This thesis takes a fresh approach to cochlear mechanics. Over the last quarter of a century, we have learnt that the cochlea is active and highly tuned, observations suggesting that something may be resonating. Rather than accepting the standard traveling wave interpretation, here I investigate whether a resonance theory of some kind can be applied to this remarkable behaviour.¶ A historical survey of resonance theories is first conducted, and advantages and drawbacks examined. A corresponding look at the traveling wave theory includes a listing of its short-comings.¶ A new model of the cochlea is put forward that exhibits inherently high tuning. The surface acoustic wave (SAW) model suggests that the three rows of outer hair cells (OHCs) interact in a similar way to the interdigital transducers of an electronic SAW device. Analytic equations are developed to describe the conjectured interactions between rows of active OHCs in which each cell is treated as a point source of expanding wavefronts. Motion of a cell launches a wave that is sensed by the stereocilia of neighbouring cells, producing positive feedback. Numerical calculations confirm that this arrangement provides sharp tuning when the feedback gain is set just below oscillation threshold.¶ A major requirement of the SAW model is that the waves carrying the feedback have slow speed (5-200 mm/s) and high dispersion. A wave type with the required properties is identified - a symmetric Lloyd-Redwood wave (or squirting wave) - and the physical properties of the organ of Corti are shown to well match those required by theory.¶ The squirting wave mechanism may provide a second filter for a primary traveling wave stimulus, or stand-alone tuning in a pure resonance model. In both, cyclic activity of squirting waves leads to standing waves, and this provides a physical rendering of the cochlear amplifier. In keeping with pure resonance, this thesis proposes that OHCs react to the fast pressure wave rather than to bending of stereocilia induced by a traveling wave. Investigation of literature on OHC ultrastructure reveals anatomical features consistent with them being pressure detectors: they possess a cuticular pore (a small compliant spot in an otherwise rigid cell body) and a spherical body within (Hensens body) that could be compressible. I conclude that OHCs are dual detectors, sensing displacement at high intensities and pressure at low. Thus, the conventional traveling wave could operate at high levels and resonance at levels dominated by the cochlear amplifier. ¶ The latter picture accords with the description due to Gold (1987) that the cochlea is an ‘underwater piano’ - a bank of strings that are highly tuned despite immersion in liquid.¶ An autocorrelation analysis of the distinctive outer hair cell geometry shows trends that support the SAW model. In particular, it explains why maximum distortion occurs at a ratio of the two primaries of about 1.2. This ratio also produces near-integer ratios in certain hair-cell alignments, suggesting that music may have a cochlear basis.¶ The thesis concludes with an evaluation and proposals to experimentally test its validity.

Recent advances in the field of audiology have indicated that there has been a growing concern regarding the potential damage to the hearing mechanism induced by recreational noise exposure from personal music devices (PMD). Regular PMD use may have a long-term damaging effect on the outer- and inner hair cells of the cochlea which may result in a progressive hearing loss. As PMDs have advanced to a stage where the memory of the devices are able to contain hours of listening content, the environments where these devices are being used are rapidly expanding. Many young adults tend to use their PMDs whilst exercising. Exercise in itself induces physiological and metabolic changes such as increased blood flow and oxygen levels within the structures of the cochlea. The purpose of this study was to determine the differential impact and short-term effects of simultaneous cardiovascular workout and personal music device (PMD) use on the otoacoustic emissions of young adults. Seven female and five male subjects completed three testing conditions: (i) one hour exposure to PMD use in isolation, (ii) one hour exposure to cardiovascular workout in isolation, and (iii) one hour simultaneous exposure to PMD use and cardiovascular workout. Distortion product otoacoustic emissions (DPOAEs) were conducted prior to, as well as directly following each testing condition, as primary indicator of cochlear responses emitted through a preset stimulus frequency sequence measuring the 2f₁ - f₂ (75 – 70 dB SPL) and constructing a plot of DPOAE levels as a function of frequency. While each of the testing conditions on its own did not result in statistically significant changes of the DPOAE response, a highly significant different profile in the DPOAE response level increase/decrease for the higher frequencies (6-8 kHz) was obtained when comparing the different sessions to each other. Where exposure to cardiovascular workout showed a clear trend of an increased DPOAE response level between the pre-exposure and post-exposure testing from 2 kHz to 8 kHz with a maximum increase at 6 kHz, both the music only condition and the combined condition where the cardiovascular workout was combined with music resulted in a significant different profile. During combined exposure a clear trend of decreased DPOAE response amplitudes between the pre-exposure and post-exposure testing were seen for the higher frequencies. These findings may support the notion of a clear effect of cardiovascular workout on the otoacoustic emissions at higher test frequencies, measured by DPOAEs when performed with and without music exposure. / Dissertation (MLOG)--University of Pretoria, 2014. / tm2015 / Speech-Language Pathology and Audiology / MLOG / Unrestricted

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Das Innenohr des Säugetieres ist ein hochspezialisiertes sensorisches System, das durch ein komplexes mechanisches Verhalten gekennzeichnet ist. Neben der komplizierten Morphometrie und Geometrie kommen auch dem richtungsabhängigen Materialverhalten eine wesentliche Bedeutung zu. Es zeigt sich, daß im Cortischen Organ mit der äußeren Haarsinneszelle ein Zelltyp vorliegt, der durch seine physikalischen Eigenschaften das Gesamtverhalten des Innenohres maßgeblich beeinflußt. Wie jede tierische Zelle weist die äußere Haarsinneszelle als biomechanisches System eine heterogene Mikrostruktur auf. Vom mechanischen Standpunkt aus gesehen, ist neben der mehrschichtigen basolateralen Zellwand jede Einzelzelle durch ein viskoses inneres Fluid (Zellplasma) und einen Zellkern (Nukleus) gekennzeichnet. Die resultierenden mechanischen Eigenschaften des Gesamtsystems ”äußere Haarsinneszelle” können durch Experimente und eine geeignete Modellierung determiniert werden. In dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz zur Bestimmung der viskoelastischen Materialeigenschaften der basolateralen Wand vorgestellt. Durch Anwendung einer effektiven Fluid-Struktur-Interaktion wird das Gesamtsystem geschlossen untersucht und eine umfangreiche Materialparameterstudie durchgeführt. Dabei werden im Rahmen der Kontinuumsmechanik gültige Materialgesetze angewendet. Das durch partielle Differentialgleichungen formulierte mechanische Feldproblem wird im Rahmen der Finiten-Elemente-Methode approximiert, was zu einem linearen Gleichungssystem führt. Auf dieser Grundlage wird ein Finite-Elemente-Modell der äußeren Haarsinneszelle entwickelt. Die zur Beschreibung notwendigen Systemmatrizen – insbesondere die Dämpfungsmatrix – basieren dabei vollständig auf einem viskoelastischen Materialgesetz. Die benutzte Methodik läßt weiterhin eine effiziente Berechnung im Frequenzbereich zu. Es zeigt sich, daß eine spezielle Dämpfungsformulierung die experimentell bestimmten dynamischen Eigenschaften der Zelle adäquat widerspiegelt. Eine Analyse auf Materialgesetzebene zeigt, daß dafür reine Schubdämpfung und damit eine spezielle Anisotropie im Viskositätstensor verantwortlich ist. Diese Eigenschaft bestimmt das dynamische Verhalten der äußeren Haarsinneszelle bis mindestens 10 kHz und liegt damit im Hörbereich. Der Modellierung der Zelle geht eine angepaßte Auswertung der experimentell ermittelten Daten voraus. Die mechanisch geeignete Auswertung der zugrundeliegenden Experimente weist dabei auf mögliche Fehlerquellen bei der Analyse der Rohdaten hin. Das hat zur Konsequenz, daß der experimentellen Umgebung die gleiche Aufmerksamkeit geschenkt werden muß wie dem Meßobjekt selbst. Nur so kann eine geeignete Extraktion der für das Meßobjekt spezifischen Eigenschaften erfolgen.

Das Innenohr des Säugetieres ist ein hochspezialisiertes sensorisches System, das durch ein komplexes mechanisches Verhalten gekennzeichnet ist. Neben der komplizierten Morphometrie und Geometrie kommen auch dem richtungsabhängigen Materialverhalten eine wesentliche Bedeutung zu. Es zeigt sich, daß im Cortischen Organ mit der äußeren Haarsinneszelle ein Zelltyp vorliegt, der durch seine physikalischen Eigenschaften das Gesamtverhalten des Innenohres maßgeblich beeinflußt. Wie jede tierische Zelle weist die äußere Haarsinneszelle als biomechanisches System eine heterogene Mikrostruktur auf. Vom mechanischen Standpunkt aus gesehen, ist neben der mehrschichtigen basolateralen Zellwand jede Einzelzelle durch ein viskoses inneres Fluid (Zellplasma) und einen Zellkern (Nukleus) gekennzeichnet. Die resultierenden mechanischen Eigenschaften des Gesamtsystems ”äußere Haarsinneszelle” können durch Experimente und eine geeignete Modellierung determiniert werden. In dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz zur Bestimmung der viskoelastischen Materialeigenschaften der basolateralen Wand vorgestellt. Durch Anwendung einer effektiven Fluid-Struktur-Interaktion wird das Gesamtsystem geschlossen untersucht und eine umfangreiche Materialparameterstudie durchgeführt. Dabei werden im Rahmen der Kontinuumsmechanik gültige Materialgesetze angewendet. Das durch partielle Differentialgleichungen formulierte mechanische Feldproblem wird im Rahmen der Finiten-Elemente-Methode approximiert, was zu einem linearen Gleichungssystem führt. Auf dieser Grundlage wird ein Finite-Elemente-Modell der äußeren Haarsinneszelle entwickelt. Die zur Beschreibung notwendigen Systemmatrizen – insbesondere die Dämpfungsmatrix – basieren dabei vollständig auf einem viskoelastischen Materialgesetz. Die benutzte Methodik läßt weiterhin eine effiziente Berechnung im Frequenzbereich zu. Es zeigt sich, daß eine spezielle Dämpfungsformulierung die experimentell bestimmten dynamischen Eigenschaften der Zelle adäquat widerspiegelt. Eine Analyse auf Materialgesetzebene zeigt, daß dafür reine Schubdämpfung und damit eine spezielle Anisotropie im Viskositätstensor verantwortlich ist. Diese Eigenschaft bestimmt das dynamische Verhalten der äußeren Haarsinneszelle bis mindestens 10 kHz und liegt damit im Hörbereich. Der Modellierung der Zelle geht eine angepaßte Auswertung der experimentell ermittelten Daten voraus. Die mechanisch geeignete Auswertung der zugrundeliegenden Experimente weist dabei auf mögliche Fehlerquellen bei der Analyse der Rohdaten hin. Das hat zur Konsequenz, daß der experimentellen Umgebung die gleiche Aufmerksamkeit geschenkt werden muß wie dem Meßobjekt selbst. Nur so kann eine geeignete Extraktion der für das Meßobjekt spezifischen Eigenschaften erfolgen.

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