两个小孩

专家笔谈丨基于脑功能的人工耳蜗植入儿童听力语言功能测评

2020-07-23 15:11:16 来源: 中国听力语言康复科学杂志字体[ ]

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听力障碍(hearing disorders)是儿童常见的发育障碍,不仅影响儿童的语言、认知、情绪和社会功能及其发展,而且给患者家庭带来了经济负担和心理压力。处在神经发育阶段的听障儿童通过人工耳蜗植入,不仅可以恢复听力和语言功能,而且能够促进其相关大脑皮层的发育。

对于人工耳蜗植入儿童的诊断和预后康复情况,临床医师和研究者主要从听觉和语言等方面进行测评。随着研究的不断深入和临床要求的不断提高,现有方法的不足逐渐显露,主要体现在以下方面。第一,传统测评方法受到儿童年龄的限制,通常由受测者进行主观报告,导致可靠性差异较大。在进行语言能力评估时,对无法配合测试的低龄儿童,通常由家长或其他人代替完成,降低了评估结果的可靠性。第二,测评结果的解读和整合具有一定主观性。现有的测评材料和方法各不相同,评估指标不一,导致测评结果不能直接进行横纵比较。使用非定量评估方式解读听障儿童的测试结果,容易导致主观偏差,降低有效性。第三,由于听障儿童的病因不同,听力重建的效果也存在个体差异,如果不考虑脑功能基础和可塑性规律,则无法做到准确评估和有效康复。

目前,听障儿童人工耳蜗植入早期听力语言功能测查、康复过程中和康复后的听力语言功能评估依赖于外周多维度的主客观检测技术和方法。基于脑功能的研究未见报道。近年来,脑科学的飞速发展使我们对儿童脑发育的规律、脑可塑性规律等问题有了更多认识。言语认知的功能区在大脑皮层,因此,推进脑功能与听障康复方面的研究,对听障儿童言语语言康复有指导意义。本文结合健听儿童听力语言发展和脑发育规律,提出了基于脑功能的听力语言功能测评方法。


1、健听儿童听力语言发展规律与听障儿童听力语言功能重建的脑功能基础


听障儿童人工耳蜗植入的最佳年龄一般在出生后6个月~6岁。此时,儿童的大脑处在神经发育的高峰阶段,在进行人工耳蜗植入和接受合理的康复训练后,不仅听觉语言功能会快速提升,相关大脑皮层的功能也会得到更好的发育。了解儿童语言发展规律和脑发育基础及其与听障儿童治疗和干预的关系是应对挑战的关键。

1.1 健听儿童的听力语言发展及其脑发育规律

生命的最初几年是大脑发育,尤其是听觉语言功能相关大脑皮层发育的关键时期。早在上世纪70年代,神经语言学家提出了儿童语言发展的关键期或敏感期概念,即2~12岁是儿童语言发展的重要时期。近年,儿童脑发育研究发现,语言发展的敏感期存在一定的层级特征(如图1所示)。3岁前,儿童逐步获得初步的语言能力,能够加工感觉输入的初级心理表征,包括语音、词汇、简单的句法规则等。人类尚在胚胎期时就已具备听觉功能。从妊娠第28周开始,胎儿及婴儿便能够加工语言中的音韵和韵律特征,并伴随双侧颞上沟(bilateral superior temporal sulcus,STS)的激活。出生后6~12个月是语音学习的关键期。6~9个月时,借助韵律线索(如重读),婴儿可以进行词汇的音韵编码(阶段1),并按照形态学规则对句法进行分类(阶段2和6a)。此时,左侧颞中和颞上皮层(left middle and superior temporal cortex)的语言功能逐渐发展。6个月时,婴儿已经能够对词汇概念进行分类(阶段3)与检索(阶段4)。1岁半时,儿童掌握新词的速度明显加快,是词汇量增长最快的阶段。1岁半~3岁是句法习得的重要阶段。在2岁半左右,儿童能够调用左侧颞叶前部(left anterior temporal regions)对词汇进行组织,从而说出各种听过甚至没有听过的句子(阶段5)。

3岁~成年早期,儿童的语言能力不断提高。在该阶段,左侧额下回皮层(left inferior frontal cortex)-弓形束(arcuate fasciculus)-颞叶后部皮层(posterior superior temporal cortex)的功能和结构连接逐渐增强。此时,儿童能够根据语义信息来理解复杂的句子(阶段7),加工句子中的韵律特征(阶段6b),进而完成复杂句法的加工(阶段8)。


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图1 健听儿童听力语言发展(a)和脑发育规律(b)


缩写:aSTG(anterior superior temporal gyrus),颞上回前部;pSTG(posterior superior temporal gyrus),颞上回后部;aSTS(anterior superior temporal sulcus),颞上沟前部;pSTS(posterior superior temporal sulcus),颞上回后部;BA(broadmann area),布鲁德曼分区;FOP(frontal opercular cortex),前额叶盖部。


1.2 听障儿童听力语言功能重建的敏感期

受到健听儿童听力语言发展和脑发育规律的制约,听障儿童的听力语言功能重建也存在一定敏感期。一般人工耳蜗植入的时间越早,预后康复效果越好。3岁前是人工耳蜗植入后听力语言功能恢复的敏感期,而12~18个月则是其中的最佳时期。如果9个月前植入人工耳蜗,听障儿童的语言功能甚至可以恢复到健听儿童水平。

人工耳蜗植入的敏感期可能与早期听觉缺失造成的听觉语言功能相关大脑皮层的结构和功能异常有关。例如,脑影像学的研究发现,3岁半前的先天性听障儿童在颞叶、额叶内侧以及扣带回后部(posterior cingulate regions),尤其是颞上回和颞上沟区域存在显著的结构异常,其灰质密度显著低于同龄健听儿童;同时,其颞叶和额叶区域的白质密度也显著低于同龄健听儿童。错过人工耳蜗植入敏感期的听障儿童,由于大脑突触可塑性、高级功能皮层发育、跨模态重组和多模态处理等方面存在不足,在重建听觉语言功能时会出现困难。

此外,人工耳蜗植入后,也存在关键的预后学习期。成年听障者在植入人工耳蜗后3年半内听觉语言功能有明显改善,其中前6个月的康复效果会达到前2年内总效果的90%。对儿童来说,听觉语言功能的恢复在植入后2年内至关重要,其植入后12个月的词汇量增长速度与健听儿童出生后16个月内的增长速度类似。

总之,听障儿童听力语言功能的学习过程和脑可塑规律,反映了早期人工耳蜗植入和早期干预对听障儿童听力语言功能重建的重要作用。因此,从脑功能的角度对听障儿童的听力语言功能进行测查和预后评估,将会更加客观、有效地反映其真实状况和发展潜力,并为其康复提供优化方案。


2、脑影像技术与听障儿童语言发展的相关性


2.1 基于传统脑影像技术进行听障儿童听力语言测评的优势与不足

语言、认知等功能及其发展都有相应的脑活动作为其生理基础。近年来,随着脑科学的飞速发展,脑影像技术日渐丰富,各种技术逐渐被广泛应用在听障的基础研究和临床领域。根据脑成像技术的原理,传统脑影像技术可以分为两类。一方面,大脑神经活动会导致局部的代谢反应以及血液动力学变化,后者主要表现为局部氧合血红蛋白浓度增加,脱氧血红蛋白浓度下降,以及总血流量和血流速增加。对血氧代谢活动进行测量的脑影像技术主要包括功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging, fMRI)和正电子发射断层成像(positron emission topography, PET)。fMRI具有高空间分辨率的特点,可以通过测量听障儿童人工耳蜗植入前的脑结构或脑功能,进而辅助植入并预测植入后听力语言功能的康复程度。PET与人工耳蜗的兼容性良好,不仅可以用术前脑区糖代谢差异预测术后康复,而且能够追踪术前、术后脑功能的变化与语言功能康复的关系。另一方面,大脑神经活动会诱发特定神经元的集群放电活动,该活动可以在大脑皮层或头皮表面记录。测量电生理活动的脑影像技术主要包括脑电图(electroencephalography,EEG)和脑磁图(magnetoencephalography,MEG)。两者具有高时间分辨率的特点,通过将声音刺激引起的听觉诱发电位作为神经标记,可以评估术前术后听觉皮层的功能水平和听力语言能力的发展水平。

通过上述技术的应用,已有研究初步探索了人工耳蜗植入儿童的脑功能特点。但是,这些技术的应用仍耳蜗内部的磁铁元件设备不兼容,因而并不适合测量人工耳蜗植入后儿童的脑功能。其次,EEG记录到的电信号会受到人工耳蜗产生的电声伪迹干扰。为了避免这种干扰,要求听觉刺激的呈现时间通常不能超过几百毫秒,因此难以考察时间尺度大于几百毫秒的复杂听觉刺激。并且,听觉诱发的电信号比较微弱,婴幼儿很难较好地控制身体动作,导致过多的伪迹污染和严重的信噪比降低,进而降低测量的有效性和可信度。最后,PET的使用需要将放射性物质(如18氟-氟代脱氧葡萄糖,18F-FDG)注射进人体,属于有创测量,且价格昂贵,因而并不适合婴幼儿和长时间多次测量。

由于听障儿童的特殊性以及人工耳蜗与传统脑影像设备之间的不兼容性,导致传统脑影像技术在人工耳蜗植入后听力语言功能测评方面的应用受到制约。

2.2 基于功能性近红外光谱成像技术的听力语言功能测评

近年来,作为一种安全、无创、经济方便、无电磁干扰的脑影像技术:功能性近红外光谱成像技术(functional near-infrared spectroscopy,fNIRS)弥补了传统技术的不足,大大推进了人工耳蜗植入儿童的脑功能研究。

2.2.1 fNIRS技术的原理及其优势和不足    fNIRS利用600~900 nm光在人体组织中的良好穿透性,以及脑组织中氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白对特定波长近红外光相对较高的吸收率,能够实时检测大脑皮层的血氧浓度变化,进而反推大脑神经活动及其对应的语言、认知等功能(如图2所示)。与fMRI和PET相比,fNIRS安全无创、经济方便、对头动等运动伪迹的容忍度更高,生态效度更好,时间采样率也更高(最高可达到200 Hz)。与EEG相比,其不受容积导体效应的影响,空间分辨率更高,可定位2~3 cm深度的局部大脑皮层活动,能够满足检测听觉皮层(约2.5 cm)活动的需求。且fNIRS技术与人工耳蜗不会相互干扰,因此对人工耳蜗是完全兼容的。


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图2  fNIRS光学成像原理


尽管fNIRS技术有其独特的优势,但也存在一些不足。如与fMRI和MEG类似,fNIRS无法获得脑结构信息,所以对脑区的空间定位需要结合其他方法进行检测。此外,fNIRS探测的脑皮层深度有限,难以探测大脑深部的神经核团(如基底神经节)。但是,从满足听障儿童测评的临床需求出发,fNIRS技术的相对优势更加突出,上述不足并不影响其在该领域的应用。

2.2.2 fNIRS用于听障儿童听力语言功能测评的可行性   从1998年开始,fNIRS被用于成人听觉语言功能研究。次年,推广到婴幼儿听觉研究中。以往研究发现,出生3天的新生儿在加工音乐时,左右额叶外侧的血氧浓度变化显著增加。与听倒序的故事相比,出生5天的新生儿在听正常语序的故事时大脑血氧浓度变化更大,并且左侧颞叶皮层的活动显著强于右侧颞叶皮层,表明新生儿语言功能已经出现了成人特有的偏侧化现象。此后,fNIRS被广泛应用到一系列早期语言发展研究中,包括音节分割、类别知觉以及口语交流等。

近年来,fNIRS已逐渐应用到评估听障成人接受人工耳蜗植入后的听力语言功能的研究中。2010年,fNIRS首次应用到听障人群植入人工耳蜗的预后研究。研究重复了健听成人在倾听故事时的脑活动模式,评估了健听成人、健听儿童、人工耳蜗使用4个月后的听障儿童、植入后首次开机的听障儿童这4类群体在完成同样听觉任务时的脑活动模式。结果发现,他们之间在听觉皮层的活动模式上存在显著差异,表明fNIRS可以作为评估人工耳蜗植入听障人群听力语言功能的有效工具。

fNIRS能够检测人工耳蜗植入患者在知觉不同类型听觉语言信息时的特异性听觉皮层活动模式。例如,有研究比较了人工耳蜗植入成人和健听成人在聆听正常、信道化处理、加扰处理和环境声4种语音信息时的行为表现和脑活动模式。结果发现,听障者的言语知觉能力越好,其脑皮层激活模式与健听者越类似;反之,听障者的言语知觉能力越弱,听觉皮层在加工不同类别的语音信息时活动越弱。当关闭人工耳蜗设备后,所有听障者的脑活动水平都显著降低。此外,听觉信息传递到大脑皮层后,会经由不同脑区的协同进行加工。这种协同是人脑进行信息传递与加工的基础,表现为大脑皮层各区域间的功能连接。研究发现,在没有任何外界刺激的静息状态下,植入人工耳蜗的听障患者在同侧大脑半球内不同脑区间的功能连接比健听者更弱。在语言加工任务中,言语理解能力较好的植入者的功能连接模式与健听者类似,在同侧大脑半球内的语言相关区域出现了功能连接,呈现出左脑优势,尤其是左侧额叶的布洛卡区出现较强激活;相反,言语理解能力较差的人工耳蜗植入者左半球脑激活水平较低,尤其是初级听觉皮层和听觉联合皮层几乎没有激活(如图3所示)。可见,fNIRS不仅能够评估听障者的听力语言功能,而且能够精细区分听力语言功能的不同维度和细节,以及听障者的个体差异。


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图3 人工耳蜗植入听障者和健听者在语言任务中的脑激活及功能连接图

a,健听者;图b,言语理解能力较好的听障者;图c,言语理解能力较差的听障者


采用fNIRS技术,研究者进一步考察了人工耳蜗植入者在听力重建后脑皮层功能的动态变化。早期听觉缺失会造成听觉中枢功能的改变,被其他感觉通道(如视觉、躯体感觉)占用,出现了跨通道的功能重组现象,并长期存在于听力重建后。与此相对应,与健听者相比,人工耳蜗植入者的视觉皮层表现出更高的听觉诱发活动,在听觉皮层表现出更高的视觉诱发活动。采用fNIRS对比听障患者在植入人工耳蜗前后听觉皮层加工视觉语言刺激后,发现如果听障患者在人工耳蜗植入前加工视觉语言刺激(如唇读语)时听觉皮层活动更强,其在植入后理解听觉信息的能力越强,并且听觉皮层对纯听觉刺激的响应也越强(如图4所示)。可见,视听协同促进了人工耳蜗植入者的跨感觉通道可塑性和语言理解能力的恢复,并且视听跨感觉通道可塑性越强的听障患者更容易适应人工耳蜗植入后的听力重建。因此,fNIRS在听力语言功能重建的动态评估和康复方案的优化选择方面也表现出巨大潜力。


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图4 跨感觉通道可塑性与听力重建


3、展望

脑影像技术已在儿童听觉语言发展、认知训练与临床康复等领域得到了广泛应用,也被探索性地应用于听障成人人工耳蜗植入的预后评估,为客观了解听障儿童人工耳蜗植入后听力语言功能和重建前后听力语言功能的变化及其神经可塑性基础提供了可能,表现出很大的应用潜力。

但是,目前fNIRS在该领域的应用仍然面临一定的困难和挑战。首先,与学术研究不同,临床测查和评估需要行业标准。但是目前基于脑功能的听力语言功能测评仍然缺乏行业统一的标准,包括测量程序和参数、数据分析和信号提取流程、有效指标体系等,为该技术的应用带来一定阻碍。其次,在具体应用方面,特别是对个体进行个性化测查和评估时,缺少基于fNIRS的听力语言脑功能标准常模,特别是缺少婴幼儿和儿童的听力语言脑功能常模。再次,以往研究仍然以横向研究为主,主要关注人工耳蜗植入后听力语言功能改善的结果,尚缺乏对植入前后的轨迹以及训练干预动态变化的纵向研究。最后,早期语言发展离不开基于家庭的社会互动。但是,目前的听觉语言功能研究主要在实验室情境下被动地给与声音刺激,缺少自然真实的社会情景,因而无法客观地反映儿童真实的听力语言水平。

基于脑功能开展人工耳蜗植入儿童的听力语言功能测评既面临机遇,也面临挑战。要抓住机遇,迎接挑战,就离不开基础研究领域、临床医学领域以及康复训练领域等各个领域工作者的深度交叉和密切合作。相信在不久的将来,基于脑功能的测评方法会使听障患者、家庭以及临床和康复工作者受益。

[责任编辑: 郭勇]