ABSTRACT Throughout the brain, neurons exhibit a remarkable capacity to maintain stable firing rates despite large perturbations in afferent activity levels. As an exception, homeostatic regulation of neural activity often fails in the adult auditory system after hearing loss. Cochlear deafferentation caused by aging or noise exposure triggers widespread neural hyperactivity, particularly in the auditory cortex (ACtx), which underlies perceptual disorders including tinnitus and hyperacusis. Here, we show that mice with noise-induced damage of the high-frequency cochlear base were behaviorally hypersensitive to spared mid-frequency tones and to direct optogenetic stimulation of auditory thalamocortical neurons. Chronic 2-photon calcium imaging from ACtx pyramidal neurons (PyrNs) revealed an initial stage of diffuse hyperactivity, hypercorrelation, and hyperresponsivity that consolidated around deafferented map regions three or more days after acoustic trauma. Deafferented PyrN ensembles displayed hypersensitive decoding of spared mid-frequency tones, mirroring behavioral hypersensitivity. At the level of individual PyrNs, some exhibited stable, homeostatic gain control after acoustic trauma, while others showed non-homeostatic excess gain. Interestingly, factors such as baseline spontaneous activity levels and sound level encoding could account for 40% of the variability in PyrN gain regulation after acoustic trauma. These findings suggest that non-homeostatic regulation of cortical sound intensity coding following sensorineural loss may underlie the well-established clinical phenomenon of loudness hypersensitivity. Further, while cortical gain changes are triggered by reduced bottom-up afferent input, their subsequent stabilization is also shaped by their local circuit milieu, where baseline response features can identify neurons with the greatest propensity for developing pathological hyperactivity following sensorineural hearing loss.

Abstract Auditory neural coding of speech-relevant temporal cues can be noninvasively probed using envelope following responses (EFRs), neural ensemble responses phase-locked to the stimulus amplitude envelope. EFRs emphasize different neural generators, such as the auditory brainstem or auditory cortex, by altering the temporal modulation rate of the stimulus. EFRs can be an important diagnostic tool to assess auditory neural coding deficits that go beyond traditional audiometric estimations. Existing approaches to measure EFRs use discrete amplitude modulated (AM) tones of varying modulation frequencies, which is time consuming and inefficient, impeding clinical translation. Here we present a faster and more efficient framework to measure EFRs across a range of AM frequencies using stimuli that dynamically vary in modulation rates, combined with spectrally specific analyses that offer optimal spectrotemporal resolution. EFRs obtained from several species (humans, Mongolian gerbils, Fischer-344 rats, and Cba/CaJ mice) showed robust, high-SNR tracking of dynamic AM trajectories (up to 800Hz in humans, and 1.4 kHz in rodents), with a fivefold decrease in recording time and thirtyfold increase in spectrotemporal resolution. EFR amplitudes between dynamic AM stimuli and traditional discrete AM tokens within the same subjects were highly correlated (94% variance explained) across species. Hence, we establish a time-efficient and spectrally specific approach to measure EFRs. These results could yield novel clinical diagnostics for precision audiology approaches by enabling rapid, objective assessment of temporal processing along the entire auditory neuraxis.

Optimal speech perception in noise requires successful separation of the target speech stream from multiple competing background speech streams. The ability to segregate these competing speech streams depends on the fidelity of bottom-up neural representations of sensory information in the auditory system and top-down influences of effortful listening. Here, we use objective neurophysiological measures of bottom-up temporal processing using envelope-following responses (EFRs) to amplitude modulated tones and investigate their interactions with pupil-indexed listening effort, as it relates to performance on the Quick speech in noise (QuickSIN) test in young adult listeners with clinically normal hearing thresholds. We developed an approach using ear-canal electrodes and adjusting electrode montages for modulation rate ranges, which extended the rage of reliable EFR measurements as high as 1024Hz. Pupillary responses revealed changes in listening effort at the two most difficult signal-to-noise ratios (SNR), but behavioral deficits at the hardest SNR only. Neither pupil-indexed listening effort nor the slope of the EFR decay function independently related to QuickSIN performance. However, a linear model using the combination of EFRs and pupil metrics significantly explained variance in QuickSIN performance. These results suggest a synergistic interaction between bottom-up sensory coding and top-down measures of listening effort as it relates to speech perception in noise. These findings can inform the development of next-generation tests for hearing deficits in listeners with normal-hearing thresholds that incorporates a multi-dimensional approach to understanding speech intelligibility deficits.

Hearing impairment in aging is thought to arise from impaired temporal processing in auditory circuits. We used a systems-level (scalp recordings) and a microcircuit-level (extracellular recordings) approach to investigate how aging affects the sensitivity to temporal envelopes of speech-like sounds in rats. Scalp-recorded potentials suggest an age-related increase in sensitivity to temporal regularity along the ascending auditory pathway. The underlying cellular changes in the midbrain were examined using extracellular recordings from inferior colliculus neurons. We observed an age-related increase in sensitivity to the sound's onset and temporal regularity (i.e., periodicity envelope) in the spiking output of inferior colliculus neurons, relative to their synaptic inputs (local field potentials). This relative enhancement for aged animals was most prominent for multi-unit (relative to single-unit) spiking activity. Spontaneous multi-unit, but not single-unit, activity was also enhanced in aged compared to young animals. Our results suggest that aging is associated with altered sensitivity to a sound's temporal regularities, and that these effects may be due to increased gain of neural network activity in the midbrain.

Abstract Middle-age is a critical period of rapid changes in brain function that presents an opportunity for early diagnostics and intervention for neurodegenerative conditions later in life. Hearing loss is one such early indicator linked to many comorbidities later in life. However, current clinical tests fail to capture hearing difficulties for ∼10% of middle-aged adults seeking help at hearing clinics. Cochlear neural degeneration (CND) could play a role in these hearing deficits, but our current understanding is limited by the lack of objective diagnostics and uncertainty regarding its perceptual consequences. Here, using a cross-species approach, we measured envelope following responses (EFRs) – neural ensemble responses to sound originating from the peripheral auditory pathway – in young and middle-aged adults with normal audiometric thresholds, and compared these responses to young and middle-aged Mongolian gerbils, where CND was histologically confirmed. We observed near identical changes in EFRs across species that were associated with CND. Perceptual effects measured as behavioral readouts showed deficits in the most challenging listening conditions and were associated with CND. Additionally, pupil-indexed listening effort increased even at moderate task difficulties where behavioral outcomes were matched. Our results reveal perceptual deficits in middle-aged adults driven by CND and increases in listening effort, which may result in increased listening fatigue and conversational disengagement.

Speech perception declines independent of hearing thresholds in middle-age, and the neurobiological reasons are unclear. In line with the age-related neural dedifferentiation hypothesis, we predicted that middle-aged adults show less distinct cortical representations of phonemes and acoustic-phonetic features relative to younger adults. In addition to an extensive audiological, auditory electrophysiological, and speech perceptual test battery, we measured electroencephalographic responses time-locked to phoneme instances (phoneme-related potential; PRP) in naturalistic, continuous speech and trained neural network classifiers to predict phonemes from these responses. Consistent with age-related neural dedifferentiation, phoneme predictions were less accurate, more uncertain, and involved a broader network for middle-aged adults compared with younger adults. Representational similarity analysis revealed that the featural relationship between phonemes was less robust in middle-age. Electrophysiological and behavioral measures revealed signatures of cochlear neural degeneration (CND) and speech perceptual deficits in middle-aged adults relative to younger adults. Consistent with prior work in animal models, signatures of CND were associated with greater cortical dedifferentiation, explaining nearly a third of the variance in PRP prediction accuracy together with measures of acoustic neural processing. Notably, even after controlling for CND signatures and acoustic processing abilities, age-group differences in PRP prediction accuracy remained. Overall, our results reveal "fuzzier" phonemic representations, suggesting that age-related cortical neural dedifferentiation can occur even in middle-age and may underlie speech perceptual challenges, despite a normal audiogram.

In social settings, speech waveforms from nearby speakers mix together in our ear canals. The brain unmixes the attended speech stream from the chorus of background speakers using a combination of fast temporal processing and cognitive active listening mechanisms. Multi-talker speech perception is vulnerable to aging or auditory abuse. We found that ~10% of adult visitors to our clinic have no measurable hearing loss, yet offer a primary complaint of poor hearing. Multi-talker speech intelligibility in these adults was strongly correlated with neural phase locking to frequency modulation (FM) cues, as determined from ear canal EEG recordings. Combining neural temporal fine structure (TFS) processing with pupil-indexed measures of cognitive listening effort could predict most of the individual variance in speech intelligibility thresholds. These findings identify a confluence of disordered bottom-up and top-down processes that predict poor multi-talker speech perception and could be useful in next-generation tests of hidden hearing disorders.