Vowel processing in Italian pediatric cochlear-implant users: A behavioral and neurophysiological study

Multichannel cochlear implant (CI) devices partially restore the auditory sensation in children affected by congenital, bilateral, and severe-to-profound sensorineural hearing loss, especially in the absence of background noise, provided that CI surgery takes place during the sensitive period for maturation of the auditory pathways, which is presumed to end at 3.5 years [Sharma et al. 2002abc, 2005, 2007; 2009; Gilley et al. 2008]. A few previous studies on Italian pediatric CI users investigated the general auditory abilities as well as the speech intelligibility of deaf children [cf. Santarelli et al. 2009; Colletti et al. 2012; Caselli et al. 2012; Martines et al. 2013], by using the usual tests administered by speech therapists. Plenty of previous studies investigated detection, categorization, and discrimination of speech sounds, both consonants and vowels, at the cortical level (automatically), in CI children exposed to languages other than Italian, such English [Kileny et al. 1997; Sharma et al. 2002abc, 2005, 2007; 2009; Gilley et al. 2008; Henkin et al. 2008], Dutch [Beynon et al. 2002], German [Ortmann et al. 2013], Hebrew [Singh et al. 2004], and Croatian [Munivrana & Mildner 2013]. As compared to the above-mentioned studies, the present research introduces three methodological innovations: i) it investigates the processing of vowels; ii) it relies on natural speech stimuli, only minimally normalized; and iii) it combines the use of behavioral measures (e.g., tests of categorization and discrimination of speech sounds, administered attentively) with the use of neurophysiological measures (e.g., the EEG recording for subsequent extraction of the auditory ERPs indexing speech sound detection, categorization, and discrimination). The present study investigates the processing of single vowels (e.g., /u/, /i/, /e/, /o/, /a/) as well as of same-vowel pairs (e.g., /u/-/u/, /i/-/i/, /e/-/e/, /o/-/o/, /a/-/a/) and of different-vowel pairs (e.g., /u/-/i/, /i/-/u/, /e/-/i/, /i/-/e/, /o/-/a/, /a/-/o/) at the behavioral (e.g., conscious) and at the neurophysiological (e.g., automatic) levels in a group of deaf Italian children implanted during the sensitive period for central auditory maturation (range of age at surgery: 2.1 – 4.4 years) and who had been using their CI for at least 2 years (range of duration of CI stimulation: 2.4 – 8.1 years). At the behavioral level, tests of vowel detection and of vowel categorization were administered. At the neurophysiological level, the EEG activity was passively recorded when children were watching a silent movie while hearing vowel stimuli on the background. Subsequently, the P1, N1, and MMN responses of the auditory ERPs are the neural correlates of (speech) sound detection, categorization, and discrimination, in turn, were extracted. The vowel processing performance of the CI children will be compared against the performance exhibited by a group of normal-hearing (NH) children matched for biological age with the CI children. This study also investigated whether, and to what extent, some external factors were able to constrain vowel processing at the behavioral and neurophysiological level in CI children. These factors are the following ones: i) vowel quality; ii) the articulatory characteristics of the five vowels; iii) the larger vs. smaller Euclidean distance characterizing the vowel pairs; iv) the different distinctive feature specification and, more particularly, the direction of change in the distinctive feature specification between the first and the second vowel of each pair; v) the earlier vs. later age at surgery; and vi) the longer vs. shorter duration of CI use. The main findings of the present study are the following ones. First, the main difference between the behavioral and the neurophysiological levels of processing in CI children consists in the fact that the processing of vowel pairs is partially impaired for accuracy only at the behavioral level, whereas the processing of single vowels is partially impaired for accuracy, and rarely delayed, only at the neurophysiological level. Second, at the neurophysiological level, CI children are impaired at the auditory, not at the cognitive, level. In fact, in spite of typically being less accurate in detection and categorization of single vowels, CI children are not impaired in the processing of vowel pairs. Third, age at surgery and duration of implant stimulation are irrelevant for behavioral vowel processing, whereas they constrain cortical vowel processing, although not systematically: deaf children implanted before 3.4 years and/or who had been using their CI for at least 5.8 years may process single vowels as well as vowel pairs faster and more accurately. Vowel quality, the articulatory characteristics of the five vowels, the Euclidean, and the direction of change in the distinctive feature specification, on the other hand, turn out to be irrelevant in constraining vowel processing either at the behavioral and at the neurophysiological level.

Gli impianti cocleari (IC) multicanale ripristinano parzialmente la sensazione uditiva nei bambini affetti da ipoacusia neurosensoriale congenita a livello bilaterale, soprattutto se l’IC viene chirurgicamente inserito prima del compimento di 3.5 anni [Sharma et al. 2002abc, 2005, 2007, 2009; Gilley et al. 2008]. Precedenti studi su bambini italiani portatori di IC unilaterale si sono concentrati sulle abilità uditive generali e sull’intelligibilità del parlato dei bambini sordi italiani [cf. Santarelli et al. 2009; Colletti et al. 2012; Caselli et al. 2012; Martines et al. 2013], ricorrendo esclusivamente a test logopedici somministrati a livello attentivo e concentrandosi prevalentemente su bambini sottoposti alla chirurgia per l’inserimento dell’IC dopo i 3.5 anni. Moltissimi studi hanno, invece, indagato l’elaborazione di singoli suoni linguistici e di coppie di suoni linguistici a livello corticale in bambini con IC non italiani che apprendono l’inglese [Kileny et al. 1997; Sharma et al. 2002abc, 2005, 2007; 2009; Gilley et al. 2008; Henkin et al. 2008], l’ebraico [Singh et al. 2004], l’olandese [Beynon et al. 2002] il tedesco [Ortmann et al. 2013] e il croato [Munivrana & Mildner 2013], ecc. Il presente lavoro si differenzia dagli studi precedenti per i seguenti motivi: i) questo studio si concentra sull’elaborazione corticale delle vocali; ii) ai soggetti pediatrici selezionati vengono presentati stimoli vocalici elicitati naturalmente e poi adeguatamente normalizzati per renderli acusticamente stabili ed omogenei, senza inficiarne la ‘genuinità’; iii) questo studio affianca all’uso di misure neurofisiologiche (gli ERPs uditivi) che monitorano l’elaborazione automatica delle vocali a livello corticale, l’uso di test comportamentali che monitorano l’elaborazione delle vocali a livello cosciente, ossia tramite l’emissione di una ‘risposta’. Il presente studio monitora l’elaborazione di cinque vocali singole (/u/, /i/, /e/, /o/, /a/) e di coppie di vocali, sia uguali (/u/-/u/, /i/-/i/, /e/-/e/, /o/-/o/, /a/-/a/) che diverse (/u/-/i/, /i/-/u/, /e/-/i/, /i/-/e/, /o/-/a/, /a/-/o/), sia a livello comportamentale (attentivo) che a livello neurofisiologico (automatico), in un gruppo di bambini sordi italiani portatori di IC unilaterale. Questi bambini hanno ricevuto l’IC ad un’età compresa fra 2.1 e 4.4 anni ed usano l’IC da almeno 2 anni (range: 2.4 – 8.1 anni). A livello comportamentale, ai bambini sono stati somministrati dei test di categorizzazione e di discriminazione vocalica. A livello neurofisiologico, invece, è stata registrata passivamente l’attività EEG mentre i bambini guardavano un cartone animato senza audio e, al posto dell’audio del cartone, venivano presentate loro acusticamente le vocali in sottofondo. Dall’attività EEG acquisita sono state estratte le componenti P1, N1 e MMN che indicizzano la detezione, la categorizzazione e la discriminazione degli stimoli uditivi, sia di tipo linguistico, a livello neurale nella corteccia uditiva. Le performances dei bambini con IC sono state confrontate con quelle di un gruppo di bambini normoacusici (NH) matchato in base all’età dei bambini con IC. Questo studio ha anche esplorato se, e in che misura, alcuni fattori esterni fossero eventualmente suscettibili di influire sull’elaborazione delle vocali nei bambini con IC. Questi fattori sono: i) il timbro vocalico; ii) le caratteristiche articolatorie delle vocali; iii) la maggior vs. minor distanza Euclidea che caratterizza le coppie di vocali; iv) la differente specificazione delle vocali in termini di tratti fonologici e, più in particolare, la direzionalità del cambiamento nella stessa fra la prima e la seconda vocale di ciascuna coppia; v) la maggior vs. minor precocità con cui avviene la chirurgia; e vi) il maggior vs. minor periodo di uso dell’IC. I principali risultati del presente studio sono i seguenti. La principale differenza emersa fra il livello comportamentale e quello neurofisiologico consiste nel fatto che i bambini con IC incontrano delle difficoltà nell’elaborazione delle coppie di vocali a livello comportamentale, ma non a livello neurofisiologico; al contrario, per quanto riguarda l’elaborazione delle singole vocali, i bambini con IC incontrano delle difficoltà a livello neurofisiologico, ma non a livello comportamentale. Inoltre, a livello neurofisiologico, i bambini con IC risultano avere delle difficoltà a livello uditivo, ma non a livello cognitivo. In effetti, sebbene i bambini con IC siano meno precisi di quanto dovrebbero nella detezione e nella categorizzazione delle singole vocali, che sono processi uditivi, essi non incontrano alcuna difficoltà nella discriminazione delle coppie di vocali, che è un processo cognitivo. Né l’età alla chirurgia né il periodo di uso dell’IC influiscono in alcun modo sull’elaborazione delle vocali a livello comportamentale. Tuttavia, a livello neurofisiologico, può succedere che i bambini che hanno ricevuto l’IC prima di 3.4 anni e/o che lo usano da almeno 5.8 anni riescano ad elaborare le singole vocali e le coppie di vocali in maniera più efficace e/o più accurata. Gli altri fattori esterni studiati, ossia il timbro vocalico, le caratteristiche articolatorie delle vocali, la distanza Euclidea che caratterizza le coppie di vocali e la differente specificazione delle vocali in termini di tratti fonologici, invece, non influiscono in maniera significativa sull’elaborazione delle vocali né a livello comportamentale né a livello neurofisiologico.