眼動技術(shù)在兒童癲癇及行為發(fā)育障礙研究中的應(yīng)用

丁 寧 陳 倩

眼動即眼球的運動，各類眼動由不同腦區(qū)所支配，異常的眼動反映相關(guān)腦區(qū)的功能障礙以及結(jié)構(gòu)異常[1]。1897年，法國眼科醫(yī)生Javal等首次采用簡單的眼動記錄技術(shù)觀察到閱讀過程中的眼動[2]。隨后，這一技術(shù)越來越多地應(yīng)用于探索眼動軌跡與視覺信息加工之間關(guān)系的心理學(xué)研究。20世紀中期，攝像技術(shù)和計算機技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)生了高精度眼動儀，該儀器對被試的眼球運動軌跡進行記錄,計算成眼動數(shù)據(jù)，得出認知心理過程特征。眼動研究在描述視覺加工特點方面具有獨特的優(yōu)勢，可以進一步研究和推斷認知加工過程，是一項重要的心理學(xué)研究方法。目前，眼動技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于癲癇、孤獨癥譜系障礙、注意缺陷及多動障礙等神經(jīng)精神類疾病研究，本文將眼動技術(shù)基本概念及研究應(yīng)用綜述如下。

一、眼動的定義及分類

眼球運動包含兩類：(1)共軛運動：雙眼為了不產(chǎn)生復(fù)視而以相同方式運動。共軛運動又分為掃視和眼球追蹤運動(pursuit eye movements,PEMs)。掃視指視線快速從一個注視點移向另一個注視點，即當人們閱讀、看一個場景或?qū)ふ椅矬w時，眼球持續(xù)且快速的運動。眼球在注視點之間產(chǎn)生的快速掃視是受中樞神經(jīng)系統(tǒng)控制的規(guī)律隨意運動,表現(xiàn)為眼球的注視點或注視方位突然改變。掃視動作需要計劃和執(zhí)行的時間稱為掃視潛伏期，即確定視區(qū)中目標位置及引發(fā)眼動需要的時間，約175～200ms[3]。掃視潛伏期與信息加工任務(wù)相關(guān)，這種認知加工是掃視潛伏期的影響因素，由于掃視持續(xù)時間極短，過程中視覺信息的獲取是被抑制的。眼球在兩次掃視動作之間保持相對靜止的狀態(tài)稱為注視，注視平均持續(xù)在200～300ms[4]。追蹤運動是眼球跟隨一個移動的目標而以一定運動速度移動的緩慢眼球運動,平滑追蹤眼動(smooth pursuit eye movements，SPEM)是為了使物體影像始終保持在中央凹附近，眼睛隨慢速移動目標運動的眼動[5]。(2)異向運動：注視遠、近物體時兩眼的集合或散開運動。集合運動指在注視近處物體時，雙眼視軸互相集合，向鼻側(cè)轉(zhuǎn)動的運動。而散開運動是眼球由集合位轉(zhuǎn)向原位時，雙眼視軸向顳側(cè)轉(zhuǎn)動的運動。

二、眼動的相關(guān)中樞皮質(zhì)支配

眼球的運動由外展神經(jīng)、滑車神經(jīng)、動眼神經(jīng)這3組顱神經(jīng)及內(nèi)直肌、外直肌、上直肌、下直肌、上斜肌、下斜肌這6組眼外肌參與完成，眼球的任一運動都需要多組眼外肌參與。在大腦皮質(zhì)控制下，眼球運動才能完成。在額葉，有3個主要區(qū)域參與眼球運動控制，即額葉視區(qū)(frontal eye field，F(xiàn)EF)、輔助視區(qū)(supplementary eye field，SEF)和背外側(cè)前額皮質(zhì)(dorsolateral prefrontal cortex，DLPFC)[6]。

FEF解剖定位在中央前溝和額上溝的交叉處，F(xiàn)EF與掃視相關(guān)區(qū)域位于中央前溝前壁的上部，PEMs相關(guān)區(qū)域在中央前溝前壁深部及后壁的底部和深部[6]。FEF參與意向性視覺誘導(dǎo)性掃視(intentional visually guided saccades)，較少參與反射性視覺誘導(dǎo)性掃視(reflexive visually guided saccades)[7]。此外，F(xiàn)EF與后顳頂葉一起控制PEMs，大腦半球包括FEF主要控制同側(cè)PEMs，也有一定程度的對側(cè)控制。FEF還參與正確的反向掃視，功能磁共振成像研究發(fā)現(xiàn)了反向掃視之前FEF區(qū)的激活，表明意向性掃視早期需要FEF的參與[6]。

SEF位于額上回的內(nèi)側(cè)表面，中央旁溝的上部。SEF與眼球運動控制的各區(qū)域即FEF、DLPFC、前扣帶回皮質(zhì)和后頂葉皮質(zhì)都有聯(lián)系，SEF參與結(jié)合身體動作的掃視及一系列掃視的連續(xù)性運動[6]。針對經(jīng)顱磁刺激和功能磁共振成像研究發(fā)現(xiàn)一個更靠前的腦區(qū)pre-SEF參與了視覺刺激序列的呈現(xiàn)(運動學(xué)習(xí))，SEF在執(zhí)行運動序列之前更早地參與運動[7]。

DLPFC位于額葉中回的Brodmann46區(qū)和臨近的Brodmann9區(qū)，參與掃視抑制。功能磁共振成像和損傷研究的結(jié)果表明，DLPFC負責(zé)抑制錯誤方向的反射性朝向掃視，DLPFC對反射性掃視的抑制是通過前額丘腦束直接作用于視上丘，不涉及其他皮質(zhì)，DLPFC還參與記憶導(dǎo)向掃視活動、短期空間記憶和決策。DLPFC負責(zé)眼球運動行為的決策過程，根據(jù)目前的外部環(huán)境和內(nèi)部環(huán)境，DLPFC負責(zé)意向性掃視，包括抑制不必要的反射性掃視(抑制)，為即將到來的意向性掃視維持記憶信息(短期空間記憶)或促進意向性預(yù)測性掃視(預(yù)測)[6]。

頂葉參與了對掃視和注意力的控制，尤其是頂葉的后部后頂葉皮質(zhì)(posterior parietal cortex，PPC)對反射性掃視的產(chǎn)生至關(guān)重要。PPC腦區(qū)包括從中央后溝延伸至枕頂溝的頂內(nèi)溝(intraparietal sulcus，IPS)，目前掃視或注意區(qū)域的精確的解剖定位仍不明確[6]。功能磁共振成像研究的證據(jù)表明，IPS的前部(緣上回內(nèi)側(cè)，Brodmann40區(qū))參與眼-手協(xié)調(diào)，頂上小葉(superior parietal lobule, SPL)的后部參與注意力加工[7]。頂葉視區(qū)(parietal eye field, PEF)投射到FEF和上丘，在對猴子的實驗中，這兩種投射是有區(qū)別的，頂葉-FEF投射更多參與視覺注視，頂葉-上丘投射更多參與掃視[6]。

扣帶回分為前扣帶回(anterior cingulate cortex, ACC)(Brodmann24區(qū))和后扣帶回(posterior cingulate cortex, PCC)(Brodmann23區(qū))，扣帶回視區(qū)(cingulate eye field, CEF)位于Brodmann23區(qū)和Brodmann24區(qū)之間。ACC后部參與意向性掃視，CEF通過意向性動作加工，協(xié)調(diào)參與意向性掃視控制的額葉運動區(qū)的運動，DLPFC在CEF的控制下發(fā)揮作用。功能磁共振成像研究表明，PCC在反射性掃視中被激活，而在意向性掃視不被激活。在PEMs過程中，PCC也被激活，故CEF (ACC)負責(zé)內(nèi)部調(diào)控意向性眼球運動，PCC負責(zé)調(diào)控外部視覺刺激所觸發(fā)的眼球運動：反射性掃視和平滑追蹤[6]。

三、眼動特征

針對不同的研究目的，眼動的分析指標有很多，掃視和注視是兩種基本的眼動現(xiàn)象。掃視指標分為：(1)不需要意識控制的反射性掃視，包括朝向掃視，掃視潛伏期是其常用指標。(2)需要意識參與的自主性掃視，包括反向掃視，反向掃視潛伏期和反向掃視錯誤率是其常用指標，主要反應(yīng)對掃視的抑制能力和控制能力[8]。注視時間作為一個重要測量指標，通常包括：(1)總注視時間，指在興趣區(qū)內(nèi)注視時間的總和。(2)平均注視時間，興趣區(qū)內(nèi)注視時間的平均值[3]。

嬰幼兒的語言和動作尚未發(fā)育成熟，在能夠進行口語報道以前，視覺成為了解嬰幼兒心理的重要途徑之一。研究顯示，相較于成人，學(xué)齡期兒童眼球固定在注視點時有更頻繁的掃視和漂移，掃視一個場景時，掃視潛伏期更長，精確度更低，兒童與成人的注視時間比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義[4]。眼動技術(shù)分析是采用眼動儀這一非侵入性監(jiān)測工具對眼動各項指標進行采集及分析，易于實施，已越來越多地用于兒童心理學(xué)研究，有望用于臨床輔助診斷。

四、眼動技術(shù)在兒童癲癇及行為發(fā)育性疾病的臨床應(yīng)用

眼動技術(shù)可以探知癲癇患兒的腦功能與認知功能，觀察孤獨癥譜系障礙患兒的注視特征，為早期臨床篩查與輔助診斷提供依據(jù)，眼動技術(shù)還能夠反映注意缺陷多動障礙患兒的抑制控制能力等。根據(jù)不同研究目的，研究者設(shè)計了針對兒童癲癇及行為發(fā)育性疾病的眼動刺激任務(wù)，觀察不同疾病的眼動特征。

癲癇是一種由各種病因?qū)е碌穆阅X功能障礙，表現(xiàn)為腦內(nèi)神經(jīng)元過度和(或)超同步化異常電活動的癲癇發(fā)作及腦電圖異常，部分患者存在神經(jīng)心理損傷。Lunn等[9]對25例8～18歲的癲癇患兒與30例健康對照組兒童,呈現(xiàn)融合動態(tài)注視和面孔情緒刺激的反向掃視范式刺激，眼動儀評估在低認知控制(朝向掃視)和高認知控制(反向掃視)水平下，注視和情感線索對注視方向的影響，研究發(fā)現(xiàn)癲癇患兒有相對典型的社會性注視和基本情緒識別能力，但對恐懼情緒注意解離時間延長。顳上溝和邊緣系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與注視和表情的動態(tài)處理相關(guān)，與空間注意力相關(guān)的頂內(nèi)溝在面對恐懼情緒時可轉(zhuǎn)移注視方向，杏仁核活動的增加、前額葉活動及調(diào)控減弱與對恐懼信號反應(yīng)變慢有關(guān)[10]。Lunn等[11]觀察26例癲癇患兒和48例正常發(fā)育兒童對眼動朝向掃視和反向掃視刺激的眼動指標，分析結(jié)果顯示服用抗癲癇藥物的癲癇患兒處理速度慢，準確性降低，峰值速度增加，抑制性錯誤增多，未服藥的癲癇患兒錯誤監(jiān)控功能減退。這可能是由于癲癇相關(guān)的突觸修剪及髓鞘形成的中斷，使額頂葉和動眼神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之間的功能連接減弱，影響了動眼神經(jīng)反應(yīng)加工過程，導(dǎo)致癲癇患兒眼動指標的改變[12]。Videman等[13]采用眼動技術(shù)研究孕期抗癲癇藥物暴露對嬰兒注意力的影響，采集56例抗癲癇藥物宮內(nèi)暴露及無藥物暴露的對照組嬰兒在7個月時的視覺注意與面孔定向兩個指標，分析結(jié)果顯示，兩組間比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義，表明母親服用抗癲癇藥物對胎兒生后嬰兒期的視覺注意與面孔定向的早期發(fā)育無明顯的不良影響。

孤獨癥譜系障礙(autism spectrum disorder，ASD)最初是Kanner于1943年報道了11例具有共同表現(xiàn)的患兒，將其命名為早發(fā)性嬰兒孤獨癥。2013年，DSM-5中孤獨癥譜系障礙定義為一種嚴重危害人類健康的神經(jīng)發(fā)育障礙性疾病，其以社會交往障礙、重復(fù)和刻板的行為模式、興趣狹窄為特征，且60%～80%伴有不同程度的智力發(fā)育落后[14]。研究表明ASD早期篩查、早期干預(yù)效果較好，采用綜合性教育和行為訓(xùn)練，可以使ASD患兒得到不同程度的改善。另外，ASD患兒的早期干預(yù)能夠改善生活質(zhì)量，社會適應(yīng)等干預(yù)活動可以提高個人在社交環(huán)境中的工作能力[15]。

ASD患兒社會交往能力缺陷，在建立和保持與他人的眼神交流、處理面部信息以及調(diào)節(jié)社交互動方面均存在困難，ASD相關(guān)的眼動研究多集中在面孔識別和社會性場景的眼動模式方面。研究關(guān)注的眼動指標多包含總注視時間、注視位置、興趣區(qū)內(nèi)的注視時間及注視次數(shù)等[16]。

正常發(fā)育的嬰兒早期即可獲得面部情緒識別的能力，且在青春期和成年后得到提升，研究報道5～7個月的嬰兒已經(jīng)可以識別6種基本情緒(快樂、悲傷、恐懼、憤怒、厭惡、驚訝)，10歲的兒童識別中性、驚訝、高興和厭惡表情的能力與成人相似。ASD患兒在面對不同的情緒面孔時，呈現(xiàn)出的眼動特征不同。Nuske等觀察19例平均年齡為3.97歲的ASD患兒自由觀看恐懼和中性表情面孔時，發(fā)現(xiàn)ASD患兒注視中性表情面孔的眼和口部時間較正常發(fā)育兒童短。de Wit等觀察13例平均年齡為3.98歲的ASD患兒和14例TD患兒觀看平靜、快樂、憤怒和恐懼表情時的眼動特征，兩組比較發(fā)現(xiàn)ASD患兒的總注視時間更短。蘭繼軍等[16]比較3～6歲ASD高語言水平組與低語言水平組患兒對不同情緒類型的陌生者面部表情和熟悉者面部表情圖片的注視情況，觀察結(jié)果顯示言語能力對ASD患兒面部表情識別的影響較小(P>0.05)，ASD患兒對熟悉面孔的識別能力較好，對積極表情和消極表情的圖片注視率均明顯高于中性表情。面孔表情識別是一項涉及多個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜任務(wù)，眼部是面孔識別的最重要特征，其次是嘴部。面孔處理的主要腦區(qū)在梭狀回，梭狀回主要參與識別包含面孔的信息(面孔檢測)，識別面部表情，以及識別個體化面部特征如眼部、口部等。多項功能影像研究顯示梭狀回與顳枕、枕外側(cè)皮質(zhì)、額葉、頂葉下皮質(zhì)、丘腦和杏仁核之間存在功能聯(lián)系。ASD患兒在此項任務(wù)中的面孔識別策略和正常發(fā)育兒童不同，他們對中央面孔特征區(qū)域尤其是眼部區(qū)域的注意減少，神經(jīng)生理研究發(fā)現(xiàn)ASD患兒的梭狀回活動以及皮層下參與減少[17]。

近年來關(guān)于ASD患兒社會場景眼動模式的研究越來越多，研究者認為ASD患兒對社交相關(guān)刺激不敏感。Jones等[18]制作了短視頻作為刺激任務(wù)，視頻內(nèi)容是一位女演員在有玩具的兒童房間內(nèi)面對鏡頭做游戲，研究者將注視興趣區(qū)分為人物的眼睛、口部、身體和房間內(nèi)的各物體。2歲ASD患兒15例和正常發(fā)育兒童51例兩組在觀看視頻同時，研究者采用眼動儀記錄了兩組兒童的眼動特征，結(jié)果顯示，與正常發(fā)育兒童比較，ASD患兒對人物眼睛的注視時間明顯少，對口部的注視時間明顯增多。Chawarska等[19]采用一位女演員在有4個玩具和一張桌子的空間內(nèi)做三明治的視頻作為刺激任務(wù)，觀察67例高危的6月齡ASD患兒和50例低危ASD患兒觀看視頻時的眼動特征并進行追蹤研究，確診ASD患兒對人物及其面部注視時間明顯短于非ASD患兒，提示該眼動指標有可能是嬰兒早期ASD患兒的診斷工具。

近年來的研究結(jié)果顯示，眼動特征可作為ASD早期診斷的生物學(xué)標志物。在Jones和Klin的一項前瞻性研究中，研究者追蹤觀察110例嬰兒，觀察的眼動指標包括社交場景的總注視時間以及分別對眼、口、身體和物體不同感興趣區(qū)的注視時間，追蹤研究結(jié)果顯示確診ASD的嬰兒在出生后至2個月內(nèi)對人物眼的注視與正常兒童比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義，在出生后2～6個月開始明顯減少，該眼動指標可作為ASD早期診斷提供依據(jù)[20]。Pierce等[21]記錄10～49月齡的444例幼兒分別對幾何圖形及社會形象的注視時間和次數(shù)，結(jié)果顯示ASD患兒注視幾何圖像的時間占比超過69%，注視次數(shù)明顯少于健康對照兒童，與金標準ADOS比較，眼動指標診斷ASD的敏感度為21%，特異性為98%，陽性預(yù)測值為86%，由于受年齡因素影響，這項測試不適用于4歲以上的兒童。易莉等采用面孔加工心理學(xué)測試對29例4～11歲ASD患兒進行觀察研究，被試兒童分別注視6張面孔及另外的18張面孔，記錄患兒感興趣區(qū)的注視時間等眼動數(shù)據(jù)，分析結(jié)果顯示該測試的眼動指標診斷ASD的與金標準的一致度為88.51%，敏感度為93.1%，特異性為86.21%，故應(yīng)用眼動技術(shù)記錄并計算眼動指標的特征性異常有望成為快速、經(jīng)濟的ASD的心理學(xué)篩查工具之一[22]。

注意缺陷多動障礙(attention deficit hyperactivity disorder，ADHD)是一種神經(jīng)發(fā)育性疾病，主要表現(xiàn)為活動過度，注意力不集中，行為沖動任性，多伴有學(xué)習(xí)困難，影響患兒日常生活和社會交往[23]。反向掃視任務(wù)需要抑制視覺刺激出現(xiàn)時不自主的朝向掃視，之后做出正確方向的反向掃視，會涉及DLPFC、FEF、SEF、PEF等腦區(qū)[6，7]。反向掃視眼動任務(wù)常被用來觀察ADHD患兒的抑制控制能力，ADHD患兒在此項任務(wù)中的反應(yīng)時間更長，反向掃視錯誤更多，功能磁共振成像研究顯示其DLPFC腦區(qū)異常激活。ADHD患兒的抑制控制減弱與額葉紋狀體網(wǎng)絡(luò)功能異常有關(guān)，包括DLPFC、腹外側(cè)前額葉皮質(zhì)、下額葉皮質(zhì)、基底神經(jīng)節(jié)和丘腦等區(qū)域[24]。Turkan等采用閃爍刺激范式采集24例ADHD患兒和24例正常發(fā)育兒童的變化檢測能力和視覺搜索眼動指標，記錄眼球運動，結(jié)果顯示正常發(fā)育兒童對檢測到圖片變化的準確率高，對圖片改變區(qū)域的注視時間長，正常發(fā)育兒童維持注視時間比ADHD患兒明顯長[24]。情緒認知相互作用是由額葉-邊緣神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)介導(dǎo)的，包括DLPFC、ACC、眶額額葉皮質(zhì)和杏仁核。Airdrie等[25]對平均年齡為14.2歲的63例ADHD患兒及41例正常發(fā)育青少年進行情緒識別刺激任務(wù)的眼動指標分析，結(jié)果顯示ADHD共患品行障礙(CD)的患兒，識別恐懼及中性面孔的準確率明顯低于單純ADHD患者，不能準確鑒別恐懼與憤怒表情；ADHD的嚴重程度(專業(yè)醫(yī)師通過DAWBA訪談及DSM-5評定其嚴重程度)與注視時間呈負相關(guān)，ADHD共患CD者的CD嚴重程度(通過SDQ評估)與情緒識別的準確性呈負相關(guān)。

五、展 望

綜上所述，眼動技術(shù)越來越多地應(yīng)用于兒童癲癇及行為發(fā)育障礙的腦功能研究。不同疾病存在不同的眼動特征，各項眼動范式及眼動指標是否能夠特異地反映出各疾病腦功能狀態(tài)，能否作為臨床客觀評估腦功能狀態(tài)及疾病診斷的生物學(xué)標記，尚需要大量的臨床研究，具有廣闊的研究前景。目前，眼動的臨床研究尚處于起步階段，各項心理學(xué)視覺刺激范式下的眼動指標的特異性及敏感度仍不明，給臨床研究及應(yīng)用造成困擾。本文介紹了眼動研究在癲癇、ASD、ADHD等疾病中的應(yīng)用，敘述了眼動技術(shù)在兒童疾病領(lǐng)域的運用以及相關(guān)成果，希望能找出相關(guān)兒童眼動研究的基本特征，探究國內(nèi)外眼動研究的進展。