  Period  in  Cochlear  Implant  Patients  

6  

 

the  physiochemical  mechanisms  underlying  N1  generation”  (Budd  et  al.,  1998,  p.  137  

52),  and  not  habituation  to  specific  stimulus  characteristics  that  may  be  138  

counteracted  by  an  orienting  response  to  a  novel  stimulus.  Moreover,  while  N1  139  

latency  may  be  related  to  the  speed  of  the  onset  of  neural  processing,  the  refractory  140  

period  effect  represents  a  different  measure  of  the  speed  of  neural  responsiveness,  141  

related  to  how  quickly  the  system  can  recover.  It  is  reasonable  to  expect  that  this  142  

speed  of  recovery  is  critical  to  the  processing  of  tightly-­‐spaced  temporal  acoustic  143  

cues,  such  as  speech  perception.  As  such,  it  is  of  interest  whether  CI  users  show  144  

extended  refractory  responses.  145  

Previous  work  has  investigated  refractory  effects  in  the  auditory  responses  of  CI  146  

users.  Zhang  et  al.,  (2009)  demonstrated  a  non-­‐linear  recovery  function  of  the  LAEP  147  

in  CI  users;  in  contrast,  young  healthy  controls  showed  a  linear  pattern  of  recovery  148  

where  increasing  ISI  was  associated  with  larger  N1-­‐P2  amplitudes.  This  result  is  149  

consistent  with  the  disruption  of  refractory  effects  in  auditory  cortex  of  CI  users.  150  

Zhang  et  al.,  (2010)  subsequently  reported  refractory  effects  on  the  N1-­‐P2  complex  151  

in  CI  users  using  trains  of  stimuli  separated  by  700  ms,  which  were  more  152  

pronounced  in  those  with  higher  speech  comprehension  scores.  Finally,  Friesen  and  153  

Picton  (2010)  showed  that  CI  users’  N1-­‐P2  complexes  exhibit  refractory  effects  at  154  

500  ms  ISI  relative  to  3000  ms  ISI.  However,  none  of  these  studies  compared  CI  155  

users  to  age-­‐matched  normally  hearing  controls.  Furthermore,  although  Zhang  et  al.  156  

(2009)  examined  the  LAEP  across  several  different  levels  of  ISI,  they  only  reported  157  

Auditory  Refractory  Period  in  Cochlear  Implant  Patients  

7  

 

data  from  a  single  electrode  location  (Cz),  and  used  ISIs  that  were  700  ms  or  longer.  158  

Consequently,  it  remains  unclear  whether  CI  users’  LAER  responses  have  a  different  159  

“time  constant”  of  recovery  for  shorter  ISIs  (which  might  be  particularly  important  160  

for  speech  sounds)  that  relates  to  their  poorer  temporal  acoustic  processing,  and  if  161  

so,  whether  this  is  true  across  multiple  electrode  locations.    162  

In  the  present  study  we  therefore  examined  the  distribution  and  amplitude  of  the  163  

N1  component  of  the  LAER  as  a  function  of  auditory  ISI  in  a  group  of  experienced  CI  164  

users  (>  2  years  with  an  activated  implant),  compared  to  normally  hearing  controls.  165  

Our  analyses  focused  on  the  N1,  because  it  is  a  sensitive  measure  of  temporal  166  

processing  and  stimulus  detection,  and  is  the  most  reliably  elicited  component  of  167  

the  LAER  by  an  auditory  stimulus  onset  in  both  normally-­‐hearing  adults  and  CI  168  

patients  with  high  open-­‐set  speech  comprehension  (Hoppe  et  al.  2001;  Martin  et  al.  169  

2008;  Schmidt  et  al.  2005).  Given  evidence  for  slower  temporal  responses  and  170  

impaired  temporal  processing  of  acoustic  stimuli  in  CI  users,  we  predicted  that  CI  171  

users  would  show  increased  refractoriness  of  the  N1  (i.e.,  less  recovery  of  N1  172  

amplitude  at  short  ISIs)  compared  with  normally-­‐hearing  people.  Such  a  finding  173  

would  be  consistent  with  auditory  temporal  processing  deficits  in  CI  users.  174  

Methods  175  

Participants    176  

Ten  adult  unilateral  CI  users  (mean  age  =  47,  ranging  from  22  to  69)  and  14  177  

approximately  age-­‐matched  control  subjects  (mean  age  =  42,  ranging  from  22  to  66)  178  

Auditory  Refractory  Period  in  Cochlear  Implant  Patients  

8  

 

with  normal  or  corrected-­‐to-­‐normal  vision  were  tested.  All  controls  and  10  of  11  179  

patients  were  right  handed  (Oldfield,  1971).  Participants  reported  no  history  of  180  

developmental,  neurological,  or  psychiatric  disorders  (other  than  hearing  loss  in  the  181  

CI  group).  Patients  had  a  minimum  of  2  years  of  experience  with  an  activated  CI  182  

(mean  experience  =  6.1  years,  ranging  from  2  to  11  years),  and  all  had  experienced  183  

chronic  severe  or  profound  sensorineural  hearing  loss  prior  to  implantation.  184  

Patients’  mean  time  since  their  subjective  onset  of  hearing  loss  was  31.2  years,  185  

(ranging  from  15–49  years),  while  the  mean  time  since  the  onset  of  profound  186  

hearing  loss  was  19  years  (ranging  from  1–49  years),  although  for  some  or  all  of  this  187  

time,  most  patients  used  some  form  or  forms  of  hearing  aid.  When  hearing  outcomes  188  

were  considered  at  a  plateau  by  their  audiologist,  CI  users  were  tested  for  open-­‐set  189  

speech  comprehension  using  the  Hearing  in  Noise  Test  (HINT;  Nilsson  et  al.  1994).  190  

Individual  background  information  for  each  patient  is  provided  in  Table  1.  All  191  

participants  gave  written,  voluntary  consent.  Participants  were  compensated  $20.00  192  

for  their  participation.  This  study  was  approved  by  the  Capital  District  Health  193  

Authority  (CDHA)  Research  Ethics  Board.  194  

Stimuli  195  

Stimuli  were  500  Hz  tones  (standards)  and  a  spoken  syllable,  /ba/  (targets;  196  

recorded  from  a  male  voice).  All  stimuli  were  50ms  in  duration  and  were  presented  197  

as  bursts  without  onset  or  offset  ramps;  the  speech  syllable  was  trimmed  and  198  

compressed  slightly  to  shorten  it  to  50  ms.  199  

Auditory  Refractory  Period  in  Cochlear  Implant  Patients  

9  

 

Stimulus  Delivery  200  

The  stimulus  presentation  program  was  built  in  Matlab  software  using  the  201  

Psychophysics  toolbox  (Brainard  1997).  Auditory  stimuli  were  delivered  free-­‐field  202  

from  speakers  mounted  on  either  side  of  the  television  screen.  Sounds  were  203  

presented  at  each  subject’s  most  comfortable  listening  level  (MCL),  which  ranged  204  

between  50  and  60  dB  SPL,  and  was  determined  based  on  participant  feedback.  205  

Although  we  allowed  a  small  range  of  intensity  levels  to  ensure  participants  could  206  

hear  the  stimuli,  we  were  not  concerned  that  stimulus  intensity  would  affect  the  207  

amplitude  of  the  N1  based  on  recent  work  demonstrating  that  the  amplitude  of  the  208  

N1  response  is  not  systematically  varied  by  stimulus  intensity  between  30  and  80  209  

dB  SPL  (Czarniak,  2012).  This  procedure  was  successfully  employed  in  recent  210  

studies  examining  refractory  effects  in  CI  users  (Friesen  &  Picton,  2010;  Zhang  et  al.,  211  

2010).  212  

Protocol  213  

Participants  were  seated  in  a  sound-­‐attenuating  booth,  centered  approximately  110  214  

cm  away  from  a  46”  Samsung  LN46A650  LCD  television  screen.  Participants  were  215  

instructed  to  maintain  visual  fixation  on  a  centrally  presented  fixation  cross  (0.5  216  

visual  degrees  in  height  and  width)  while  listening  to  the  auditory  stimuli.  A  total  of  217  

550  stimuli  were  presented  in  a  single,  continuous  stimulus  train  during  the  218  

experiment;  500  of  these  (91%)  were  standards  (tones),  while  the  other  50  (9%)  219  

were  targets  (syllables).  Of  the  500  standards,  only  450  were  used  in  the  LAER  220  

Auditory  Refractory  Period  in  Cochlear  Implant  Patients  

10  

 

analysis;  the  trials  that  immediately  followed  each  target  (50  in  total)  were  221  

discarded  to  ensure  that  any  responses  evoked  by  the  syllabic  stimuli  did  not  affect  222  

the  data  used  in  the  LAER  analysis.  The  ISI  between  each  pair  of  tones  was  223  

randomized.  Of  the  450  standards  used  in  the  LAER  analysis,  150  were  preceded  by  224  

each  ISI  (500,  1000,  and  3000  ms);  the  tones  following  targets  were  all  preceded  by  225  

a  1000  ms  ISI.  Targets  were  preceded  by  equal  numbers  of  each  of  the  three  ISIs.  226  

Participants  were  instructed  to  respond  to  the  target  stimuli  (the  syllable  /ba/)  as  227  

quickly  and  accurately  as  possible  by  pressing  a  button  on  a  gamepad  with  their  228  

right  hand.  While  refractory  effects  on  the  LAER  can  be  obtained  in  the  absence  of  229  

attention  (Friesen  &  Picton,  2010),  we  reasoned  that  the  directing  attention  to  the  230  

stimuli  would  serve  to  amplify  the  evoked  neural  responses.  231  

Data  Collection  and  Preprocessing  232  

EEG  Recording.  Two  types  of  EEG  caps  were  used  for  collection  of  ERP  data:  a  60-­‐233  

channel  Electro-­‐Cap  International  (ECI;  Ohio)  system  and  a  66-­‐channel  Advanced  234  

Neuro  Technology  (ANT;  Enschende,  The  Netherlands)  system.  This  was  235  

necessitated  by  a  failure  of  some  ANT  caps  partway  through  the  data  collection  236  

phase  of  our  study;  all  other  data  collection  equipment  (amplifiers,  recording  237  

computers,  etc.)  was  held  constant  across  all  participants.  A  total  of  4  patients  and  6  238  

controls  were  run  with  the  ECI  caps,  while  the  remaining  6  patients  and  8  controls  239  

were  run  with  the  ANT  caps.  The  two  recording  caps  had  56  electrode  positions  in  240  

common;  only  these  electrode  positions  (shown  in  Figure  1)  were  used  in  the  241  

Auditory  Refractory  Period  in  Cochlear  Implant  Patients  

11  

 

analyses.  While  we  did  not  expect  that  the  choice  of  cap  would  affect  data  quality,  242  

we  note  that  since  roughly  equal  numbers  of  people  in  each  group  were  run  with  243  

each  cap  type,  any  differences  should  not  contribute  to  any  observed  within-­‐  or  244  

between-­‐group  differences.  245  

For  each  participant,  it  was  not  possible  to  record  EEG  from  some  electrodes  due  to  246  

interference  from  the  CI  transducer;  data  from  these  electrodes  were  interpolated  247  

during  post-­‐processing  (see  below).  Electrodes  were  also  placed  above  and  below  248  

the  left  eye  and  on  the  outer  canthi  of  both  eyes  to  monitor  for  ocular  artifacts.  The  249  

EEG  was  sampled  and  digitized  at  a  rate  of  256  Hz  using  a  ANT  model  Refa8-­‐64  250  

amplifier,  amplified  by  a  factor  of  20,  lowpass  filtered  at  69.12  Hz  and  recorded  on  a  251  

computer  (Dell  Inspiron  6000)  using  ASA  Recorder  software  (ANT).    252  

Insert  Figure  1  about  here  253  

Offline,  EEG  data  were  digitally  filtered  using  a  finite  impulse  response  filter,  first  254  

with  a  high  pass  cutoff  of  0.5Hz  and  then  with  a  low  pass  cutoff  of  40Hz  in  EEGLAB  255  

Version  9.02  (Delorme et al. 2004).  Continuous  EEG  data  was  segmented  into  256  

epochs  that  started  250  ms  prior  to,  and  lasted  600ms  after,  each  stimulus  tone  257  

(speech  syllables  were  used  as  targets  for  the  purpose  of  maintaining  subjects’  258  

attention  to  the  stimuli,  but  ERP  to  these  were  not  of  interest  in  this  study).  Epochs  259  

in  which  excessive  noise  artifact  was  observed  were  semi-­‐automatically  identified  260  

(using  a  maximum  peak-­‐to-­‐peak  amplitude  threshold  tailored  to  each  participant’s  261  

dataset,  combined  with  visual  inspection)  and  removed  from  subsequent  analyses.  262  

Auditory  Refractory  Period  in  Cochlear  Implant  Patients  

12  

 

Data  were  next  submitted  to  independent  component  analysis  (ICA)  in  EEGLAB  263  

(Delorme  &  Makeig,  2004).  Components  identified  in  ICA  that  contained  CI  artifact,  264  

ocular  artifacts,  or  noise  isolated  to  a  single  electrode  were  identified  and  265  

subsequently  removed.  As  described  previously,  ICA  effectively  removes  CI  artifact  266  

in  ERP  data  with  no,  or  minimal,  residual  artifact  (Castaneda-­‐Villa  &  James,  2008;  267  

Debener  et  al.  2008;  Gilley,  Sharma  &  Dorman,  2008;  Martin,  2007;  Viola  et  al.,  2011;  268  

Zhang  et  al.  2010).  Viola  et  al.  (2011)  further  showed  that  removal  of  CI  artifact  does  269  

not  distort  the  cortical  ERPs.  It  is  also  worth  noting  that  even  if  any  residual  CI  270  

artifact  had  remained  in  our  data,  its  effects  would  be  negligible  due  to  the  design  of  271  

the  study:  we  compared  within-­‐subjects  differences  in  the  amplitude  of  the  N1  LAER  272  

component  between  identical  acoustic  stimuli  that  varied  only  in  their  ISI.  Thus,  as  273  

Friesen  &  Picton  (2010)  demonstrated,  CI  artifacts  will  cancel  out  in  such  274  

subtractions  since  they  are  highly  stable  across  repetitions  of  the  same  stimuli.  275  

Statistical  Analysis  276  

N1  ERP  data  were  extracted  as  an  adaptive  mean  amplitude,  calculated  from  an  277  

average  of  7  data  points  centered  on  the  peak  amplitude  value  (i.e.  3  samples  before  278  

and  3  samples  after  the  peak  value  were  included)  within  a  70–140  ms  time  window  279  

following  stimulus  presentation.  This  time  window  was  chosen  based  on  the  timing  280  

of  the  N1  in  the  previous  literature,  as  well  as  visual  inspection  of  the  ERP  281  

waveforms.  282  

Auditory  Refractory  Period  in  Cochlear  Implant  Patients  

13  

 

These  data  were  extracted  for  each  trial,  at  each  electrode,  from  each  participant  283  

and  submitted  to  linear  mixed  effects  (LME)  modelling  (Baayen  et  al.  2008;  Pinheiro  284  

et  al.  2000)  using  the  function  lmer()  from  the  lme4  library  in  R  version  2.10  285  

(http://www.R-­‐project.org).  LME  is  a  relatively  recent  approach  in  computational  286  

statistics  based  on  restricted  maximum-­‐likelihood  estimation.  The  use  of  LMER  for  287  

EEG  data  analyses  was  promoted  by  Bagiella,  Sloan,  &  Heitja  (2000),  and  has  been  288  

applied  recently  by  our  own  lab  (Newman  et  al.  2011)  and  several  other  groups.  289  

LME  models  are  a  form  of  the  general  linear  model  including  both  fixed  effects  and  290  

random  effects  parameters.  LME  modeling  offers  several  advantages  over  more  291  

traditional  GLM  approaches  (Baayen  et  al.  2008;  Bagiella  et  al.  2000;  Pinheiro  and  292  

Bates  2000),  which  deal  appropriately  with  unbalanced  data,  missing  data,  and  non-­‐293  

sphericity,  and  increase  the  accuracy  and  generalizability  of  the  parameter  294  

estimates.  For  a  detailed  discussion  of  the  advantages  of  LME  modelling  in  ERP  data  295  

analysis,  please  see  Newman  et  al.  (2011)  and  Bagiella  et  al.  (2000).    296  

Identification  of  the  optimal  mixed-­‐effects  model  was  performed  for  the  dependent  297  

measure  N1  amplitude  through  a  series  of  iterative  tests  in  which  progressively  298  

simpler  models  were  systematically  compared  to  more  complex  models  using  log-­‐299  

likelihood  ratio  testing  (Baayen,  et  al.,  2008;  Pinheiro  &  Bates,  2000).  Starting  with  300  

the  most  sophisticated  mixed-­‐effects  model  (including  the  interaction  among  all  301  

fixed  effects,  and  all  lower-­‐order  interactions),  interactions  that  did  not  explain  a  302  

significant  amount  of  variance  were  removed  in  a  stepwise  manner,  one  at  a  time.  A  303  

Auditory  Refractory  Period  in  Cochlear  Implant  Patients  

14  

 

simpler  model  (i.e.  which  excluded  a  non-­‐significant  interaction  from  the  previous  304  

model)  was  accepted  if  the  log-­‐likelihood  test  did  not  reveal  a  significant  difference  305  

between  the  next-­‐most  complex  model.  This  process  continued  until  the  simplest  306  

model  was  identified,  defined  as  the  model  that  had  the  fewest  factors  and  307  

interactions,  while  accounting  for  more  variance  than  the  next  less-­‐complex  model.  308  

This  process  was  first  conducted  for  the  random  effects  structure  of  the  model,  then  309  

for  the  fixed  effects  structure.  Using  the  simplest  model,  potential  main  effects  and  310  

interactions  were  examined  using  F  tests.  Significant  interactions  were  further  311  

analyzed  using  polynomial  contrast  sets.  Denominator  degrees  of  freedom  (df)  were  312  

calculated  as  the  number  of  data  points  minus  the  number  of  degrees  of  freedom  313  

used  up  by  the  fixed  effects  and  the  number  of  random  effects  in  the  model.  This  314  

allowed  the  use  of  lower-­‐bound  probability  values.    315  

Target  detection  accuracy  data  was  analyzed  using  generalized  linear  mixed  316  

modeling,  as  implemented  in  the  glmm()  function  in  R,  using  the  logit  link  function  317  

to  assume  the  variance  follows  a  binomial  distribution  (Faraway,  2006).  This  is  a  318  

form  of  logistic  regression  using  maximum  likelihood  estimation  as  in  LME.  LMER  319  

was  used  to  compare  reaction  time  (RT)  data  between  groups  and  across  each  level  320  

of  ISI,  using  the  same  procedures  described  for  the  ERP  data  above.    321  

Auditory  Refractory  Period  in  Cochlear  Implant  Patients  

15  

 

Results  322  

Behavioral  Data  323  

The  optimal  generalized  linear  mixed  model  for  the  accuracy  data  included  both  324  

fixed  effects  factors  Group  and  ISI,  and  a  random  effects  structure  that  accounted  for  325  

subject-­‐specific  variance  at  each  level  of  ISI.  Accuracy  was  significantly  better  in  the  326  

control  group  compared  to  CI  users,  z  =  -­‐2.02,  p  <  .05.  327  

The  optimal  LMER  model  for  RT  data  included  both  fixed  effects  factors,  Group  and  328  

ISI,  and  random  effects  for  subjects.  There  was  a  significant  interaction  between  329  

group  and  ISI,  F(2,664)  =  3.5,  p  <  .05,  although  there  were  neither  main  effects  of  group,  330  

F(1,664)  =  0.83  p  =  .36,  nor  ISI,  F(1,664)  =  1.83,  p  =  .16.  Investigation  of  the  interaction  331  

with  post  hoc  tests  did  not  reveal  significant  differences  between  the  groups  for  any  332  

ISI.  Rather,  the  interaction  appeared  to  stem  from  the  fact  that  for  normally  hearing  333  

controls,  RTs  were  reliably  slower  at  the  3000  ms  ISI  than  at  either  the  1000  ms,  t=  334  

2.5,  p  <  .01,  or  500  ms,  t  =  2.74,  p  <  .01,  ISIs.  335  

ERP  Data  336  

The  tones  reliably  elicited  P1-­‐N1-­‐P2  components  in  both  normally  hearing  controls  337  

and  CI  users.  Figure  2  shows  the  group-­‐average  LAERs  for  controls  and  CI  users  at  338  

the  6  midline  electrodes,  where  the  N1  component  was  largest.  In  controls,  these  339  

plots  revealed  pronounced  N1  effects  across  all  levels  of  ISI  at  anterior  electrode  340  

sites  (Fz,  FCz,  Cz,  and  CPz),  a  relatively  diminished  N1  at  Pz  and  little  or  no  N1  at  the  341  

most  posterior  electrode,  POz.  The  distribution  of  the  N1  at  each  ISI  is  also  shown  in  342  

Auditory  Refractory  Period  in  Cochlear  Implant  Patients  

16  

 

the  topographical  scalp  maps  in  Figure  3.    In  CI  users,  the  amplitude  of  the  N1  was  343  

reduced  overall,  relative  to  controls.  These  differences  can  be  seen  in  the  right-­‐hand  344  

panels  of  Figures  2  and  3.  Figure  2  also  shows  evidence  of  refractoriness:  the  N1  345  

(and  P2)  was  largest  for  the  3000  ms  ISI,  and  smaller  for  the  shorter  ISIs.  346  

Insert  Figure  2  about  here  347  

Insert  Figure  3  about  here  348  

Our  initial  analysis  was  conducted  across  all  scalp  electrodes.  Electrodes  were  349  

grouped  into  9  regions  of  interest  arranged  in  a  3  X  3  grid  over  the  scalp,  which  was  350  

parameterized  as  two  fixed-­‐effect  factors  in  the  LME  analysis,  left–right  (Left–Right)  351  

and  anterior–posterior  (Ant–Post).  We  also  included  as  fixed  effects  the  factors  352  

group  (control  or  patient)  and  inter-­‐stimulus  interval  (ISI).    The  optimal  LME  model,  353  

based  on  log-­‐likelihood  ratio  testing,  included  all  four  independent  factors  (Group,  354  

ISI,  AP,  &  Left–Right)  and  a  random  effects  structure  that  included  subject-­‐specific  355  

slopes  for  AP,  Left–Right,  and  ISI.  The  4-­‐way  Group  X  ISI  X  Ant–Post  X  Left–Right  and  356  

3-­‐way  Group  X  ISI  X  Left–Right  interactions  did  not  explain  significant  amounts  of  357  

variance  and  so  were  not  included  in  the  final  model.  All  other  interactions  were  358  

significant  and  thus  included  in  the  optimal  LME  model  (Table  2).  The  lack  of  a  3-­‐359  

way  interaction  between  Group,  ISI,  and  Left–Right  indicated  that  ISI  did  not  360  

systematically  modulate  the  amplitude  of  the  N1  between  controls  and  patients  as  a  361  

function  of  Left–Right  distribution.  Given  that  the  N1  was  maximal  over  midline  362  

electrodes,  consistent  with  previous  studies  (Coch  et  al.  2005),  we  conducted  more  363  

Auditory  Refractory  Period  in  Cochlear  Implant  Patients  

17  

 

detailed  analyses  that  were  restricted  to  the  midline  electrodes  and  that  included  6  364  

Ant-­‐Post  levels.    365  

Each  Ant-­‐Post  level  in  the  midline  analyses  included  three  electrodes  (treated  as  366  

repeated  measures  of  that  level)  aligned  in  the  same  row,  which  we  refer  to  here  367  

using  the  nomenclature  of  the  International  10-­‐20  System  (see  Figure  1).  The  368  

optimal  model  included  fixed  effects  factors  group,  ISI,  and  Ant–Post,  and  a  random-­‐369  

effects  structure  that  accounted  for  subject-­‐specific  variance  in  the  distribution  of  370  

effects  over  the  Ant–Post  dimension  and  across  levels  of  ISI.    Main  effects  of  Group,  371  

F(1,  129983)=  6.38,  p  <  .01,  ISI,  F(2,  129983)  =  24.54,  p  <  .001,  and  Ant–Post,  F(5,  129983)  =  372  

6.93,  p  <  .001,  were  qualified  by  a  significant  3-­‐way  interaction,  Group  X  ISI  X  Ant–373  

Post,  F(10,  129983)=4.80,  p  <  .0001,  which  confirmed  the  findings  of  the  analysis  over  all  374  

electrodes,  that  the  refractory  effects  were  modulated  by  both  group  and  electrode  375  

position.    376  

Mean  amplitudes  across  the  electrodes  at  each  ROI  are  shown  in  Figure  4.  In  order  377  

to  further  explore  the  distribution  of  ERP  effects  in  each  group  along  the  Ant–Post  378  

dimension,  and  test  our  predictions  that  ISI  would  modulate  ERP  amplitude  379  

parametrically  (with  increasing  N1  amplitudes  from  500  –  3000  ms),  we  conduced  380  

pairwise  contrasts  between  adjacent  levels  of  ISI,  for  controls  and  patients  381  

separately  at  each  level  of  Ant–Post;  Sidak  corrections  were  applied  to  p  values  to  382  

correct  for  multiple  comparisons  (number  of  comparisons  arising  from  contrasting  383  

ISI  500  vs  1000,  and  1000  vs  3000  [2],  multiplied  by  levels  of  Ant–Post  [6],  384  

Auditory  Refractory  Period  in  Cochlear  Implant  Patients  

18  

 

multiplied  by  groups  [2]  =  24).  Normally-­‐hearing  controls  showed  the  expected  385  

refractory  effects,  with  significantly  (p  <  .05,  corrected)  greater  N1  amplitude  at  386  

3000  compared  to  1000  ms,  and  at  1000  compared  to  500  ms  ISIs,  at  the  2  most  387  

anterior  levels  of  Ant–Post  (F,  FC,  C),  as  well  as  at  the  next-­‐most  anterior  level  (CP)  388  

for  the  1000  vs.  500  ms  comparison.  In  contrast,  CI  users  showed  no  significant  389  

differences  in  the  amplitude  of  the  N1s  elicited  by  tones  at  500  and  1000  ms  ISIs,  390  

but  significant  differences  between  1000  and  3000  ms  ISIs  the  2  most  anterior  391  

levels  (F,  FC).  Detailed  statistics  are  presented  in  Table  3.    392  

Insert  Figure  4  about  here  393  

Discussion  394  

The  present  study  compared  the  temporal  response  properties  of  auditory  395  

processing  using  an  ERP  measure  of  LAER  refractoriness  in  experienced  CI  users  396  

relative  to  normally  hearing  controls.  Auditory  refractoriness  is  considered  a  397  

measure  of  how  quickly  physiochemical  mechanisms  underlying  the  LAER  can  398  

recover  from  the  processing  of  a  sound  event  (Budd  et  al.  1998),  and  therefore  399  

provides  a  useful  tool  for  the  study  of  one  dimension  of  temporal  processing  in  the  400  

auditory  system.  Given  the  documented  deficits  of  temporal  processing  in  people  401  

who  received  CIs  as  adults  (e.g.  Aronoff  et  al.  2010;  Garadat  et  al.  2011;  Sandmann  et  402  

al.  2010),  we  predicted  longer  refractory  periods  in  CI  users  than  normally  hearing  403  

Auditory  Refractory  Period  in  Cochlear  Implant  Patients  

19  

 

controls,  reflecting  slowed  recovery  and  thus  decreased  temporal  sensitivity  of  404  

auditory  cortical  responses1.    405  

The  data  confirmed  our  hypothesis.  Normally  hearing  controls  showed  recovery  of  406  

N1  amplitudes  at  1000  relative  to  500  ms  ISIs  over  frontal  and  central-­‐parietal  407  

midline  electrodes  (positions  F,  FC,  C,  and  CP),  and  additional  recovery  between  408  

1000  and  3000  ms  ISIs  at  the  more  frontal  electrodes  (F,  FC,  and  C).  In  contrast,  CI  409  

users  showed  no  reliable  differences  in  N1  amplitude  between  500  and  1000  ms.  410  

Rather,  recovery  was  only  evident  between  the  1000  and  3000  ms  ISIs,  and  these  411  

differences  were  restricted  to  the  more  frontal  electrode  positions  (levels  F,  and  FC  412  

only).  413  

Coch  et  al.  (2005)  found  that  the  lower  limit  of  the  refractory  period,  defined  as  the  414  

minimum  ISI  capable  of  eliciting  different  N1  amplitudes,  is  likely  somewhere  415  

between  200  and  500  ms  in  normally  hearing  individuals.  Correspondingly,  we  416  

expected  to  observe  progressively  larger  N1  amplitudes  for  stimuli  separated  by  417  

500,  1000,  and  3000  ms  in  normally  hearing  controls,  and  indeed  this  is  what  we  418  

found.  However,  the  present  data  indicate  that  the  lower  limit  of  the  refractory  419  

period  is  longer  in  CI  patients  than  normally  hearing  controls.  Specifically,  because  420  

500  and  1000  ms  ISIs  elicited  equivalent  N1  amplitudes  across  all  6  levels  of  the  421  

                                                                                                               1  It  is  important  to  note  that  our  results  reflect  decreased  temporal  resolution  of  the  cortical  response,  rather  than  a  broader  deficit  in  temporal  processing.  For  example,  while  the  CI  and  the  subcortical  auditory  processing  system  may  be  able  to  represent  rapidly  changing  temporal  information,  our  results  suggest  that  temporal  processes  appear  to  be  disrupted  at  higher  levels  of  processing.  

Auditory  Refractory  Period  in  Cochlear  Implant  Patients  

20  

 

Ant–Post  dimension,  the  lower  limit  of  the  refractory  period  in  CI  users  must  be  422  

greater  than  1000  ms;  i.e.,  over  double  that  of  normally  hearing  controls.  These  data  423  

add  to  previous  findings  using  similar  paradigms.  Zhang  et  al.  (2010)  showed  424  

refractoriness  for  stimuli  separated  by  700  ms,  but  only  relative  to  the  first  stimulus  425  

of  a  train,  which  would  have  had  a  particularly  long  ISI  preceding  it.  Friesen  and  426  

Picton  (2010)  contrasted  500  and  3000  ms  ISIs  and  found  refractory  effects  in  CI  427  

users,  as  we  did,  but  did  not  test  the  intermediate  1000  ms  ISI  nor  did  they  have  a  428  

normally-­‐hearing  control  group.  The  present  results  support  our  prediction  that  CI  429  

users  would  exhibit  disrupted  neural  refractory  processes.  These  data  suggest  the  430  

presence  of  a  temporal  processing  deficit  (cf.  Fitzpatrick  et  al.  1999)  whereby  the  431  

LAERs  of  CI  users  do  not  differentiate  between  tones  separated  by  500  or  1000  ms.  432  

This  suggests  a  slowed  recovery  period  of  the  neural  generators  of  the  N1  433  

component,  which  are  primarily  located  in  the  superior  temporal  gyrus  (Woods,  434  

1995).  435  

In  addition  to  a  heightened  lower  limit  of  the  refractory  period,  the  scalp  436  

distribution  of  N1  refractory  period  effects  appeared  to  be  more  focal  in  CI  users:  437  

refractory  effects  were  found  at  frontal,  central,  and  central-­‐parietal  electrode  sites  438  

in  normally  hearing  people  but  only  at  frontal  sites  in  CI  users.    As  described  in  the  439  

introduction,  depriving  the  auditory  cortex  of  acoustic  information  is  likely  to  result  440  

in  long-­‐lasting  reductions  in  connectivity,  and  impaired  decoding  of  sound  441  

information  delivered  by  a  CI.  The  more  focal  distribution  of  the  N1  over  the  scalp  in  442  

Auditory  Refractory  Period  in  Cochlear  Implant  Patients  

21  

 

CI  users  may  be  the  consequence  of  a  reduced  cortical  area  responsive  to  sound,  443  

and/or  reduced  neural  synchrony  leading  to  both  reduced  amplitude  and  spatial  444  

extent.  Another  possibility  is  that  the  orientation  of  dipoles  in  auditory  cortex  is  445  

altered  in  a  way  that  results  in  a  more  focal  distribution  of  the  N1  in  CI  users.  446  

Given  that  our  patients  all  had  a  minimum  of  2  years’  experience  with  their  CI  447  

activated,  and  research  demonstrating  that  the  most  dramatic  changes  in  hearing  448  

abilities  occur  within  the  first  year  post-­‐implantation  (Peterson  et  al.  2010),  our  449  

data  are  consistent  with  the  view  that  the  neuroplastic  capacity  of  the  auditory  450  

system  of  adult  CI  users  is  limited.  This  could  result  from  cross-­‐modal  take-­‐over  of  451  

the  auditory  cortex  by  visual  processing  functions  (Sandmann  et  al.,  2012),  from  452  

reduced  spontaneous  activity  and  unusually  high  synchrony  of  electrically  evoked  453  

activity  in  the  auditory  nerve  (e.g.  Pagialonga  et  al.,  2010),  or  some  combination  of  454  

these  factors.  Consequently,  adult  CI  recipients  appear  unlikely  to  undergo  complete  455  

recovery  on  a  neurophysiological  level.  456  

Interestingly,  these  persistent  deficits  in  temporal  processing  at  the  457  

electrophysiological  level  occurred  even  in  the  context  of  relatively  good  hearing  —458  

most  of  our  participants  had  speech  comprehension  scores  of  90%  or  above.  This  459  

result  must  be  interpreted  cautiously,  since  the  HINT  sentences  were  administered  460  

in  quiet,  and  presentation  of  the  same  sentences  in  noise  (or  other  tests  that  better  461  

simulated  real-­‐world  listening  conditions)  may  have  revealed  poorer  performance  462  

relative  to  people  with  normal  hearing.  We  note  that  two  of  our  participants  had  463  

Auditory  Refractory  Period  in  Cochlear  Implant  Patients  

22  

 

dramatically  poorer  speech  comprehension  scores  than  the  others;  however  when  464  

we  repeated  the  statistical  analyses  with  these  two  subjects  omitted,  the  pattern  of  465  

results  did  not  change.  Thus  while  the  small  sample  size  and  bimodal  distribution  of  466  

HINT  scores  did  not  lend  these  data  to  a  correlational  analysis  between  the  N1  467  

refractory  period  effects  and  HINT  scores,  we  found  no  evidence  that  the  468  

electrophysiological  effects  were  closely  related  to  speech  comprehension  in  quiet.    469  

Conclusion  470  

The  present  findings  reveal  a  temporal  auditory  processing  deficit  in  CI  users,  471  

evidenced  through  a  disruption  of  normal  refractory  effects.  In  particular,  the  472  

refractory  period  threshold,  defined  as  the  minimum  ISI  where  different  N1  473  

amplitudes  are  elicited,  is  greater  than  1000ms  in  CI  patients;  at  least  double  that  of  474  

normally  hearing  controls.    475  

Future  Directions  476  

While  evidence  for  a  temporal  processing  deficit  in  CI  users  were  provided  from  the  477  

lack  of  differential  N1  amplitudes  observed  between  stimuli  separated  by  500  or  478  

1000  ms  in  the  present  study,  a  more  thorough  characterization  of  this  temporal  479  

processing  deficit  may  be  advantageous.  Specifically,  although  the  present  data  480  

indicate  the  refractory  threshold  of  CI  users,  i.e.  the  minimum  ISI  required  to  evoke  481  

different  N1  amplitudes,  is  somewhere  between  1000  and  3000ms,  the  precise  482  

timing  of  the  refractory  threshold  remains  an  open  question.  Establishing  the  lower  483  

limit  of  refractory  period  effects  in  individual  patients  may  be  useful  for  optimizing  484  

Auditory  Refractory  Period  in  Cochlear  Implant  Patients  

23  

 

CI  stimulation  parameters  in  an  attempt  to  compensate  for  the  altered  temporal  485  

resolution  of  auditory  processing,  thereby  promoting  perception  of  temporally-­‐486  

defined  sound  information.  Moreover,  it  is  likely  that  the  modulation  of  N1  487  

amplitude  by  ISI  may  be  different  depending  on  the  types  of  auditory  stimuli  488  

presented;  such  a  proposal  is  supported  by  research  demonstrating  different  N1  489  

amplitudes  for  stimuli  of  different  frequencies  (Martin  et  al.  2008;  Woods  1995).  490  

Future  research  may  therefore  aim  to  determine  the  minimum  ISI  required  for  491  

larger  N1  amplitudes  using  a  variety  of  different  stimulus  types.    Of  particular  492  

relevance  to  CI  users,  it  may  be  useful  to  adapt  the  present  task  to  utilize  naturally  493  

occurring  speech  sounds  (such  as  the  presentation  of  a  brief  vowel  sound).  494  

The  present  data  provide  a  further  basis  for  future  work  aiming  to  improve  the  CI  495  

signal  delivered  to  the  auditory  nerve  in  order  to  enhance  the  delivery  and  496  

processing  of  sound  information  reliant  on  temporal  acuity.  Currently,  several  lines  497  

of  research  in  animal  models  are  focused  on  replicating  normal  neural  498  

responsiveness  to  sound  information  delivered  via  CI  in  the  auditory  nerve,  499  

brainstem,  and  cortex  (e.g.  Loquet  et  al.,  2004).  While  this  line  of  research  can  allow  500  

for  detailed  explorations  of  neurophysiological  responses  to  CI  stimulation  in  animal  501  

models,  it  is  equally  important  to  determine  if  relatively  normal  patterns  of  auditory  502  

processing  activity  can  be  obtained  in  human  CI  users.  The  present  paradigm  may  503  

be  adopted  for  this  purpose  in  future  studies,  in  an  effort  to  determine  if  different  504  

patient  etiologies,  CI  stimulation  parameters  and/or  rehabilitation  approaches  505  

Auditory  Refractory  Period  in  Cochlear  Implant  Patients  

24  

 

during  speech  therapy  are  effective  in  replicating  relatively  normal  LAER  506  

amplitudes  and  distributions.  Using  this  approach,  it  may  be  possible  to  further  507  

improve  CI  treatment  outcome.  508  

 509  

510  

Auditory  Refractory  Period  in  Cochlear  Implant  Patients  

25  

 

References  511  

Albrecht,  R.,  Suchodoletz,  W.,  Uwer,  R.  2000.  The  development  of  auditory  512  evoked  dipole  source  activity  from  childhood  to  adulthood.  Clin  Neurophysiol,  513  111,  2268-­‐2276.  514  

Aronoff,  J.  M.,  Yoon,  Y.  S.,  Freed,  D.  J.,  et  al.  2010.  The  use  of  interaural  time  and  515  level  difference  cues  by  bilateral  cochlear  implant  users.  J  Acoust  Soc  Am,  127,  516  EL87-­‐92.  517  Baayen,  R.  H.,  Davidson,  D.  J.,  Bates,  D.  M.  2008.  Mixed-­‐effects  modeling  with  518  crossed  random  effects  for  subjects  and  items.  J  Mem  Lang,  59,  390-­‐412.  519  

Bagiella,  E.,  Sloan,  R.  P.,  Heitjan,  D.  F.  2000.  Mixed-­‐effects  models  in  520  psychophysiology.  Psychophysiology,  37,  13-­‐20.  521  

Brainard,  D.  H.  1997.  The  Psychophysics  Toolbox.  Spat  Vis,  10,  433-­‐436.  522  

Buckley,  K.  A.,  Tobey,  E.  A.  2011.  Cross-­‐modal  plasticity  and  speech  perception  in  523  pre-­‐  and  postlingually  deaf  cochlear  implant  users.  Ear  Hear,  32,  2-­‐15.  524  

Budd,  T.  W.,  Barry,  R.  J.,  Gordon,  E.,  et  al.  1998.  Decrement  of  the  N1  auditory  525  event-­‐related  potential  with  stimulus  repetition:  habituation  vs.  refractoriness.  526  Int  J  Psychophysiol,  31,  51-­‐68.  527  

Coch,  D.,  Skendzel,  W.,  Neville,  H.  J.  2005.  Auditory  and  visual  refractory  period  528  effects  in  children  and  adults:  an  ERP  study.  Clin  Neurophysiol,  116,  2184-­‐2203.  529  

Cowper-­‐Smith,  C.  D.,  Dingle,  R.  N.,  Guo,  Y.,  et  al.  2010.  Synchronous  auditory  530  nerve  activity  in  the  carboplatin-­‐chinchilla  model  of  auditory  neuropathy.  J  531  Acoust  Soc  Am,  128,  EL56-­‐62.  532  

Czarniak,  L.J.  2011.  Effect  of  stimulus  intensity  on  cortical  potentials  in  cochlear  533  implant  recipients.  Doctoral  dissertation.  Retrieved  from  534  http://digitalcommons.wustl.edu  535  

Debener,  S.,  Mullinger,  K.  J.,  Niazy,  R.  K.,  et  al.  2008.  Properties  of  the  536  ballistocardiogram  artefact  as  revealed  by  EEG  recordings  at  1.5,  3  and  7  T  static  537  magnetic  field  strength.  Int  J  Psychophysiol,  67,  189-­‐199.  538  Delorme,  A.,  Makeig,  S.  2004.  EEGLAB:  an  open  source  toolbox  for  analysis  of  539  single-­‐trial  EEG  dynamics  including  independent  component  analysis.  J  Neurosci  540  Methods,  134,  9-­‐21.  541  Faraway,  J.J.  2006.  Extending  the  linear  model  with  R.  Chapman  &  Hall/CRC,  542  Boca  Raton,  FL.  543  

Fitzpatrick,  D.  C.,  Kuwada,  S.,  Kim,  D.  O.,  et  al.  1999.  Responses  of  neurons  to  544  click-­‐pairs  as  simulated  echoes:  auditory  nerve  to  auditory  cortex.  J  Acoust  Soc  545  Am,  106,  3460-­‐3472.  546  

Auditory  Refractory  Period  in  Cochlear  Implant  Patients  

26  

 

Friesen,  L.,  &  Picton,  T.  A  method  for  removing  cochlear  implant  artifact.  Hear  547  Res,  259,  95-­‐106.  548  

Garadat,  S.  N.,  Pfingst,  B.  E.  2011.  Relationship  between  gap  detection  thresholds  549  and  loudness  in  cochlear-­‐implant  users.  Hear  Res,  275,  130-­‐138.  550  

Gates,  G.  A.,  Cooper,  J.  C.,  Jr.,  Kannel,  W.  B.,  et  al.  1990.  Hearing  in  the  elderly:  the  551  Framingham  cohort,  1983-­‐1985.  Part  I.  Basic  audiometric  test  results.  Ear  Hear,  552  11,  247-­‐256.  553  

Gilley,  P.  M.,  Sharma,  A.,  Dorman,  M.  F.  2008.  Cortical  reorganization  in  children  554  with  cochlear  implants.  Brain  Res,  1239,  56-­‐65.  555  

Goodin,  D.  S.,  Squires,  K.  C.,  Henderson,  B.  H.,  et  al.  1978.  Age-­‐related  variations  in  556  evoked  potentials  to  auditory  stimuli  in  normal  human  subjects.  557  Electroencephalogr  Clin  Neurophysiol,  44,  447-­‐458.  558  

Hoppe,  U.,  Rosanowski,  F.,  Iro,  H.,  et  al.  2001.  Loudness  perception  and  late  559  auditory  evoked  potentials  in  adult  cochlear  implant  users.  Scand  Audiol,  30,  560  119-­‐125.  561  

Kral,  A.,  Eggermont,  J.  J.  2007.  What's  to  lose  and  what's  to  learn:  development  562  under  auditory  deprivation,  cochlear  implants  and  limits  of  cortical  plasticity.  563  Brain  Res  Rev,  56,  259-­‐269.  564  

Lomber,  S.  G.,  Meredith,  M.  A.,  Kral,  A.  2010.  Cross-­‐modal  plasticity  in  specific  565  auditory  cortices  underlies  visual  compensations  in  the  deaf.  Nat  Neurosci,  13,  566  1421-­‐1427.  567  Martin,  B.  A.,  Tremblay,  K.  L.,  Korczak,  P.  2008.  Speech  evoked  potentials:  from  568  the  laboratory  to  the  clinic.  Ear  Hear,  29,  285-­‐313.  569  

Newman,  A.  J.,  Tremblay,  A.,  Nichols,  E.  S.,  et  al.  in  press.  The  Influence  of  570  Language  Proficiency  on  Lexical  Semantic  Processing  in  Native  and  Late  571  Learners  of  English.  J  Cogn  Neurosci.  572  Nilsson,  M.,  Soli,  S.  D.,  Sullivan,  J.  A.  1994.  Development  of  the  Hearing  in  Noise  573  Test  for  the  measurement  of  speech  reception  thresholds  in  quiet  and  in  noise.  J  574  Acoust  Soc  Am,  95,  1085-­‐1099.  575  Paglialonga,  A.,  Fiocchi,  S.,  Ravanzzani,  P.,  Tognola,  G.  2010.  Enhancement  of  576  neural  stochastic  firing  in  cochlear  implant  stimulation  by  the  addition  of  noise:  577  a  computational  study  on  the  influence  of  stimulation  settings  and  spontaneous  578  activity.  Comput  Biol  Med  40,  597-­‐606.  579  

Pang,  E.  W.,  Taylor,  M.  J.  2000.  Tracking  the  development  of  the  N1  from  age  3  to  580  adulthood:  an  examination  of  speech  and  non-­‐speech  stimuli.  Clin  Neurophysiol,  581  111,  388-­‐397.  582  

Auditory  Refractory  Period  in  Cochlear  Implant  Patients  

27  

 

Pantev,  C.,  Dinnesen,  A.,  Ross,  B.,  et  al.  2006.  Dynamics  of  auditory  plasticity  after  583  cochlear  implantation:  a  longitudinal  study.  Cereb  Cortex,  16,  31-­‐36.  584  

Peterson,  N.  R.,  Pisoni,  D.  B.,  Miyamoto,  R.  T.  2010.  Cochlear  implants  and  spoken  585  language  processing  abilities:  review  and  assessment  of  the  literature.  Restor  586  Neurol  Neurosci,  28,  237-­‐250.  587  Pinheiro,  J.  C.,  Bates,  D.  M.  2000.  Mixed-­‐effects  models  in  S  and  S-­‐PLUS.  New  York:  588  Springer-­‐Verlag.  589  

Ponton,  C.  W.,  Eggermont,  J.  J.  2001.  Of  kittens  and  kids:  altered  cortical  590  maturation  following  profound  deafness  and  cochlear  implant  use.  Audiol  591  Neurootol,  6,  363-­‐380.  592  

Ponton,  C.  W.,  Eggermont,  J.  J.,  Kwong,  B.,  et  al.  2000.  Maturation  of  human  593  central  auditory  system  activity:  evidence  from  multi-­‐channel  evoked  potentials.  594  Clin  Neurophysiol,  111,  220-­‐236.  595  Reuben,  D.  B.,  Walsh,  K.,  Moore,  A.  A.,  et  al.  1998.  Hearing  loss  in  community-­‐596  dwelling  older  persons:  national  prevalence  data  and  identification  using  simple  597  questions.  J  Am  Geriatr  Soc,  46,  1008-­‐1011.  598  Rosburg,  T.,  Haueisen,  J.,  Sauer,  H.  2002.  Stimulus  duration  influences  the  dipole  599  location  shift  within  the  auditory  evoked  field  component  N100m.  Brain  Topogr,  600  15,  37-­‐41.  601  Sandmann,  P.,  Kegel,  A.,  Eichele,  T.,  et  al.  2010.  Neurophysiological  evidence  of  602  impaired  musical  sound  perception  in  cochlear-­‐implant  users.  Clin  Neurophysiol,  603  121,  2070-­‐2082.  604  

Sandmann,  P.,  Diller,  N.,  Eichele,  T.,  et  al.  2012.  Visual  activation  of  auditory  605  cortex  reflects  maladaptive  plasticity  in  cochlear  implant  users.  Brain  135,  555-­‐606  568.  607  

Schmidt,  R.,  Kaftan,  H.,  Hosemann,  W.,  et  al.  2005.  [Changes  of  the  late  608  acoustically  evoked  potentials  in  postlingually  deaf  patients  with  cochlear  609  implants].  Laryngorhinootologie,  84,  182-­‐186.  610  

Sharma,  A.,  Dorman,  M.  F.,  Kral,  A.  2005.  The  influence  of  a  sensitive  period  on  611  central  auditory  development  in  children  with  unilateral  and  bilateral  cochlear  612  implants.  Hear  Res,  203,  134-­‐143.  613  

Sharma,  A.,  Gilley,  P.  M.,  Dorman,  M.  F.,  et  al.  2007.  Deprivation-­‐induced  cortical  614  reorganization  in  children  with  cochlear  implants.  Int  J  Audiol,  46,  494-­‐499.  615  

Tonnquist-­‐Uhlen,  I.,  Borg,  E.,  Spens,  K.  E.  1995.  Topography  of  auditory  evoked  616  long-­‐latency  potentials  in  normal  children,  with  particular  reference  to  the  N1  617  component.  Electroencephalogr  Clin  Neurophysiol,  95,  34-­‐41.  618  

Auditory  Refractory  Period  in  Cochlear  Implant  Patients  

28  

 

Viola,  F.C.,  Thorne,  J.D.,  Bleeck,  S.,  Eyles,  J.,  Debener,  S.  2011.  Uncovering  auditory  619  evoked  potentials  from  cochlear  implant  users  withi  independent  components  620  anallysis.    Brain  and  Behav,  48  1470-­‐1480.  621  Woods,  D.  L.  1995.  The  component  structure  of  the  N1  wave  of  the  human  622  auditory  evoked  potential.  Electroencephalogr  Clin  Neurophysiol  Suppl,  44,  102-­‐623  109.  624  

Yueh,  B.,  Shapiro,  N.,  MacLean,  C.  H.,  et  al.  2003.  Screening  and  management  of  625  adult  hearing  loss  in  primary  care:  scientific  review.  JAMA,  289,  1976-­‐1985.  626  Zhang,  F.,  Samy,  R.N.,  Anderson,  J.M.,  Houston,  L.  Recovery  of  the  late  auditory  627  evoked  potential  in  cochlear  implant  users  and  normally  hearing  listeners.  J  Am  628  Acad  Audiol,  20,  397-­‐408.  629  Zhang,  F.,  Anderson,  J.,  Samy,  R.,  et  al.  2010.  The  adaptive  pattern  of  the  late  630  auditory  evoked  potential  elicited  by  repeated  stimuli  in  cochlear  implant  users.  631  Int  J  Audiol,  49,  277-­‐285.  632  

633  

Auditory  Refractory  Period  in  Cochlear  Implant  Patients  

29  

 

Table  1.  Background  Patient  Information.  At  the  time  of  implantation,  all  634  

patients  had  severe  or  profound  hearing  loss  and  all  patients  were  unilaterally  635  

implanted.  On  the  date  of  EEG  testing,  all  patients  had  a  minimum  of  2  years  CI  636  

experience.  *HINT  scores  were  obtained  using  HINT  sentences  presented  at  55  dB  637  

HL  /  70  dB  SPL,  in  the  absence  of  noise.  638  

 639      

Age  (years)  

Sex   Duration  of  Subjective  Hearing  Loss  prior  to  CI  

implant  (years)  

CI  Experience  (years)  

  HINT  Date  (post-­‐CI)  

HINT  Score*  

Patients                PHD_03   47   F   37   5     1  yr   2%  PHD_05   56   M   33   10     9  yr   100%  PHD_06   22   M   22   10     -­‐   0%  PHD_07   44   M   10   11     6  yr   52%  PHD_08   66   F   15   8     2  yr   90%  PHD_09   29   F   10   3     2  mo   98%  PHD_10   44   F   16   8     4  yr   99%  PHD_17   20   M   18   10     9  yr   84%  PHD_18   54   M   34   2     1yr   96%  PHD_19   53   M   47   5     5yr   100%  

 640  

641  

Auditory  Refractory  Period  in  Cochlear  Implant  Patients  

30  

 

 642  Table  2.  ANOVA  table  of  the  optimal  linear  mixed  effects  model  including  all  643  

scalp  electrodes.  644  

  F   P   df      Group   0.66   .41   1   410486  ISI   246.94   .0001   2   410486  AP   337.23   .0001   2   410486  LR   189.97   .0001   2   410486  Group  x  ISI   1.85   .0001   2   410486  Group  x  AP   81.56   .16   2   410486  ISI  x  AP   27.53   .0001   4   410486  Group  x  LR   146.15   .0001   4   410486  AP  x  LR   103.82   .0001   4   410486  ISI  x  LR   13.86   .0001   4   410486  Group  x  ISI  x  AP   9.65   .0001   4   410486  Group  x    AP  x  LR   14.29   .0001   4   410486  ISI  x  AP  x  LR   3.11   .005   8   410486  

 645  

646  

Auditory  Refractory  Period  in  Cochlear  Implant  Patients  

31  

 

 647  Table  3.  Results  of  pairwise  contrast  sets  comparing  ISI  500  vs  ISI  1000  and  648  

ISI  1000  vs  ISI  3000  at  each  level  of  the  anterior-­‐posterior  (Ant–Post)  dimension.  649  

ROI  labels  are  the  capital  letters  in  common  to  all  electrodes  within  the  ROI  taken  650  

from  the  10-­‐20  international  system.  Values  represent  the  absolute  value  of  t-­‐651  

statistics;  p  values  were  corrected  using  Sidak’s  correction  for  the  24  comparisons  652  

shown.  Ant-­‐Post  levels  are  labeled  as:  frontal  (F),  fronto-­‐central  (FC),  central  (C),  653  

central-­‐parietal  (CP),  parietal  (P),  and  parietal-­‐occipital  (PO).  654  

 655     Controls     Patients       500  vs  1000   1000  vs  3000   500  vs  1000   1000  vs  3000  Ant-­‐Post  level  

t   p   t   p   t   p   t   P  

F   4.80   .0001   3.60   .005   0.39   1   5.36   .0001  FC   5.13   .0001   4.70   .0001   0.36   1   3.85   .001  C   3.54   .005   4.69   .0001   1.73   .5   0.9   1  CP   3.24   .01   0.17   1   1.04   1   2.21   .16  P   0.32   1   2.31   .13   0.93   1   0.67   1  

 656  

657  

Auditory  Refractory  Period  in  Cochlear  Implant  Patients  

32  

 

Figure  Captions  658  

Figure   1.   Channel   locations   used   for   data   analyses.   Dashed   lines   separate   the   9  659  

regions  of  interest  used  in  preliminary  analyses  determining  the  overall  distribution  660  

of  ERP  effects.  The  solid  line  encloses  6  rows  of  electrodes  that  were  included  in  the  661  

midline   analyses.   Midline   analyses   focused   on   characterizing   how   ERP   effects  662  

differed  between  patients  and  controls  in  the  midline.    663  

Figure   2.   Grand   average  waveforms   at  midline   electrodes,   elicited   in   response   to  664  

stimuli  separated  by  an  ISI  of  500,  1000,  and  3000  ms  in  each  group.  665  

Figure  3.  Scalp  voltage  maps  illustrating  the  distribution  of  the  N1  ERP  component  666  

(averaged  over  90–110  msec)  at  each  level  of  ISI.  667  

Figure  4.  Amplitude  of  the  N1  component  in  CI  users  and  Controls,  averaged  over  all  668  

midline   electrodes   at   each   level   of   the   anterior-­‐posterior   dimension   as   defined   in  669  

Table  1.  670  

671  

Auditory  Refractory  Period  in  Cochlear  Implant  Patients  

33  

 

FIGURE  1  672  

 673  

674  

Auditory  Refractory  Period  in  Cochlear  Implant  Patients  

34  

 

FIGURE  2  675  

 676  

677  

Auditory  Refractory  Period  in  Cochlear  Implant  Patients  

35  

 

FIGURE  3  678  

 679  

Auditory  Refractory  Period  in  Cochlear  Implant  Patients  

36  

 

FIGURE  4  680  

 681