Encoding of Frequency Information in the Discharge Pattern of Auditory Nerve Fibers

Abstract

With micro-electrodes one can study the action potentials of single auditory-nerve fibres in their response to sound. It is well known that for pure tones the firing pattern of a neuron is very frequency-dependent. This selectivity is much more developed than is explainable from cochlear dynamics.

We studied the response to white noise. The stimulus-response relation was studied with the help of the technique of the cross-correlation function. Action potentials were converted into uniform pulses and their average relation with the stimulus noise was computed by a Nuclear-Chicago Data Retrieval Computer (model 7100). This technique is possible for neurons with a characteristic frequency of less than 4 kHz. The firing of a neuron can then be shown to depend only on the frequency content of a sharply bounded frequency region of the noise. The boundaries of this region have approximately the same shape as the response region for pure tones mentioned above.

For white noise, then, a cochlear neuron appears to be nearly as frequency-selective as for pure tones. After a click stimulus, on the other hand, the probability of firing of a neuron (in this range) is known to fluctuate. All these facts can be described by one theory that assumes that the frequency selection in the cochlea behaves in nearly all aspects as that of a linear filter. Arguments in favour of and contrary to this hypothesis will be presented.

Résumé

A l'aide de micro-électrodes on peut étudier les potentiels d'action de fibres isolées du nerf auditif. Le nombre de décharges par seconde dépend d'une façon très sélective de la fréquence du ton appliqué: la sélectivité cochléaire est plus importante que l'hydrodynamique des liquides cochléaires le laisserait supposer. La décharge d'une fibre, à la suite d'un bruit blanc est très irrégulière. II est possible d'étudier la relation stimulus-réponse au moyen de fonctions de corrélation. Les potentiels d'action (spikes) sont convertis en stimuli uniformes et le calculateur électronique (Nuclear-Chicago Data Retrieval Computer, model 7100) determine la forme d'onde moyenne qui accompagne chaque ←spike→.

La technique donne un résultat net pour les neurones avec une fréquence caractéristique inférieure à 4 kHz, le résultat se présente alors comme une fonction de corrélation avec plusieurs oscillations.

Cela signifie que l'initiation du ←spike→ est causée par des composantes du bruit blanc d'une étroite bande de fréquences. La visualisation de ces fréquences caracteristiques pour chaque neurone dans le champ auditif, présente presque la měme forme que la bande de reponses aux tons purs.

On peut en conclure que les neurones acoustiques primaires répondent de la měme façon aux fréquences delimitées de tons purs que pour un bruit blanc. On sait aussi qu'un tel neurone, après une stimulation en forme de ←clic→ présente une probabilité de ←spike→ qui montre des oscillations. Tous les résultats expérimentaux peuvent ětre expliqués par une théorie de filtrage cochléaire linéaire.

Ce filtrage est beaucop plus net que la redistribution des fréquences au niveau de la membrane basilaire.

Les expérimentations ultérieures sont consacrées à l'étude de cette théorie.