人工耳蝸植入后聽覺皮層活動與聽覺能力相關性研究

辛甜宇王宇洋魏朝剛劉玉和*

1北京大學第一醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科（北京 100034）

2湖南省人民醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科（長沙 410021）

聽力障礙是語前聾兒童面臨的認知能力發(fā)育的重大挑戰(zhàn)。許多語前聾兒童無可用殘余聽力，聽覺經(jīng)驗基本為零，聽覺言語能力基本未發(fā)育，佩戴助聽器后聽力水平也較差。目前人工耳蝸植入(Cochlear Implantation,CI)是他們重新獲得聽力，重新發(fā)育聽覺言語能力的最佳手段。對于人工耳蝸植入者來說，音高直接影響人工耳蝸植入者受益[1]。但由于受到人工耳蝸硬件條件的限制，在植入人工耳蝸后聽障兒童常較難掌握對語音識別至關重要的音高線索。目前許多研究者們開始關注聽覺皮層對人工耳蝸植入者受益的作用[2]。盡管人工耳蝸提供的聽覺信息有缺陷，但聽覺皮層的神經(jīng)加工處理能夠幫助植入年齡較小的CI用戶聽覺感知與認知[3]。行為學研究發(fā)現(xiàn)，人工耳蝸植入年齡越小，聽力損失持續(xù)時間越短，CI兒童理解能力和表達能力越強[4]，因此建立CI兒童聽覺皮層神經(jīng)活動與聽覺言語能力行為學表現(xiàn)之間的聯(lián)系便尤為重要。

本研究通過功能性近紅外光學腦成像（functional Near-Infrared Spectroscopy,fNIRS）探究語前聾兒童人工耳蝸植入后聽覺皮層任務態(tài)血氧活動與聽覺言語能力評分的相關性。fNIRS本質(zhì)上是一種非侵入性近紅外光-血氧代謝腦成像技術，可作為神經(jīng)激活及后續(xù)神經(jīng)電活動的間接解讀標準，目前已被證實是CI人群術后康復效果評估的可靠手段[5]。

1 資料與方法

1.1 臨床資料

本研究納入了2020年8月至2021年12月期間于我科接受人工耳蝸調(diào)機的患兒19例，其中植入年齡小于2歲患兒8例，植入年齡大于2歲患兒11例（均為單側(cè)植入，右耳植入15名，左耳植入4名，植入時年齡范圍在1.0-4.4歲，平均年齡：2.3歲，標準差：0.918，詳細臨床信息參見表1）。該研究經(jīng)過北京大學和北京大學第一醫(yī)院倫理委員會的批準，研究對象的父母或者監(jiān)護人均在研究開始前自愿簽署知情同意書，允許將被試臨床信息、行為學量表數(shù)據(jù)和fNIRS數(shù)據(jù)用于科學研究。測試前，研究者對所有受試者基本信息進行記錄。所有研究對象植入前通過裸耳行為測聽、ABR、ASSR、40Hz相關電位等診斷為極重度聽力損失，且助聽器受益有限，符合《中國人工耳蝸植入工作指南2013版》，其中4人大前庭導水管擴張或Mondini畸形，其余未見內(nèi)耳畸形。

表1 受試者基本臨床信息Table 1 Clinic Information

1.2 神經(jīng)成像學測試

所有研究對象在人工耳蝸調(diào)機后進行近紅外測試。測試由多通道的近紅外光學成像系統(tǒng)（Nirsmart，Huichuang，中國），在連續(xù)波模式下記錄血氧數(shù)據(jù)。研究對象的具體測試時間間隔見表2。研究對象在近紅外測試期間只佩戴耳蝸，處于安靜的睡眠狀態(tài)或安靜的清醒狀態(tài)。本測試中的聽覺刺激材料由無語義的偽句組成，均為語音情感韻律聲，包括恐懼、憤怒、快樂、中性，聲壓級約為60～65 dB SPL，平均背景噪音強度約為30 dB SPL。感興趣區(qū)域見表3及圖1。

表2 追蹤測試時間點及行為學量表結果Table 2 Time Point and Behavioral testing outcomes

表3 通道排布及感興趣區(qū)域Table 3 Channels and ROI

圖1 通道位置(CH)分布圖。每個紅點代表檢測通道的中心。CH1、CH3、CH5、CH7、CH10 位于左側(cè)顳區(qū)。CH30、CH40、CH42、CH45、CH46、CH47、CH48位于右側(cè)顳區(qū)。Fig.1 Positions of channels(CH)in the bilateral ROI.Each red dot represents the center of the detection channel.CH1,CH3,CH5,CH7,CH10,CH21,CH22 are located in the left hemisphere.CH30,CH40,CH42,CH45,CH46,CH47,CH48 are located in the right hemisphere.

1.3 聽覺言語能力評估

選擇開放性聽覺言語能力評估評估發(fā)聲情況、對聲音的察覺能力和對聲音的辨別和理解能力[6]，包括聽覺行為整合標準(Categories of Auditory Performance,CAP)、言語可懂度分級(Speech Intelligibility Rate,SIR)、有意義聽覺整合量表(Meaningful Auditory Integration Scale,MAIS)。

1.4 統(tǒng)計分析

在使用Nirspark包（版本 6.12,Huichuang,China）對近紅外數(shù)據(jù)進行預處理后，應用SPSS(版本25.0，SPSS Inc,美國)對處理后的Hbo值和行為學結果進行統(tǒng)計分析。ITMAIS/MAIS、CAP、SIR分數(shù)轉(zhuǎn)換為百分數(shù)并相加取平均數(shù)，獲得最終行為學結果（表2）。使用Pearson相關分析被用來衡量大腦皮層對發(fā)聲情緒刺激的反應和行為結果之間的相關性，P＜0.05被認為是顯著的。

2 結果

2.1 聽覺皮層神經(jīng)反應與行為學評分相關性概況

在測試的3個時間點中，聽覺皮層HbO濃度與聽覺言語能力評估得分有8個結果呈正相關(CH30、CH46、CH47、CH48)，有 5 個結果呈負相關(CH10、CH30、CH42、CH45)。其中，小于2歲植入組聽覺皮層HbO濃度與聽覺言語能力評估得分有13個結果為正相關(CH5、CH30、CH46、CH47、CH48)，7個結果為負相關(CH10、CH40、CH42、CH45)，大于2歲植入組聽覺皮層HbO濃度與聽覺言語能力評估得分有3個結果(CH5、CH45、CH46)為正相關，1個結果為負相關(CH42)。

2.2 右側(cè)顳上回、顳中回、緣上回神經(jīng)反應與行為學評分相關性

值得注意的是，在T1時間點，小于2歲植入組CH47、CH46分別接受高興、中性刺激時激活程度與行為學量表結果均成正相關（r＝0.8790，P＝0.0496）（r＝0.9000，P＝0.0374）。大于 2歲植入組CH45、CH46分別接受高興、中性刺激時激活程度與行為學量表結果均成正相關（r＝0.8103，P＝0.0081）（r＝0.6773，P＝0.0450）（圖2）。在 T2 時間點，CH47接收憤怒、恐懼、中性語音情緒韻律刺激時的激活程度與行為學量表結果均成正相關（r＝0.5296，P＝0.0423）（r＝0.7255，P＝0.0022）（r＝0.5674，P＝0.0274）。其中不同植入年齡組CH42接收中性語音情緒韻律刺激時的激活程度與行為學量表結果均成負相關（r＝-0.8113，P＝0.0145）（r＝-0.7567，P＝0.0490）。小于2歲植入組CH30接收憤怒、恐懼語音情緒韻律刺激時的激活程度與行為學量表結果成均正相關（r＝0.8049，P＝0.0160）（r＝0.8088，P＝0.0151）（圖3）。

圖2 T1時間點雙側(cè)顳區(qū)神經(jīng)反應與聽覺言語量表評分相關性。組1為植入年齡小于2歲CI兒童，組2為植入年齡大于2歲CI兒童。CH5位于左側(cè)顳中回，CH45、CH46位于右側(cè)顳中回，CH47位于右側(cè)顳上回。Fig.2 Oxyhemoglobin changes related to behavioral scores at T1.Group 1 represents children implanted before two years old,and Group 2 represents children implanted after two years old.CH5 is located in the left MTG(Middle temporal gyrus).CH46,CH45 are located in right MTG.CH47 is located in the right STG(Superior temporal gyrus).

圖3 T2時間點雙側(cè)顳區(qū)神經(jīng)反應與聽覺言語量表評分相關性。組1為植入年齡小于2歲CI兒童，組2為植入年齡大于2歲CI兒童。CH30位于右側(cè)緣上回，CH42位于右側(cè)顳中回，CH47位于右側(cè)顳上回。Fig.3 Oxyhemoglobin changes related to behavioral scores at T2.Group 1 represents children implanted before two years old,and Group 2 represents children implanted after two years old.CH30 is located in the right supramarginal gyrus.CH42 is located in right MTG.CH47 is located in the right STG.

2.3 左側(cè)顳中回神經(jīng)反應與行為學評分相關性

在T1時間點，不同植入年齡組兒童在接收高興、中性語音情緒韻律刺激時，CH5的激活程度與的行為學量表結果均成正相關（r＝0.9031，P＝0.0357）（r＝0.7101，P＝0.0321）（圖2）。

3 討論

目前已有許多研究關于CI人群的聽覺行為表現(xiàn)和大腦活動之間的關系。許多神經(jīng)成像學研究表明，人工耳蝸植入后的小齡兒童開機1周內(nèi)聽覺皮層對語音情感韻律具有較明顯的神經(jīng)處理[7]。CI用戶及聽力正常人群接受語音刺激時左右顳皮層均有顯著激活[8]，CI用戶與正常人群相比，顳葉皮層對語音刺激的平均激活水平顯著不同，且激活水平與CI使用者的聽覺言語理解能力呈負相關[9,10]。不僅如此，顳上回大腦皮層的神經(jīng)活動與語音刺激理解程度相符合，正常聽力和語音感知良好的CI用戶對自然語音比對難以理解的語音表現(xiàn)出更大的皮層激活[9]，語音感知較差的CI用戶對所有刺激都有較大的、特異性較差的皮層激活[10]。除此之外，顳中回、顳上回前部，是詞匯相關語義處理的關鍵部位，發(fā)育過程從出生開始貫穿整個童年時期[11,12]。在對有意義的刺激（單詞、句子、故事）的反應中，CI用戶左側(cè)顳中回語義區(qū)和后顳上回語音區(qū)激活不足，而顳上回前部語音區(qū)過度激活[13]。以上研究結果表明，聽覺言語能力較差的CI用戶在處理復雜語音信息時認知負荷較大，需要募集更多的認知資源，因此顳區(qū)皮層激活程度較高。

在幾乎所有研究過的大腦區(qū)域，情緒語音處理均表現(xiàn)為顯著的右腦半球優(yōu)勢，這一優(yōu)勢被稱為半球偏側(cè)化優(yōu)勢[14]。與左半球相比，右半球似乎可以更好地評估音高變化[15]，在非言語語音聽覺加工方面明顯占優(yōu)勢[16]。右側(cè)的顳上回和顳中回可同時被招募處理語音情感認知任務[7]，顳中回在情感和社會認知方面有著重要作用，右側(cè)緣上回對高度興奮的聲音刺激敏感[17,18]；顳中回的異常神經(jīng)活動與多種情感障礙有關[19]，右側(cè)緣上回的活動與語音情緒的聽覺感知的增強有關[20]。K?chel等人發(fā)現(xiàn)，恐懼和痛苦的尖叫聲增強了成人右側(cè)緣上回的激活水平[18]，因此右側(cè)顳區(qū)是處理情緒語音的主導區(qū)域。此外，在語音信號處理方面，植入側(cè)對CI兒童在語音刺激下的皮質(zhì)血流動力學反應無顯著影響，并且也未表現(xiàn)出顯著發(fā)育變化[2]。本研究結果發(fā)現(xiàn)，CI兒童聽覺行為表現(xiàn)和聽覺皮層神經(jīng)活動之間的聯(lián)系更多地體現(xiàn)在右側(cè)，這與大腦的偏側(cè)化理論表現(xiàn)一致，同時由于右半球比左半球發(fā)育得更早[2]，因此CI兒童開機后早期情緒語音處理更偏向于右半球。此外，CI術后情緒韻律引起的右側(cè)顳中回前部激活程度與言語感知能力顯著負相關，引起的右側(cè)顳上回后部激活程度與言語感知能力顯著正相關，表明CI兒童開機后早期語音情感韻律處理似乎偏向于聽覺皮層后部；人工耳蝸植入后早期，情緒語音韻律可能抑制右側(cè)顳區(qū)前部神經(jīng)反應，促進右側(cè)顳上回神經(jīng)反應增強，并與聽覺言語功能的更好發(fā)展相關。這一結果補充了聽覺皮層對不同聲音信息的神經(jīng)處理模式。

人工耳蝸由于受植入電極深度、通道數(shù)目、及語音處理器時域編碼（頻譜-時域精細結構如音高、諧波等）等因素的限制，CI用戶往往難以獲得精確的音高線索，兒童導向的語音往往具有較為明顯的韻律特征，因此對于CI兒童來說音高線索尤為重要[21]。一些情緒語音往往具有較為夸張的音高特征，例如，高興、憤怒、恐懼韻律與中性韻律相比往往具有更高的F0和更寬的F0變化范圍[21]，因此使用語音情感韻律作為刺激材料有助于研究CI兒童開機后早期聽覺皮層神經(jīng)活動與聽覺言語能力相關性。

行為學研究發(fā)現(xiàn),人工耳蝸植入時，年齡越小，聽力損失持續(xù)時間越短，語音理解能力越強[4]。2歲前植入人工耳蝸的CI兒童已有較好的情感理解能力，能夠處理和產(chǎn)生與正常聽力兒童相當?shù)那楦袃?nèi)容[22]。之前研究發(fā)現(xiàn)，顳葉皮層的突觸密度在出生后2-4年時達到峰值，之后突觸數(shù)量下降[23]，早期植入人工耳蝸的CI兒童大腦皮層適應性可塑性較強，聽覺言語能力優(yōu)勢更明顯[24]。因此植入年齡較小的CI兒童開機后早期聽覺皮層神經(jīng)活動與聽覺言語能力具有更多的相關性。

除了經(jīng)典的聽覺皮層以外，語音理解過程也涉及其他的大腦區(qū)域，例如前額葉皮層，特別是背外側(cè)區(qū)域，與廣泛任務中的認知需求相關[25]，研究證實有CI用戶在聆聽過程中比聽力正常人更依賴前額葉皮層，特別是與非語言任務相關的前額葉皮層區(qū)域[26]。此外，還有顳-頂-枕聯(lián)合區(qū)，尤其是梭狀回，梭狀回不僅與選擇性加工視覺信息及識別面孔身份有關[27]，還與左側(cè)顳區(qū)存在功能連接，共同處理加工人類語音刺激[28]。因此在之后CI人群的神經(jīng)成像學研究中，我們應關注前顳區(qū)及前額葉皮層，建立前顳區(qū)皮層、及前額葉皮層神經(jīng)活動與聽覺言語能力之間的聯(lián)系。此外，今后可擴大樣本量、延長追蹤時間進一步研究。

對于人工耳蝸植入患者的神經(jīng)功能成像不僅補充了聽覺系統(tǒng)神經(jīng)加工處理模式研究，而且有助于研究聽覺皮層自適應可塑性并進行術后康復指導。基于fNIRS的神經(jīng)成像研究是研究CI人群大腦皮層神經(jīng)處理模式的較好方法，由于嬰幼兒人工耳蝸植入的特殊性，fNIRS因其較好的安全性、兼容性以及時間與空間分辨能力成為較理想的研究CI人群神經(jīng)成像技術手段[1,5,29]。盡管fNIRS的空間分辨率不如fMRI，且易受頭圍等因素的影響，但未來可以結合使用術后fNIRS和術前fMRI進行研究。臨床醫(yī)生可通過建立聽障兒童人工耳蝸植入后聽覺皮層神經(jīng)活動與聽覺言語能力行為學表現(xiàn)之間的聯(lián)系，進一步了解聽覺剝奪后大腦重塑能力，預測人工耳蝸植入后效果，幫助人工耳蝸使用者術后調(diào)機及言語康復訓練。