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Diss. ETH No. 16941

A Biomorphic Electronic Hopf Cochlea

A dissertation subrnitted to theSWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY

ZURICH

for the degree ofPhD. ETH Zrich

presented byJOHANNES PETRUS VAN DER VYVER

M. Ing. E.E. (RAU)born January 22, 1975

submitted toProf. Dr. Hans-Andrea Loeliger, exarninerPD PD Dr. habil Ruedi Stoop, co-examinerProf. Dr. habil Willi-Hans Steeb, co-examiner

2007

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Abstract

The mammalian hearing organ is an example of a sublime sensor; one of nature's finest. Ie,the alive cochlea's signal processing capabilities allow mammals to pick out specific sounds, oreven voicos, in high noise environments. The cochlea processes sounds by hydro-mechanicallydecomposing auditory signals into their component frequencies along its basilar membrane.This displacement of the basilar membrane can be augmented with cnergy injeetions, ie, activeamplification, strongly amplifying small signals - resulting in the exceptional ability to hearsoft sounds. Of all the nonlinear phenomena exhibited by the alive cochlea the compressivenonlinearity exemplifies the ear's ability to hear soft sounds.Eguiluz et al postula tcd that a single kind of aetive amplification mechanism was theroot cause of the nonlinear phenomena exhibited by the alive cochlea - a nonlinear oscillatorpoised near a Hopf bifurcation, Kern and Stoop's biomorphic Hopf cochlea model" subsequently proved the validity of using the driven Hopf ordinary differential equation as activeamplifier in a cochlea modeL This model accurately captured cochlear phenomena characteristic of the alive cochlea, eg, velicometric basilar membrane response that contains thecompressive nonlinearity, and two-tone suppression. However, the numcrical intraetability ofthe biomorphic Hopf cochlea model in the time-domain, precipitated the need for an electroniccochlea circuit.

Building on this foundation, the aim of this thesis is to electronically realise the same signal processing mechanisms exploited by the alive mammalian cochlea. Using the biomorphicansatz the design originates from basic mechanisms: The cochlea is decomposed into passivecochlear hydrodynamics and the active injections of energy, as a cascade of passive and activeunits respectively. The Hopf amplifier, as active amplification unit a focal part of this thesis,is dissected in a dimensionless design and translated into a novel electronic circuit. A Butterworth filter is chosen as a minirnalistic, but feasible passive unit. The coupling betwccnthe active and passive units is reduced to the bare essentials by interleaving the passive andactive units to create a single compound mode of signal propagation. From the biomorphicansatz rigour follows a simple circuit with exceptional signal processing abilities, capable ofaccurately reproducing the alive cochlea's basilar membrane response. Furthermore, its signalprocessing capabilities far exceeds that of the best existing cochlear circuits.

With this biomorphic electronic Hopf cochlea* the time-domain response to real-worldspeech signals can bc invcstigatcd. Furthermore, the circuit's small-signal gain control allowsa direct investigation of the potential infiucnce of auditory cortex feedback. Thus providing aspringboard from hearing to attack the problern of listcning.Keywords: cochlea, hearing, biomorphic ansatz, Hopf amplifier, dimensionless design, electronic circuit.

* Note that this thesis contains two very similar tcrrns to rcfcr to two dis tinct things - Kern and Stoop'sbiottiorphic Hopf cochlea model was the inspiration for the design of the biomorphic electronic Hopf cochlea.

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Kurzfassung

Das Hrorgan der Sugetiere ist ein hochentwickelter akustischer Sensor, der spezifischeGerusche wie beispielsweise Stimmen selbst dann selektiv wahrnehmen kann, wenn diesedurch Hintergrundgerusche verdeckt werden. Diese Leistungen erreicht dieses Sinnesorgandurch die nichtlineare Signalverarbeitung in der Cochlea (Gehrschnecke im Innenohr). In derCochlea erfolgt die Transduktion des physikalischen Schallsignals-- reprsentiert durch eineWanderwelle auf der Basilarmembran - in Nervenimpulse mit Hilfe der inneren Haarzellen.Durch einen Rckkopplungsmechanismus via die usseren Haarzellen kann die Auslenkung derBasilarmembran und damit das Signal derart verstrkt werden, dass das Hrorgan die obengenannte selektive Wahrnehmungsfhigkeit erreicht. Dadurch erreicht die Cochlea unter anderem die Fhigkeit der kompressiven Nichtlincaritt, d.h. die selektive Verstrkung schwacherSignale.

Eguiluz et al haben postuliert, dass ein mit der Hopf-Bifurkation beschreibbarer nichtlinearer Oszillator die genannte Nichtlinearitt zu erklren vermag. Darauf aufbauend entwickelten Kern und Stoop ein biomorphes Cochleamodell, welches den Hopf-Ansatz grundstzlichbesttigt, gleichzeitig aber zeigt, dass die Hopf-Gleichung, welche als mathematisches Modellder Cochlea dient, subkritisch getunt sein muss. Das Modell von Kern und Stoop reproduziertdie physiologischen Messungen der Basilarmembranauslenkung auf bisher unerreichte Weise.Fr zeitlich vernderliche Signale wird jedoch der numerische Aufwand fr die Berechnung desAntwortverhaltens der Cochlea durch das Modellunpraktikabel. Da in praktischen Abwendungen des Modells zeitlich vernderliche Signale die Regel sind, ist eine elektronische Realisierungdes biomorphen Modells wnschenswert. Das Ziel dieser Dissertation besteht darin, basierendauf dem Modell von Kern und Stoop die biologische Signalverarbeitung der Sugetiercochleaelektronische nachzubilden.

Zu diesem Zweck lsst sich die Cochleadynamik in einen passiven (die passive Wanderwelle der Basilarmembran) und einen aktiven Teil (die aktive Verstrkung durch die usserenHaarzellen) unterteilen. Die Cochlea wird dabei als eine Kaskade solcher gekoppelter aktiverund passiver Bauelemente aufgebaut. Der Hopf-Verstrker, das Kernbauelement, basiert aufeinem dimensionslosen Design und wird in einem neuartigen Schaltkreis realisiert. Der passiveTeil wird durch einen Butterworth-Filter realisiert, ein minimales, den Erfordernissen aberangepasstes Bauelement. Die Kopplung zwischen dem aktiven und dem passiven Bauelementwird dabei auf das Wesentliche realisiert, einer Zwischenlegung der Elemente, um einen einzeln zusammengesetzten Signalgang zu bilden. Der biomorphe Ansatz fhrt somit zu einemeinfachen Schaltkreis, der sich jedoch durch aussergewhnliche Fhigkeiten in der Signalverarbeitung auszeichnet. Insbesondere vermag dieser Schaltkreis die komprcssive Nichtlinearittder Cochlea erstaunlich przise zu reproduzieren. Die in dieser Arbeit realisierte elektronischeCochlea ermglicht die Analyse zeitvernderliche Eingangssignale, wie beispielsweise Stimmen,in Echtzeit. Damit ist ein Instrument geschaffen worden, welches den Cocktailparty-Effekt ei-

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ner natrlichen Cochlea nachbilden kann.Kurzfassung

Stichworte: Cochlea, Hren, biomorpher Ansatz, Hopf-Verstrker, dimensionloses Design,elektronischer Schaltkreis.