Exponential modeling of human frequency-following responses to voice pitch

Abstract

Abstract

Objective: Recent studies have shown that the frequency-following response (FFR) to voice pitch can be a useful method to evaluate the signal-processing mechanisms and neural plasticity in the human brainstem. The purpose of this study was to examine the quantitative properties of the FFR trends with an exponential curve-fitting model. Design: FFR trends obtained with increasing number of sweeps (up to 8000 sweeps) at three stimulus intensities (30, 45, and 60 dB nHL) were fit to an exponential model that consisted of estimates of background noise amplitude, asymptotic response amplitude, and a time constant. Five objective indices (Frequency Error, Slope Error, Tracking Accuracy, Pitch Strength and RMS Ratio) were used to represent different perspectives of pitch processing in the human brainstem. Study Sample: Twenty-three native speakers (16 males; age = 24.7 ± 2.1 years) of Mandarin Chinese were recruited. Results: The results demonstrated that the exponential model provided a good fit (r² = 0.89 ± 0.10) to the FFR trends with increasing number of sweeps for the five objective indices. Conclusions: The exponential model, combined with the five objective indices, can be used for difficult-to-test patients and may prove to be useful as an assessment and diagnostic method in both clinical and basic research efforts.

Sumario

Objetivo: Estudios recientes han mostrado que la respuesta de seguimiento de frecuencia (FFR) al tono de la voz puede ser un método útil para evaluar los mecanismos de procesamiento de la señal y la plasticidad neural en el tallo cerebral humano. El propósito de este estudio fue examinar las propiedades cuantitativas de las tendencias del FFR con un modelo exponencial de curva de adaptación. Diseño: Las tendencias de la FFR obtenidas con un número creciente de barridos (hasta 8000 barridos), a tres intensidades diferentes (30, 45 y 60 dB nHL) fueron introducidas en un modelo exponencial que consistió en estimados de la amplitud del ruido de fondo, amplitud asintótica de respuesta y una constante de tiempo. Cinco índices objetivos (Error de frecuencia, error de pendiente, exactitud de seguimiento, fortaleza del tono y tasa RSM) fueron utilizados para representar diferentes perspectivas del procesamiento del tono en el tallo cerebral del humano. Muestra del estudio: Se reclutaron treinta y tres hablantes naturales (16 hombres; edades = 24,7 ± 2.1 años) del chino mandarín. Resultados: Los resultados demostraron que el modelo exponencial brindó una buena adaptación (r² = 0.89 ± 0.10) a la tendencias de la FFR con un número creciente de barridos para los cinco índices objetivos. Conclusiones: El modelo exponencial, combinado con los cinco índices objetivos, puede ser utilizado en pacientes difíciles de evaluar y demostrar su utilidad como un método de evaluación y diagnóstico, tanto en protocolos clínicos como de investigación.

Key Words::

• Frequency-following response
• Voice pitch
• Exponential model
• Number of sweeps

Acknowledgements

The authors thank Cheng-Han Chiu for his assistance in data collection. This study was supported in part by (1) an Advancing Academic-Research Career (AARC) Award from the American Speech-Language-Hearing Association, USA, (2) a Research Incentive Grant (DMR-99-048) from the Department of Medical Research at the China Medical University Hospital, Taiwan, and (3) the Clinical Trial and Research Center of Excellence Funds (DOH100-TD-B-111-004) from the Taiwanese Department of Health. Preliminary results of this study were presented at the American Auditory Society Annual Meeting, March 4–6, 2010.

Declaration of interest: The authors report no conflicts of interest. The authors alone are responsible for the content and writing of the paper.