龙越 贾高鼎 刘一迪 刘广芳 牛海晶 耿江桥 刘海红

听觉皮层形成是神经生物学和听觉刺激输入之间复杂的相互作用结果，听觉皮层的发育成熟依赖于有效的听觉刺激输入[1]。前期研究已报道拟进行人工耳蜗植入(cochlear implant,CI)儿童颞上回(superior temporal gyrus,STG)和颞上沟(superior temporal sulcus,STS)在结构核磁图像上与同龄听力正常儿童(年龄<3.5岁)存在显著差异，表明极重度听力损失导致的听觉刺激输入受阻，至少已影响了3.5岁儿童的听觉皮层发育[2]，从皮层可塑性方面进一步解释了早期植入人工耳蜗儿童干预效果更好的原因[3]。许多研究报道早期植入的CI儿童具有语言理解和表达优势[4,5](以12月/18月为界限进行比较)，基于此提出假设，即使是短期的听觉剥夺也会导致皮层功能的改变，从而影响干预后的听觉言语能力。

功能性近红外脑成像技术(functional near-infrared spectroscopy,fNIRS)是一项新兴的非侵入性的光学成像技术，通过测量经人体组织散射的近红外光(650～950 nm)密度变化监测大脑活动[6]。氧合血红蛋白(HbO)和脱氧血红蛋白(HbR)是人体组织中吸收近红外光的主要物质，通过测量经皮层漫散射后的光密度变化计算获得HbO和HbR的浓度变化，从而得知皮层血流量变化，进一步获得神经功能状态[7]。fNIRS技术记录时无过多噪声干扰，对测试环境要求低，信号质量受头动干扰小，低龄婴幼儿可在家长怀抱中进行，因此适用于婴幼儿或者是疾病儿童脑功能的研究。

随着新生儿听力筛查和耳聋基因联合筛查的有效实施，绝大多数听力损失婴儿已经实现早期诊断。根据指南[8, 9]按时进行早期干预的婴儿虽逐年增多，但依然存在干预不及时等问题。本研究利用fNIRS技术，对3 ～ 6月龄听力正常及听力损失婴儿进行静息状态下的大脑皮层功能评估，探讨外周听觉通路异常是否在生命早期已对皮层功能的发育产生影响，以期为听力损失早期干预的必要性提供客观依据，为儿童早期听力损失干预及康复计划的制定提供参考。

1 资料与方法

1.1研究对象及分组 本研究共收集3～6月龄婴儿55例，经初步数据处理，因信号质量欠佳排除受试者5例，剩余50例纳入最终的数据处理，其中听力正常受试者35例(听力正常组)，年龄3.0～5.9月，平均4.03±1.13月；双侧对称性中度及以上程度感音神经性听力损失受试者15例(听力损失组)，年龄3.0～5.8月，平均4.21±0.86月。所有受试者均为新生儿听力筛查未通过转诊至首都医科大学附属北京儿童医院进行听力诊断婴儿，足月产，出生时除听力筛查未通过外无其他异常，未合并其他神经、精神疾病，无发育迟缓。所有受试者1 000 Hz鼓室导抗图均为“单峰”，经听力诊断无听神经病者。受试者在进行fNIRS测试前家长均已签署知情同意书。

1.2研究方法

1.2.1听力测试 听力测试前，所有受试者均经电耳镜检查，排除外耳道耵聍阻塞等影响。服用10%水合氯醛镇静，熟睡后进行听力诊断。包括声导抗、听性脑干反应(ABR)、听性稳态反应(ASSR)、畸变产物耳声发射(DPOAE)，对于重度及以上听力损失者加做耳蜗微音电位(CM)。

以ABR反应阈值作为分组依据，听力正常组受试者双耳ABR阈值均≤20 dB nHL,听力损失组受试者双耳均为中度及以上对称性听力损失(ABR阈值均≥40 dB nHL且耳间差值≤10 dB)。

1.2.2fNIRS检测 采用静息态fNIRS检测，测试在标准隔声室中进行。采用64通道SmartNIRS系统，探测光波长为760 nm和850 nm，采样频率10 Hz。测试阵列由24个发射光源和16个接收探头组成(共64个通道)，光源、探头之间距离为3 cm，放置时参照国际标准导联10-20系统，同时以T3(左颞中)、T4(右颞中)、Fz(额中点)、Cz(中央点)及Oz(枕点)为参考点，测试区域覆盖双侧颞叶、额叶、枕叶脑区(图1)。测试时受试婴儿由家长怀抱，处于安静睡眠状态并头戴定制fNIRS测试帽，测试时间10分钟。测试前嘱咐家长在测试过程中保持安静并且维持固定姿势，以保证信号质量稳定。

图1 fNIRS测试阵列排布图 红点:发射光源;黑点:接收探头;绿点:放置参照位点;数字代表测试通道

1.3数据分析

1.3.1预处理 fNIRS数据采用北京师范大学开发的FC_NIRS软件进行分析。首先，将原始光强信号转换为光密度数据；其次，采用滑动窗的方法识别信号中的头动(窗长2 s，异常值标准为4倍标准差)并采用3次样条插值矫正头动；第三，通过带通滤波(0.01～0.1 Hz)去除呼吸、心跳等高频噪声及低频数据漂移；第四，采用比尔-朗伯定律(Beer-Lambert Law)将光密度值转化为HbO和HbR的相对浓度变化；最后，截取血氧信号中相对最平稳的5分钟数据进行后续分析。

1.3.2半球自主性系数(hemispheric autonomy index，AI) 本研究采用AI来评估大脑皮层的功能特性，计算公式如下：

AI=Ni/Hi-Nc/Hc

其中，i代表任意通道，Ni代表同侧半球与通道i存在功能连接的通道个数；Nc代表对侧半球中与通道i存在功能连接的通道个数；Hi与Hc分别代表同侧和对侧半球的通道总个数(当全部通道信号质量良好时Hi=Hc=32)，文中呈现的结果以r=0.25为阈值，任何两个通道间的功能连接强度若小于等于该阈值，则认为两通道之间不存在功能连接(计数为0)，两个通道间的功能连接强度若大于该阈值，则认为存在功能连接(计数为1)。由此可见，AI是一个百分比，是半球内(Ni/Hi)与半球间(Nc/Hc)的功能连接差异，值越大代表该通道和半球内连接强度越高于半球间，对比双侧半球的AI值可以反映大脑偏侧化程度[10]。

1.3.3聚类分析 以听力正常受试者为对象，首先将每个个体(n=35)的每个通道(n=64)的时间序列数据(n=3 000)进行拼接，得到一个64×(35×3 000)的基于组水平的二维矩阵；其次计算通道两两之间的相关系数得到通道的相似矩阵；之后定义两通道间的距离d(d=1-r)，计算得到相关矩阵的距离矩阵；最后采用ward法为连接函数对测试通道进行层级聚类。将层级聚类分析所得的大脑皮层划分结果应用到两组受试者，探讨两组受试者大脑皮层的功能侧化差异。

1.4统计学方法 为尽可能控制个体差异，采用混合线性效应模型(linear mix model，LMM)进行统计学分析[11]，探讨左右同源脑区的AI值在两组受试者的差异。数据分析使用R数据分析包lmer4。混合线性效应模型中受试者、通道为随机因子，组别及左右同源脑区为固定因子。与一般线性模型(general linear model，GLM)相比，LMM的数据拟合的前提与GLM相同，但LMM在考察组间差异的同时能控制不同个体之间的差异和不同通道的脑区特异性位置差异，统计检验效力更高，更符合数据实际情形分析。

2 结果

2.13～6月龄婴儿大脑分区及AI 层级聚类的结果显示64个通道被分为四大类(图2)，依次覆盖大脑的额叶网络、双侧颞叶网络及枕叶网络，结果表明3 ～ 6月婴儿大脑功能分区已较为稳定。AI的空间分布显示对于听力正常婴儿，左侧颞叶网络及额颞联合区两个听觉语言相关网络的半球自主性明显强于其他网络，表明听力正常婴儿3 ～ 6月龄时已表现出左侧的偏侧化趋势，然而听力损失婴儿没有表现出类似模式(图3)。

图3 两组婴儿AI空间分布 a.半球内功能连接性(Ni/Hi);b.半球间功能连接性(Nc/Hc);c.半球自主性系数(AI);NH:听力正常组;HL:听力损失组;图中数字为通道;c列为a列与b列相减所得结果,越趋向于红色代表半球自主性越高,NH组受试者左侧半球自主性明显高于右侧,表明存在左侧偏侧化;HL组受试者左右半球自主性相似,无明显偏侧化趋势

2.2两组婴儿同源脑区偏侧化差异 结果表明，听力正常组受试者的左右额叶间AI没有表现出差异(L-R=0.001 8±0.018 8，P=0.922 8)，而听力损失组受试者左侧额叶AI显著高于右侧(L-R=0.064 3±0.018 7，P<0.000 1)，呈现偏侧化趋势；听力正常组受试者左侧颞叶AI显著高于右侧(L-R=0.075 1±0.014 8，P<0.000 1)，呈现偏侧化趋势，而听力损失组受试者左右颞叶间则没有差异(L-R=-0.007 5±0.014 8，P=0.611 6)；两组受试者左右枕叶间网络AI均无差异(听力正常组L-R=0.021 2±0.022 0，P=0.294 6；听力损失组L-R=0.014 3±0.020 2，P=0.481 2)(表1，图4)。

表1 两组受试者左右同源脑区AI均值

图4 两组婴儿左右同源脑区偏侧化差异 HL:听力损失组;NH:听力正常组;∗∗P<0.01;a.NH组受试者双侧额叶AI无差异,HL组受试者左侧额叶AI显著高于右侧;b.NH组受试者左侧颞叶AI显著高于右侧,HL组受试者双侧颞叶AI无显著差异;c.两组儿童双侧枕叶AI均无显著差异

3 讨论

听觉发育是一个复杂的过程，依赖于外部感觉刺激的有效输入，听觉在出生前就已发育，胎儿在妊娠25至27周即可接受声音刺激，母亲的心跳和语音等低频声音可引起胎儿连续可测的生理反应。成熟的胎儿在妊娠晚期和出生后不久便可对更广泛的声音频率做出反应[12]，然而个体在出生时,听觉皮层中的神经元之间的功能连接尚未完全建立。当接收到听觉刺激时,刺激引起的信号从毛细胞经通路传导到初级听觉皮层, 进而又向次级听觉皮层传导；在信号传导过程中, 所涉及的神经元之间建立起基于突触的功能连接,并不断得到巩固,形成有序的神经网络[13]。对成人的研究表明长期的听觉剥夺会导致皮层功能的改变[14,15]。本研究选择的双侧中度及以上程度感音神经性听力损失受试者均为早期听力检查诊断为听力损失但尚未接受听觉干预的3～6月龄婴儿，以期探索短期听觉剥夺对皮层功能的影响，为听力损失干预时机的选择提供依据。

fNIRS研究领域之一是通过皮层自发性低频神经活动研究不同皮层区域之间的相互作用[16]，这种神经活动以静息状态下(无刺激输入)血氧水平的缓慢变化形式出现。在解剖位置不相邻脑区之间的自发性神经活动同步化称为静息态功能连接(resting state functional connectivity,RSFC)，这一现象已在多个皮层系统发现，并且已经用于映射脑功能网络，例如：感觉、运动、视觉和听觉，以及诸如语言和注意力等更高网络[17]。RSFC反映了静息状态期间神经元群体之间的相互作用，对其研究有助于洞察人脑的内在功能结构。RSFC越来越多的被用于神经、精神疾病患者神经功能的研究[7]。

偏侧化是人类大脑的一种属性，有利于信息的高效快速处理，研究偏侧化对理解人类大脑发育和各种神经系统疾病具有重要意义。本研究通过可反映皮层功能偏侧化的AI评估受试者大脑皮层RSFC，关注的是功能连接的性质而不是强度。这种方法是基于半球内和半球间功能连接的比较，反映的是半球内和半球间功能连接的不平衡，通过对比左右半球AI大小，间接地反映了皮层偏侧化，而不是对偏侧化系数(laterality index,LI)的直接计算(LI=(L-R)/(L+R))[18,19]。因此，该方法不会受到双侧半球解剖对称性假设的影响[10]，同时也可以弥补fNIRS空间分辨率较低无法精准定位脑区的不足。需要说明的是，本研究采用的是静息状态下大脑皮层功能连接测试，皮层神经自发活动和任务诱发活动均有其独特的功能网络属性，因此 RSFC可能不同于任务态下的功能连接结果[20]。

本研究结果表明,3～6月龄双侧对称性中度及以上程度感音神经性听力损失婴儿皮层功能与同龄听力正常婴儿已产生差异，从图3可以看到听力正常婴儿有明显的偏侧化趋势，左半球AI明显高于右半球，与前期针对听力正常成人功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)研究得到的左侧脑区半球内功能连接更强，右侧脑区半球间功能连接更强的结果相一致[21]；而听力损失婴儿双侧半球没有明显的偏侧化趋势，当划分脑区进行研究时，两组婴儿的额叶、颞叶存在偏侧化差异,具体表现为：听力正常婴儿颞叶呈现左侧偏侧化，与Molavi等[17]对于新生儿静息态fNIRS研究以及Wang等[10]对于成人静息态fMRI研究发现的听觉语言相关的脑区有明显的左半球偏侧化相一致；而听力异常婴儿左右颞叶的自主性系数无明显差异，这一结果提示即使是短期的听觉输入缺乏也会影响听觉相关脑区(颞叶皮层)的正常发育。早期的听觉剥夺会引起听觉中枢的改变，表现为初级听觉皮层的失同步化(颗粒层以下活动减少)[22]，初级听觉皮层与次级听觉皮层之间功能联系及将信息向更高级皮层传递的能力减弱，以及高级皮层对初级听觉皮层“自上而下”的调节作用减弱，同时还可能存在跨模式重组及次级听觉皮层被其他感觉通道占用[13]。另外,听力正常婴儿双侧额叶自主性系数相似而听力损失婴儿却存在左侧偏侧化趋势，推测这可能是由于代偿机制所致；人类大脑皮层是一个复杂且动态变化的系统，表现为不同脑网络间结构、功能的相互关联和信息的有效传递[23]，在听觉剥夺后听觉皮层功能减退的同时亦存在着非听觉皮层的代偿性功能增强[24]。Peelle等[25]研究也提示大脑会通过激活下额叶(参与记忆、分析等认知功能)帮助理解经编码理解度下降的语言任务。

综上所述，双侧对称性中度及以上程度感音神经性听力损失婴儿在3 ～ 6月龄时皮层功能已与听力正常婴儿产生差异。虽然出生时初级听觉皮层、次级听觉皮层以及更高级的皮质区域已经形成，然而它们的发育成熟依赖于听觉刺激的输入及在信息传递过程中各级神经元之间的相互作用。先天性听力损失婴儿缺乏有效的听觉刺激输入,“自下而上”的听觉学习不能得到充分的发展，虽然具有良好的皮层可塑性，但是又缺乏成熟听觉皮层具有的“自上而下”的监督与调节作用，无法抑制听觉皮层跨模式重组(听觉皮层被占据用于处理其他感觉，如视觉刺激)的发生[22]。因此对于确诊为永久性听力损失的婴儿，应严格根据《新生儿听力筛查技术规范(2010)》[8]在出生6个月内尽早采取干预措施，对于超过此年龄限度的儿童在确诊为听力损失后也应尽早干预，使听力损失儿童在皮层可塑性良好的干预敏感期内获得有效的听觉输入，使大脑皮层趋向正常化发展，从而使其在干预后获得更好的听觉言语能力。