Cognitive Auditory Evoked Potentials in Investigation of Hearing Discrimination

Preattentive perception of occasional deviating stimuli in the stream of standard stimuli can be recorded with cognitive event-related potential (ERP) mismatch negativity (MMN). The earlier detection of stimuli at the auditory cortex can be examined with N1 and P2 ERPs. The MMN recording does not require co-operation, it correlates with perceptual threshold, and even complex sounds can be used as stimuli. The aim of this study was to examine different aspects that should be considered when measuring discrimination of hearing with ERPs. The MMN was found to be stimulusintensity- dependent. As the intensity of sine wave stimuli was increased from 40 to 80 dB HL, MMN mean amplitudes increased. The effect of stimulus frequency on the MMN was studied so that the pitch difference would be equal in each stimulus block according to the psychophysiological mel scale or the difference limen of frequency (DLF). However, the blocks differed from each other. The contralateral white noise masking (50 dB EML) was found to attenuate the MMN amplitude when the right ear was stimulated. The N1 amplitude was attenuated and, in contrast, P2 amplitude was not affected by contralateral white noise masking. The perception and production of vowels by four postlingually deafened patients with a cochlear implant were studied. The MMN response could be elicited in the patient with the best vowel perception abilities. The results of the studies show that concerning the MMN recordings, the stimulus parameters and recording procedure design have a great influence on the results.

Near-Threshold Computing

Valmistustekniikoiden kehittyessä IC-piireille saadaan mahtumaan yhä enemmän transistoreja. Monimutkaisemmat piirit mahdollistavat suurempien laskutoimitusmäärien suorittamisen aikayksikössä. Piirien aktiivisuuden lisääntyessä myös niiden energiankulutus lisääntyy, ja tämä puolestaan lisää piirin lämmöntuotantoa. Liiallinen lämpö rajoittaa piirien toimintaa. Tämän takia tarvitaan tekniikoita, joilla piirien energiankulutusta saadaan pienennettyä. Uudeksi tutkimuskohteeksi ovat tulleet pienet laitteet, jotka seuraavat esimerkiksi ihmiskehon toimintaa, rakennuksia tai siltoja. Tällaisten laitteiden on oltava energiankulutukseltaan pieniä, jotta ne voivat toimia pitkiä aikoja ilman akkujen lataamista. Near-Threshold Computing on tekniikka, jolla pyritään pienentämään integroitujen piirien energiankulutusta. Periaatteena on käyttää piireillä pienempää käyttöjännitettä kuin piirivalmistaja on niille alunperin suunnitellut. Tämä hidastaa ja haittaa piirin toimintaa. Jos kuitenkin laitteen toiminnassa pystyään hyväksymään huonompi laskentateho ja pienentynyt toimintavarmuus, voidaan saavuttaa säästöä energiankulutuksessa. Tässä diplomityössä tarkastellaan Near-Threshold Computing -tekniikkaa eri näkökulmista: aluksi perustuen kirjallisuudesta löytyviin aikaisempiin tutkimuksiin, ja myöhemmin tutkimalla Near-Threshold Computing -tekniikan soveltamista kahden tapaustutkimuksen kautta. Tapaustutkimuksissa tarkastellaan FO4-invertteriä sekä 6T SRAM -solua piirisimulaatioiden avulla. Näiden komponenttien käyttäytymisen Near-Threshold Computing –jännitteillä voidaan tulkita antavan kattavan kuvan suuresta osasta tavanomaisen IC-piirin pinta-alaa ja energiankulusta. Tapaustutkimuksissa käytetään 130 nm teknologiaa, ja niissä mallinnetaan todellisia piirivalmistusprosessin tuotteita ajamalla useita Monte Carlo -simulaatioita. Tämä valmistuskustannuksiltaan huokea teknologia yhdistettynä Near-Threshold Computing -tekniikkaan mahdollistaa matalan energiankulutuksen piirien valmistaminen järkevään hintaan. Tämän diplomityön tulokset näyttävät, että Near-Threshold Computing pienentää piirien energiankulutusta merkittävästi. Toisaalta, piirien nopeus heikkenee, ja yleisesti käytetty 6T SRAM -muistisolu muuttuu epäluotettavaksi. Pidemmät polut logiikkapiireissä sekä transistorien kasvattaminen muistisoluissa osoitetaan tehokkaiksi vastatoimiksi Near- Threshold Computing -tekniikan huonoja puolia vastaan. Tulokset antavat perusteita matalan energiankulutuksen IC-piirien suunnittelussa sille, kannattaako käyttää normaalia käyttöjännitettä, vai laskea sitä, jolloin piirin hidastuminen ja epävarmempi käyttäytyminen pitää ottaa huomioon.

Central auditory processing and the acquisition of phonology in 2-year-old children with recurrent acute otitis media

Middle ear infections (acute otitis media, AOM) are among the most common infectious diseases in childhood, their incidence being greatest at the age of 6–12 months. Approximately 10–30% of children undergo repetitive periods of AOM, referred to as recurrent acute otitis media (RAOM). Middle ear fluid during an AOM episode causes, on average, 20–30 dB of hearing loss lasting from a few days to as much as a couple of months. It is well known that even a mild permanent hearing loss has an effect on language development but so far there is no consensus regarding the consequences of RAOM on childhood language acquisition. The results of studies on middle ear infections and language development have been partly discrepant and the exact effects of RAOM on the developing central auditory nervous system are as yet unknown. This thesis aims to examine central auditory processing and speech production among 2-year-old children with RAOM. Event-related potentials (ERPs) extracted from electroencephalography can be used to objectively investigate the functioning of the central auditory nervous system. For the first time this thesis has utilized auditory ERPs to study sound encoding and preattentive auditory discrimination of speech stimuli, and neural mechanisms of involuntary auditory attention in children with RAOM. Furthermore, the level of phonological development was studied by investigating the number and the quality of consonants produced by these children. Acquisition of consonant phonemes, which are harder to hear than vowels, is a good indicator of the ability to form accurate memory representations of ambient language and has not been studied previously in Finnish-speaking children with RAOM. The results showed that the cortical sound encoding was intact but the preattentive auditory discrimination of multiple speech sound features was atypical in those children with RAOM. Furthermore, their neural mechanisms of auditory attention differed from those of their peers, thus indicating that children with RAOM are atypically sensitive to novel but meaningless sounds. The children with RAOM also produced fewer consonants than their controls. Noticeably, they had a delay in the acquisition of word-medial consonants and the Finnish phoneme /s/, which is acoustically challenging to perceive compared to the other Finnish phonemes. The findings indicate the immaturity of central auditory processing in the children with RAOM, and this might also emerge in speech production. This thesis also showed that the effects of RAOM on central auditory processing are long-lasting because the children had healthy ears at the time of the study. An effective neural network for speech sound processing is a basic requisite of language acquisition, and RAOM in early childhood should be considered as a risk factor for language development.