瞳孔追蹤技術(shù)在客觀量化老年人聽配能中的考慮

張敏 王嬌鋒 傅蕾 陳潔 保志軍 Catherine V.Palmer

大腦認(rèn)知活動(dòng)能夠通過生理變量反映出來[1，2]。Andreassi[3]指出，當(dāng)人調(diào)用大腦認(rèn)知儲(chǔ)備（如思考）時(shí)，以及當(dāng)精神上體驗(yàn)該配能（effort）使用的過程時(shí)，人的身體便形成一個(gè)影響呼吸速率、血壓、心率、皮膚電導(dǎo)和瞳孔直徑等各種可檢測反應(yīng)的“場”。聽配能（listening effort）的量化技術(shù)就是基于這些可檢測的生理反應(yīng)孕育而生，其中包括瞳孔擴(kuò)張[4～8]、皮膚電導(dǎo)、皮膚溫度[8]、心率和心率變異度[9]、肌電圖（elecfro myography，EMG）[8]唾液皮質(zhì)醇濃度[10]，聽覺誘發(fā)電位[11～15]和腦血氧水平[16]。生理測量有實(shí)時(shí)連續(xù)性的優(yōu)點(diǎn)。它能夠?qū)崟r(shí)并持續(xù)地記錄任務(wù)誘發(fā)聽配能當(dāng)下的機(jī)體生理反應(yīng)，直到任務(wù)結(jié)束，已逐漸成為認(rèn)知聽力學(xué)領(lǐng)域里客觀測量聽配能變化的重要手段。

Kahneman[4]認(rèn)為，一個(gè)好的生理測量工具應(yīng)該具備以下3個(gè)條件：①對同一任務(wù)內(nèi)不同變量的改變要敏感；②對不同任務(wù)要敏感；③對個(gè)體間差異要敏感。目前在所有測量配能的生理手段中，瞳孔擴(kuò)張相對而言是最可靠的指標(biāo)。

1 瞳孔擴(kuò)張標(biāo)示聽配能的基本原理

心理活動(dòng)過程中瞳孔擴(kuò)張的現(xiàn)象在神經(jīng)生理學(xué)中廣為人知。瞳孔直徑的變化是對完成任務(wù)時(shí)投入的配能（effort）的敏感度量。Lururi[17]闡明了認(rèn)知活動(dòng)與自主生理活動(dòng)之間的聯(lián)系，指出維持大腦皮層最佳喚醒水平的結(jié)構(gòu)位于腦干的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而不是皮質(zhì)本身。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的傳出纖維往往呈分叉走行，一個(gè)分支向上發(fā)送到更高的神經(jīng)結(jié)構(gòu)，如丘腦、尾狀體，并終于新皮層；另一個(gè)分支則下行與各種運(yùn)動(dòng)核神經(jīng)元發(fā)生突觸。較高的神經(jīng)結(jié)構(gòu)對形成意向和計(jì)劃起至關(guān)重要的作用。通過廣泛的皮質(zhì)網(wǎng)狀連接，這些結(jié)構(gòu)能夠調(diào)節(jié)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的自主外周系統(tǒng)活動(dòng)，瞳孔擴(kuò)張就是其中之一[2]。

瞳孔尺寸由兩個(gè)虹膜肌肉控制。瞳孔開大肌負(fù)責(zé)瞳孔的擴(kuò)張，直接受交感神經(jīng)系統(tǒng)支配[18]，當(dāng)交感興奮時(shí)，瞳孔擴(kuò)張；而瞳孔括約肌導(dǎo)致瞳孔收縮，受副交感神經(jīng)系統(tǒng)支配，當(dāng)副交感興奮時(shí)，瞳孔縮小。瞳孔擴(kuò)張既可以通過激活眼交感神經(jīng)系統(tǒng)刺激輻射狀的瞳孔開大肌，也可以通過抑制動(dòng)眼副交感神經(jīng)系統(tǒng)。在任何時(shí)刻，瞳孔的大小反映了當(dāng)下交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)系統(tǒng)間的動(dòng)態(tài)平衡[219]。交感神經(jīng)系統(tǒng)的基本職責(zé)是根據(jù)任務(wù)要求進(jìn)行相關(guān)的生理調(diào)節(jié)以支持任務(wù)表現(xiàn)，交感神經(jīng)能夠在個(gè)體高度參與認(rèn)知任務(wù)和主動(dòng)應(yīng)對挑戰(zhàn)的狀態(tài)下增加活動(dòng)度[20]，如克服聆聽困難。

瞳孔不僅能像其他自主系統(tǒng)那樣反映喚醒狀態(tài)，如當(dāng)純音強(qiáng)度升高40 dB時(shí)，瞳孔擴(kuò)張?jiān)黾?.2 mm，當(dāng)寬帶噪聲強(qiáng)度提高40 dB時(shí)，瞳孔直徑變大0.28 mm[21]，也能夠反映認(rèn)知和情緒處理，如聽配能的調(diào)用[2，4，22]和愉悅感[23]。Beatty[2]和Karatekin[24]發(fā)現(xiàn)，瞳孔大小的緊張性變化（即穩(wěn)定的、固定頻率的背景活動(dòng)）受喚醒狀態(tài)、焦慮和應(yīng)激等常規(guī)因素影響；而瞳孔大小的時(shí)相性變化（即與任務(wù)刺激相關(guān)的誘發(fā)活動(dòng)）則與認(rèn)知任務(wù)刺激信號的起始時(shí)間鎖相。瞳孔的時(shí)相性變化和緊張性變化可以是相互獨(dú)立的。

正常人的瞳孔從1.5～9 mm不等[25]。認(rèn)知任務(wù)誘發(fā)的瞳孔變化范圍是很窄的，通常不超過0.5 mm[2]，因此，需要精確度高的測量工具捕捉?；诩t外眼球追蹤拍攝技術(shù)的眼動(dòng)儀能夠滿足測量需求。目前，許多眼動(dòng)儀的采樣頻率可達(dá)到240 Hz甚至更高，分辨率能達(dá)到0.025 mm[22，26]。任務(wù)誘發(fā)的時(shí)相性瞳孔擴(kuò)張通常發(fā)生在刺激開始后的100～200 ms，峰值出現(xiàn)在刺激開始后的2～3 s，大腦處理完信息后瞳孔迅速復(fù)原。由于瞳孔反射峰值出現(xiàn)的延遲，在使用瞳孔測量法時(shí)延長觀察窗至關(guān)重要[2]。

類似于對誘發(fā)電位波形數(shù)據(jù)的處理，連續(xù)的瞳孔擴(kuò)張波形數(shù)據(jù)也通常采用信號平均和分量提取技術(shù)消除背景變化并與誘發(fā)事件建立關(guān)聯(lián)。Beatty等[17]建議在瞳孔擴(kuò)張數(shù)據(jù)分析時(shí)采用關(guān)鍵時(shí)間窗內(nèi)的平均瞳孔擴(kuò)張值、瞳孔擴(kuò)張峰值、峰值潛伏期和瞳孔變化的斜率作為因變量。建議采用相對于瞳孔基線的瞳孔擴(kuò)張絕對值（單位mm），而不是瞳孔擴(kuò)張百分比（單位%），因?yàn)楫?dāng)基線瞳孔直徑很小時(shí)（如老年人），將瞳孔擴(kuò)張幅度換算成百分比值會(huì)高估瞳孔的實(shí)際變化。

在運(yùn)用瞳孔追蹤技術(shù)測量聽配能時(shí)，要注意區(qū)分時(shí)相性瞳孔反應(yīng)和緊張性/基線瞳孔直徑的影響因素，如光反射。在聽覺任務(wù)誘發(fā)的時(shí)相性瞳孔反應(yīng)中，還要注意區(qū)分認(rèn)知因素和情緒因素作用的結(jié)果[25]，如言語清晰度、言語信噪比、言語感情色彩等。通過使用中性信號，控制房間的亮度，要求受試者保持頭部固定，往往可以很好地減少上述因素間的相互混雜影響。

2 瞳孔測量法在老年人聽配能研究中的應(yīng)用

迄今，用瞳孔測量法研究老年人聽配能的實(shí)驗(yàn)并不多。Kuchinsky等[27]在聽障老年人中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)言語信噪比很低且有語義干擾時(shí)，老年人瞳孔擴(kuò)張峰值幅度會(huì)增加，伴隨瞳孔峰值潛伏期延長，且任務(wù)結(jié)束后瞳孔緩慢恢復(fù)至基線，提示老年聽障者為克服聽覺困難會(huì)增加聽配能，并長時(shí)間保持在較高水平以完成聽覺任務(wù)。Piquado等[28]研究發(fā)現(xiàn)，老年人瞳孔與年輕人瞳孔一樣對聽覺數(shù)字記憶任務(wù)的長度敏感。數(shù)字串越長，瞳孔相對擴(kuò)張幅度越大，且老年人的瞳孔相對變化幅度大于年輕人，說明聆聽和記憶相同長度的數(shù)字串時(shí)，老年人比年輕人花費(fèi)更多聽配能。但言語語法的復(fù)雜程度僅引起年輕人的瞳孔變化。Zekveld等[29]報(bào)道，當(dāng)噪音下言語清晰度增加時(shí)，年輕或健聽者能夠減少（或釋放）聽配能，表現(xiàn)在瞳孔擴(kuò)張減少，潛伏期縮短。但年長或聽障者沒有明顯的聽配能減少，說明即使在相對容易的聽聲環(huán)境中，年長或聽障者仍然需要花費(fèi)較多的聽配能以維持任務(wù)表現(xiàn)。

3 增齡對瞳孔測量法的影響

增齡對瞳孔測量的影響主要體現(xiàn)在3個(gè)方面[28，30]。第一，老年人瞳孔普遍偏小，且動(dòng)態(tài)范圍受限。增齡會(huì)導(dǎo)致虹膜血管和虹膜實(shí)質(zhì)的硬化，瞳孔變小，對光反射不靈敏。此外，老年人瞳孔括約肌張力相對增強(qiáng)，也使得瞳孔處于縮小狀態(tài)。因此，老年人的瞳孔對比較微弱的聽配能變化可能沒有年輕人的瞳孔那么敏感，在老年人中觀察到的某一程度的瞳孔擴(kuò)張變化可能代表很大的聽配能改變，而同樣程度的瞳孔擴(kuò)張變化在年輕人中則代表了微小的聽配能變化。如果不考慮這一增齡因素而直接將老年人瞳孔擴(kuò)張結(jié)果與年輕人相比較，結(jié)果將出現(xiàn)偏差，甚至與事實(shí)相反，得到錯(cuò)誤的結(jié)論。第二，老年人眼瞼趨于下垂。隨著年齡的增長，大部分老年人出現(xiàn)眼瞼皮膚松弛，皺紋增多，眶膈松弛，眶內(nèi)脂肪脫出，有時(shí)將眼裂和視軸部分遮擋，妨礙眼動(dòng)儀探測瞳孔，使實(shí)驗(yàn)記錄中丟失很多寶貴數(shù)據(jù)，給后續(xù)分析造成困難。第三，角膜出現(xiàn)屈光。隨著年齡增長，眼球晶狀體逐漸硬化、增厚，而且眼部肌肉的調(diào)節(jié)能力也隨之減退，導(dǎo)致變焦能力降低，出現(xiàn)俗稱的老花眼或老視。老花眼比近視眼的瞳孔直徑普遍要小，如果使用瞳孔變化百分比作為聽配能的指標(biāo)，將出現(xiàn)很大誤差。

4 瞳孔測量法應(yīng)用于老年受試者的建議

雖然老年人生理變化給瞳孔測量增加了難度，但上述問題可以通過改善測試流程、變量計(jì)算方法和統(tǒng)計(jì)方法得到解決，因而仍可獲得高質(zhì)量數(shù)據(jù)。對于有眼瞼松弛的老年受試者，實(shí)驗(yàn)者可以將其注視的電腦屏幕水平調(diào)高10～20°，使受試者有意識地抬高上瞼，擴(kuò)大眼裂范圍，提高瞳孔的被檢測率。但要注意調(diào)節(jié)角度不能太大，避免因受試者疲勞而增加眨眼的次數(shù)，影響數(shù)據(jù)采集。此外，當(dāng)眼睛處于大角度仰視時(shí)，探測到的瞳孔直徑會(huì)與眼睛正視時(shí)有很大差別。

在瞳孔變量計(jì)算方面，當(dāng)聽配能在老年組之間比較時(shí)，可以沿用傳統(tǒng)的方法，計(jì)算相對于靜息瞳孔基線的瞳孔直徑變化絕對值（即瞳孔擴(kuò)張絕對值），而不是變化百分比。當(dāng)聽配能在老年組和青年組之間比較時(shí)，Piquado等[28]建議在傳統(tǒng)方法基礎(chǔ)上，增加瞳孔對光動(dòng)態(tài)范圍的個(gè)體化修正，將任務(wù)誘發(fā)的瞳孔擴(kuò)張幅度歸一化。讓受試者在實(shí)驗(yàn)測試間內(nèi)，注視電腦黑屏10 s，記錄瞳孔直徑。隨后將電腦屏幕亮度調(diào)至最大，注視屏幕10 s，記錄瞳孔直徑。這兩者的差值即為個(gè)體的瞳孔動(dòng)態(tài)范圍。用該動(dòng)態(tài)范圍做分母，任務(wù)誘發(fā)的瞳孔擴(kuò)張絕對值做分子，該比值即可作為聽配能的合理標(biāo)示，用于老年組和輕年組的聽配能比較。

如果實(shí)驗(yàn)中沒有測量受試者個(gè)體的瞳孔動(dòng)態(tài)范圍，但又需要做老年組和青年組的比較，在統(tǒng)計(jì)學(xué)分析時(shí)，可以采用增長曲線分析（growth curve analysis）的方法比較瞳孔大小隨時(shí)間的變化趨勢/斜率，而不是比較瞳孔擴(kuò)張的絕對值。這種方法雖然不能告訴我們在給定時(shí)間窗內(nèi)平均消耗了多少聽配能，但能夠告訴我們該時(shí)間段內(nèi)聽配能的變化趨勢（瞳孔曲線走向）和速度（瞳孔曲線斜率），后者在比較任務(wù)間或樣本組間的聽配能時(shí)也能提供有價(jià)值的信息。

本文介紹了瞳孔測量法在聽力學(xué)中的應(yīng)用，討論了應(yīng)用瞳孔測量法客觀量化老年人聽配能的挑戰(zhàn)及解決方案。該心理生理學(xué)測量技術(shù)在青年受試者的聽配能研究中已得到廣泛應(yīng)用，而在老年人群中尚未得到普及。希望通過本文的介紹，有更多的聽力學(xué)研究者能夠科學(xué)運(yùn)用瞳孔測量法探索老年人聽配能狀態(tài)和變化規(guī)律。