功能性近紅外腦成像研究雙側(cè)中度以上聽力損失對嬰兒大腦皮層功能的影響△

龍越 賈高鼎 劉一迪 劉廣芳 牛海晶 耿江橋 劉海紅

聽覺皮層形成是神經(jīng)生物學(xué)和聽覺刺激輸入之間復(fù)雜的相互作用結(jié)果，聽覺皮層的發(fā)育成熟依賴于有效的聽覺刺激輸入[1]。前期研究已報道擬進(jìn)行人工耳蝸植入(cochlear implant,CI)兒童顳上回(superior temporal gyrus,STG)和顳上溝(superior temporal sulcus,STS)在結(jié)構(gòu)核磁圖像上與同齡聽力正常兒童(年齡<3.5歲)存在顯著差異，表明極重度聽力損失導(dǎo)致的聽覺刺激輸入受阻，至少已影響了3.5歲兒童的聽覺皮層發(fā)育[2]，從皮層可塑性方面進(jìn)一步解釋了早期植入人工耳蝸兒童干預(yù)效果更好的原因[3]。許多研究報道早期植入的CI兒童具有語言理解和表達(dá)優(yōu)勢[4,5](以12月/18月為界限進(jìn)行比較)，基于此提出假設(shè)，即使是短期的聽覺剝奪也會導(dǎo)致皮層功能的改變，從而影響干預(yù)后的聽覺言語能力。

功能性近紅外腦成像技術(shù)(functional near-infrared spectroscopy,fNIRS)是一項新興的非侵入性的光學(xué)成像技術(shù)，通過測量經(jīng)人體組織散射的近紅外光(650～950 nm)密度變化監(jiān)測大腦活動[6]。氧合血紅蛋白(HbO)和脫氧血紅蛋白(HbR)是人體組織中吸收近紅外光的主要物質(zhì)，通過測量經(jīng)皮層漫散射后的光密度變化計算獲得HbO和HbR的濃度變化，從而得知皮層血流量變化，進(jìn)一步獲得神經(jīng)功能狀態(tài)[7]。fNIRS技術(shù)記錄時無過多噪聲干擾，對測試環(huán)境要求低，信號質(zhì)量受頭動干擾小，低齡嬰幼兒可在家長懷抱中進(jìn)行，因此適用于嬰幼兒或者是疾病兒童腦功能的研究。

隨著新生兒聽力篩查和耳聾基因聯(lián)合篩查的有效實施，絕大多數(shù)聽力損失嬰兒已經(jīng)實現(xiàn)早期診斷。根據(jù)指南[8, 9]按時進(jìn)行早期干預(yù)的嬰兒雖逐年增多，但依然存在干預(yù)不及時等問題。本研究利用fNIRS技術(shù)，對3 ～ 6月齡聽力正常及聽力損失嬰兒進(jìn)行靜息狀態(tài)下的大腦皮層功能評估，探討外周聽覺通路異常是否在生命早期已對皮層功能的發(fā)育產(chǎn)生影響，以期為聽力損失早期干預(yù)的必要性提供客觀依據(jù)，為兒童早期聽力損失干預(yù)及康復(fù)計劃的制定提供參考。

1 資料與方法

1.1研究對象及分組 本研究共收集3～6月齡嬰兒55例，經(jīng)初步數(shù)據(jù)處理，因信號質(zhì)量欠佳排除受試者5例，剩余50例納入最終的數(shù)據(jù)處理，其中聽力正常受試者35例(聽力正常組)，年齡3.0～5.9月，平均4.03±1.13月；雙側(cè)對稱性中度及以上程度感音神經(jīng)性聽力損失受試者15例(聽力損失組)，年齡3.0～5.8月，平均4.21±0.86月。所有受試者均為新生兒聽力篩查未通過轉(zhuǎn)診至首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京兒童醫(yī)院進(jìn)行聽力診斷嬰兒，足月產(chǎn)，出生時除聽力篩查未通過外無其他異常，未合并其他神經(jīng)、精神疾病，無發(fā)育遲緩。所有受試者1 000 Hz鼓室導(dǎo)抗圖均為“單峰”，經(jīng)聽力診斷無聽神經(jīng)病者。受試者在進(jìn)行fNIRS測試前家長均已簽署知情同意書。

1.2研究方法

1.2.1聽力測試 聽力測試前，所有受試者均經(jīng)電耳鏡檢查，排除外耳道耵聹阻塞等影響。服用10%水合氯醛鎮(zhèn)靜，熟睡后進(jìn)行聽力診斷。包括聲導(dǎo)抗、聽性腦干反應(yīng)(ABR)、聽性穩(wěn)態(tài)反應(yīng)(ASSR)、畸變產(chǎn)物耳聲發(fā)射(DPOAE)，對于重度及以上聽力損失者加做耳蝸微音電位(CM)。

以ABR反應(yīng)閾值作為分組依據(jù)，聽力正常組受試者雙耳ABR閾值均≤20 dB nHL,聽力損失組受試者雙耳均為中度及以上對稱性聽力損失(ABR閾值均≥40 dB nHL且耳間差值≤10 dB)。

1.2.2fNIRS檢測 采用靜息態(tài)fNIRS檢測，測試在標(biāo)準(zhǔn)隔聲室中進(jìn)行。采用64通道SmartNIRS系統(tǒng)，探測光波長為760 nm和850 nm，采樣頻率10 Hz。測試陣列由24個發(fā)射光源和16個接收探頭組成(共64個通道)，光源、探頭之間距離為3 cm，放置時參照國際標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)10-20系統(tǒng)，同時以T3(左顳中)、T4(右顳中)、Fz(額中點)、Cz(中央點)及Oz(枕點)為參考點，測試區(qū)域覆蓋雙側(cè)顳葉、額葉、枕葉腦區(qū)(圖1)。測試時受試嬰兒由家長懷抱，處于安靜睡眠狀態(tài)并頭戴定制fNIRS測試帽，測試時間10分鐘。測試前囑咐家長在測試過程中保持安靜并且維持固定姿勢，以保證信號質(zhì)量穩(wěn)定。

圖1 fNIRS測試陣列排布圖 紅點:發(fā)射光源;黑點:接收探頭;綠點:放置參照位點;數(shù)字代表測試通道

1.3數(shù)據(jù)分析

1.3.1預(yù)處理 fNIRS數(shù)據(jù)采用北京師范大學(xué)開發(fā)的FC_NIRS軟件進(jìn)行分析。首先，將原始光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)換為光密度數(shù)據(jù)；其次，采用滑動窗的方法識別信號中的頭動(窗長2 s，異常值標(biāo)準(zhǔn)為4倍標(biāo)準(zhǔn)差)并采用3次樣條插值矯正頭動；第三，通過帶通濾波(0.01～0.1 Hz)去除呼吸、心跳等高頻噪聲及低頻數(shù)據(jù)漂移；第四，采用比爾-朗伯定律(Beer-Lambert Law)將光密度值轉(zhuǎn)化為HbO和HbR的相對濃度變化；最后，截取血氧信號中相對最平穩(wěn)的5分鐘數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)分析。

1.3.2半球自主性系數(shù)(hemispheric autonomy index，AI) 本研究采用AI來評估大腦皮層的功能特性，計算公式如下：

AI=Ni/Hi-Nc/Hc

其中，i代表任意通道，Ni代表同側(cè)半球與通道i存在功能連接的通道個數(shù)；Nc代表對側(cè)半球中與通道i存在功能連接的通道個數(shù)；Hi與Hc分別代表同側(cè)和對側(cè)半球的通道總個數(shù)(當(dāng)全部通道信號質(zhì)量良好時Hi=Hc=32)，文中呈現(xiàn)的結(jié)果以r=0.25為閾值，任何兩個通道間的功能連接強(qiáng)度若小于等于該閾值，則認(rèn)為兩通道之間不存在功能連接(計數(shù)為0)，兩個通道間的功能連接強(qiáng)度若大于該閾值，則認(rèn)為存在功能連接(計數(shù)為1)。由此可見，AI是一個百分比，是半球內(nèi)(Ni/Hi)與半球間(Nc/Hc)的功能連接差異，值越大代表該通道和半球內(nèi)連接強(qiáng)度越高于半球間，對比雙側(cè)半球的AI值可以反映大腦偏側(cè)化程度[10]。

1.3.3聚類分析 以聽力正常受試者為對象，首先將每個個體(n=35)的每個通道(n=64)的時間序列數(shù)據(jù)(n=3 000)進(jìn)行拼接，得到一個64×(35×3 000)的基于組水平的二維矩陣；其次計算通道兩兩之間的相關(guān)系數(shù)得到通道的相似矩陣；之后定義兩通道間的距離d(d=1-r)，計算得到相關(guān)矩陣的距離矩陣；最后采用ward法為連接函數(shù)對測試通道進(jìn)行層級聚類。將層級聚類分析所得的大腦皮層劃分結(jié)果應(yīng)用到兩組受試者，探討兩組受試者大腦皮層的功能側(cè)化差異。

1.4統(tǒng)計學(xué)方法 為盡可能控制個體差異，采用混合線性效應(yīng)模型(linear mix model，LMM)進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析[11]，探討左右同源腦區(qū)的AI值在兩組受試者的差異。數(shù)據(jù)分析使用R數(shù)據(jù)分析包lmer4。混合線性效應(yīng)模型中受試者、通道為隨機(jī)因子，組別及左右同源腦區(qū)為固定因子。與一般線性模型(general linear model，GLM)相比，LMM的數(shù)據(jù)擬合的前提與GLM相同，但LMM在考察組間差異的同時能控制不同個體之間的差異和不同通道的腦區(qū)特異性位置差異，統(tǒng)計檢驗效力更高，更符合數(shù)據(jù)實際情形分析。

2 結(jié)果

2.13～6月齡嬰兒大腦分區(qū)及AI 層級聚類的結(jié)果顯示64個通道被分為四大類(圖2)，依次覆蓋大腦的額葉網(wǎng)絡(luò)、雙側(cè)顳葉網(wǎng)絡(luò)及枕葉網(wǎng)絡(luò)，結(jié)果表明3 ～ 6月嬰兒大腦功能分區(qū)已較為穩(wěn)定。AI的空間分布顯示對于聽力正常嬰兒，左側(cè)顳葉網(wǎng)絡(luò)及額顳聯(lián)合區(qū)兩個聽覺語言相關(guān)網(wǎng)絡(luò)的半球自主性明顯強(qiáng)于其他網(wǎng)絡(luò)，表明聽力正常嬰兒3 ～ 6月齡時已表現(xiàn)出左側(cè)的偏側(cè)化趨勢，然而聽力損失嬰兒沒有表現(xiàn)出類似模式(圖3)。

圖3 兩組嬰兒AI空間分布 a.半球內(nèi)功能連接性(Ni/Hi);b.半球間功能連接性(Nc/Hc);c.半球自主性系數(shù)(AI);NH:聽力正常組;HL:聽力損失組;圖中數(shù)字為通道;c列為a列與b列相減所得結(jié)果,越趨向于紅色代表半球自主性越高,NH組受試者左側(cè)半球自主性明顯高于右側(cè),表明存在左側(cè)偏側(cè)化;HL組受試者左右半球自主性相似,無明顯偏側(cè)化趨勢

2.2兩組嬰兒同源腦區(qū)偏側(cè)化差異 結(jié)果表明，聽力正常組受試者的左右額葉間AI沒有表現(xiàn)出差異(L-R=0.001 8±0.018 8，P=0.922 8)，而聽力損失組受試者左側(cè)額葉AI顯著高于右側(cè)(L-R=0.064 3±0.018 7，P<0.000 1)，呈現(xiàn)偏側(cè)化趨勢；聽力正常組受試者左側(cè)顳葉AI顯著高于右側(cè)(L-R=0.075 1±0.014 8，P<0.000 1)，呈現(xiàn)偏側(cè)化趨勢，而聽力損失組受試者左右顳葉間則沒有差異(L-R=-0.007 5±0.014 8，P=0.611 6)；兩組受試者左右枕葉間網(wǎng)絡(luò)AI均無差異(聽力正常組L-R=0.021 2±0.022 0，P=0.294 6；聽力損失組L-R=0.014 3±0.020 2，P=0.481 2)(表1，圖4)。

表1 兩組受試者左右同源腦區(qū)AI均值

圖4 兩組嬰兒左右同源腦區(qū)偏側(cè)化差異 HL:聽力損失組;NH:聽力正常組;??P<0.01;a.NH組受試者雙側(cè)額葉AI無差異,HL組受試者左側(cè)額葉AI顯著高于右側(cè);b.NH組受試者左側(cè)顳葉AI顯著高于右側(cè),HL組受試者雙側(cè)顳葉AI無顯著差異;c.兩組兒童雙側(cè)枕葉AI均無顯著差異

3 討論

聽覺發(fā)育是一個復(fù)雜的過程，依賴于外部感覺刺激的有效輸入，聽覺在出生前就已發(fā)育，胎兒在妊娠25至27周即可接受聲音刺激，母親的心跳和語音等低頻聲音可引起胎兒連續(xù)可測的生理反應(yīng)。成熟的胎兒在妊娠晚期和出生后不久便可對更廣泛的聲音頻率做出反應(yīng)[12]，然而個體在出生時,聽覺皮層中的神經(jīng)元之間的功能連接尚未完全建立。當(dāng)接收到聽覺刺激時,刺激引起的信號從毛細(xì)胞經(jīng)通路傳導(dǎo)到初級聽覺皮層, 進(jìn)而又向次級聽覺皮層傳導(dǎo)；在信號傳導(dǎo)過程中, 所涉及的神經(jīng)元之間建立起基于突觸的功能連接,并不斷得到鞏固,形成有序的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[13]。對成人的研究表明長期的聽覺剝奪會導(dǎo)致皮層功能的改變[14,15]。本研究選擇的雙側(cè)中度及以上程度感音神經(jīng)性聽力損失受試者均為早期聽力檢查診斷為聽力損失但尚未接受聽覺干預(yù)的3～6月齡嬰兒，以期探索短期聽覺剝奪對皮層功能的影響，為聽力損失干預(yù)時機(jī)的選擇提供依據(jù)。

fNIRS研究領(lǐng)域之一是通過皮層自發(fā)性低頻神經(jīng)活動研究不同皮層區(qū)域之間的相互作用[16]，這種神經(jīng)活動以靜息狀態(tài)下(無刺激輸入)血氧水平的緩慢變化形式出現(xiàn)。在解剖位置不相鄰腦區(qū)之間的自發(fā)性神經(jīng)活動同步化稱為靜息態(tài)功能連接(resting state functional connectivity,RSFC)，這一現(xiàn)象已在多個皮層系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，并且已經(jīng)用于映射腦功能網(wǎng)絡(luò)，例如：感覺、運(yùn)動、視覺和聽覺，以及諸如語言和注意力等更高網(wǎng)絡(luò)[17]。RSFC反映了靜息狀態(tài)期間神經(jīng)元群體之間的相互作用，對其研究有助于洞察人腦的內(nèi)在功能結(jié)構(gòu)。RSFC越來越多的被用于神經(jīng)、精神疾病患者神經(jīng)功能的研究[7]。

偏側(cè)化是人類大腦的一種屬性，有利于信息的高效快速處理，研究偏側(cè)化對理解人類大腦發(fā)育和各種神經(jīng)系統(tǒng)疾病具有重要意義。本研究通過可反映皮層功能偏側(cè)化的AI評估受試者大腦皮層RSFC，關(guān)注的是功能連接的性質(zhì)而不是強(qiáng)度。這種方法是基于半球內(nèi)和半球間功能連接的比較，反映的是半球內(nèi)和半球間功能連接的不平衡，通過對比左右半球AI大小，間接地反映了皮層偏側(cè)化，而不是對偏側(cè)化系數(shù)(laterality index,LI)的直接計算(LI=(L-R)/(L+R))[18,19]。因此，該方法不會受到雙側(cè)半球解剖對稱性假設(shè)的影響[10]，同時也可以彌補(bǔ)fNIRS空間分辨率較低無法精準(zhǔn)定位腦區(qū)的不足。需要說明的是，本研究采用的是靜息狀態(tài)下大腦皮層功能連接測試，皮層神經(jīng)自發(fā)活動和任務(wù)誘發(fā)活動均有其獨特的功能網(wǎng)絡(luò)屬性，因此 RSFC可能不同于任務(wù)態(tài)下的功能連接結(jié)果[20]。

本研究結(jié)果表明,3～6月齡雙側(cè)對稱性中度及以上程度感音神經(jīng)性聽力損失嬰兒皮層功能與同齡聽力正常嬰兒已產(chǎn)生差異，從圖3可以看到聽力正常嬰兒有明顯的偏側(cè)化趨勢，左半球AI明顯高于右半球，與前期針對聽力正常成人功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)研究得到的左側(cè)腦區(qū)半球內(nèi)功能連接更強(qiáng)，右側(cè)腦區(qū)半球間功能連接更強(qiáng)的結(jié)果相一致[21]；而聽力損失嬰兒雙側(cè)半球沒有明顯的偏側(cè)化趨勢，當(dāng)劃分腦區(qū)進(jìn)行研究時，兩組嬰兒的額葉、顳葉存在偏側(cè)化差異,具體表現(xiàn)為：聽力正常嬰兒顳葉呈現(xiàn)左側(cè)偏側(cè)化，與Molavi等[17]對于新生兒靜息態(tài)fNIRS研究以及Wang等[10]對于成人靜息態(tài)fMRI研究發(fā)現(xiàn)的聽覺語言相關(guān)的腦區(qū)有明顯的左半球偏側(cè)化相一致；而聽力異常嬰兒左右顳葉的自主性系數(shù)無明顯差異，這一結(jié)果提示即使是短期的聽覺輸入缺乏也會影響聽覺相關(guān)腦區(qū)(顳葉皮層)的正常發(fā)育。早期的聽覺剝奪會引起聽覺中樞的改變，表現(xiàn)為初級聽覺皮層的失同步化(顆粒層以下活動減少)[22]，初級聽覺皮層與次級聽覺皮層之間功能聯(lián)系及將信息向更高級皮層傳遞的能力減弱，以及高級皮層對初級聽覺皮層“自上而下”的調(diào)節(jié)作用減弱，同時還可能存在跨模式重組及次級聽覺皮層被其他感覺通道占用[13]。另外,聽力正常嬰兒雙側(cè)額葉自主性系數(shù)相似而聽力損失嬰兒卻存在左側(cè)偏側(cè)化趨勢，推測這可能是由于代償機(jī)制所致；人類大腦皮層是一個復(fù)雜且動態(tài)變化的系統(tǒng)，表現(xiàn)為不同腦網(wǎng)絡(luò)間結(jié)構(gòu)、功能的相互關(guān)聯(lián)和信息的有效傳遞[23]，在聽覺剝奪后聽覺皮層功能減退的同時亦存在著非聽覺皮層的代償性功能增強(qiáng)[24]。Peelle等[25]研究也提示大腦會通過激活下額葉(參與記憶、分析等認(rèn)知功能)幫助理解經(jīng)編碼理解度下降的語言任務(wù)。

綜上所述，雙側(cè)對稱性中度及以上程度感音神經(jīng)性聽力損失嬰兒在3 ～ 6月齡時皮層功能已與聽力正常嬰兒產(chǎn)生差異。雖然出生時初級聽覺皮層、次級聽覺皮層以及更高級的皮質(zhì)區(qū)域已經(jīng)形成，然而它們的發(fā)育成熟依賴于聽覺刺激的輸入及在信息傳遞過程中各級神經(jīng)元之間的相互作用。先天性聽力損失嬰兒缺乏有效的聽覺刺激輸入,“自下而上”的聽覺學(xué)習(xí)不能得到充分的發(fā)展，雖然具有良好的皮層可塑性，但是又缺乏成熟聽覺皮層具有的“自上而下”的監(jiān)督與調(diào)節(jié)作用，無法抑制聽覺皮層跨模式重組(聽覺皮層被占據(jù)用于處理其他感覺，如視覺刺激)的發(fā)生[22]。因此對于確診為永久性聽力損失的嬰兒，應(yīng)嚴(yán)格根據(jù)《新生兒聽力篩查技術(shù)規(guī)范(2010)》[8]在出生6個月內(nèi)盡早采取干預(yù)措施，對于超過此年齡限度的兒童在確診為聽力損失后也應(yīng)盡早干預(yù)，使聽力損失兒童在皮層可塑性良好的干預(yù)敏感期內(nèi)獲得有效的聽覺輸入，使大腦皮層趨向正常化發(fā)展，從而使其在干預(yù)后獲得更好的聽覺言語能力。