聽(tīng)視覺(jué)刺激對(duì)長(zhǎng)期聽(tīng)力損失患者語(yǔ)言處理的影響

張光玉，徐龍春，張敏風(fēng)，張崗，鄒越，程運(yùn)福，何樂(lè)民，趙文波，劉怡穎，王曉艷，王鵬程

1.山東第一醫(yī)科大學(xué)（山東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院）放射學(xué)院，山東泰安271016；2.山東第一醫(yī)科大學(xué)（山東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院）第二附屬醫(yī)院，山東泰安271000

前言

大量的研究表明，早期或先天聽(tīng)力損失患者依靠沒(méi)有受損的感官器官與周?chē)沫h(huán)境進(jìn)行互動(dòng)［1］。與聽(tīng)力正常的受試者相比，聽(tīng)力損失患者往往表現(xiàn)出更好的視覺(jué)技能，例如，對(duì)周邊移動(dòng)的物體更敏感［2］，對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的感知能力增強(qiáng)［3］。此外，同聽(tīng)力正常的成年人相比，先天性聽(tīng)力損失的成年人，其顳橫回表現(xiàn)出了更強(qiáng)的視覺(jué)刺激反應(yīng)，其視覺(jué)工作記憶也更快、更準(zhǔn)確［4］。這種優(yōu)越的視覺(jué)技能可能與早期聽(tīng)力損失患者雙側(cè)顳上回增強(qiáng)的神經(jīng)活動(dòng)密切相關(guān)［5］。研究者還發(fā)現(xiàn)，與聽(tīng)力正常的受試者相比，早期聽(tīng)力損失患者的聽(tīng)覺(jué)皮層對(duì)視覺(jué)活動(dòng)呈現(xiàn)了較強(qiáng)的激活［6］，而重度聽(tīng)力損失患者的右顳葉對(duì)視覺(jué)運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)了更強(qiáng)的反應(yīng)［7］。聽(tīng)力損失患者在觀看手語(yǔ)時(shí)，其聽(tīng)覺(jué)區(qū)域被視覺(jué)活動(dòng)所占據(jù)［8-9］。早期或先天性聽(tīng)力損失患者視覺(jué)技能增強(qiáng)的原因是由于聽(tīng)覺(jué)皮層交叉模式功能重組［10］。此外，研究也發(fā)現(xiàn)，交叉模式功能重組不但發(fā)生在早期或先天性聽(tīng)力損失患者中，也發(fā)生在與年齡相關(guān)的輕中度聽(tīng)力損失患者中［11］。這些研究表明，聽(tīng)覺(jué)剝奪導(dǎo)致聽(tīng)視覺(jué)交叉模式功能重組，這種可塑性有助于提高視覺(jué)表現(xiàn)能力，增強(qiáng)聽(tīng)覺(jué)皮層視覺(jué)誘發(fā)的激活［12］。

聽(tīng)視覺(jué)交叉模式重組在提高聽(tīng)力損失患者視覺(jué)技能的同時(shí)，也對(duì)患者在采用人工耳蝸植入等恢復(fù)性策略后的康復(fù)產(chǎn)生了不利影響。聽(tīng)覺(jué)皮層視覺(jué)誘發(fā)增強(qiáng)的激活總是與早期或重度聽(tīng)力損失患者較差的語(yǔ)言理解能力相關(guān)［13-14］。先前的研究認(rèn)為視覺(jué)語(yǔ)言不適合幫助聽(tīng)力損失患者人工耳蝸植入后的聽(tīng)力恢復(fù)，但大量嚴(yán)格的口語(yǔ)訓(xùn)練有利于語(yǔ)言處理能力的恢復(fù)［15］。然而，最近的研究表明，視覺(jué)語(yǔ)言有利于人工耳蝸植入后的聽(tīng)力恢復(fù)［16］。聽(tīng)覺(jué)和視覺(jué)刺激對(duì)聽(tīng)力損失患者語(yǔ)言處理產(chǎn)生的影響存在不一致的研究結(jié)果。因此，本研究利用虛擬數(shù)字腦軟件VDB1.4（https://www.nitrc.org/projects/vdb/）對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了進(jìn)一步探討。

1 材料與方法

1.1 參與者

挑選聽(tīng)力損失時(shí)間3年以上的長(zhǎng)期雙側(cè)聽(tīng)力受損患者12人，患者聽(tīng)力損失耳門(mén)限大于40 dB。選取與實(shí)驗(yàn)中長(zhǎng)期聽(tīng)力損失患者年齡、受教育程度、性別、利手相匹配的12 個(gè)正常人作為對(duì)照組。正常受試者雙耳聽(tīng)力門(mén)限均不大于25 dB。所有受試者皆無(wú)藥物成癮及酗酒史，無(wú)神經(jīng)系統(tǒng)及精神疾病病史，無(wú)高血壓、糖尿病和磁共振檢查禁忌證，均為右利手。受試者年齡為31～70 歲。本研究獲得了山東第一醫(yī)科大學(xué)（山東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院）倫理委員會(huì)的批準(zhǔn)，所有受試者在實(shí)驗(yàn)前均簽署了知情同意書(shū)。

1.2 數(shù)據(jù)采集

1.2.1 磁共振數(shù)據(jù)采集采用GE 公司的磁共振成像儀（Discovery MR750 3.0T）采集數(shù)據(jù)。頭正交線(xiàn)圈，受試者實(shí)驗(yàn)時(shí)仰臥，頭部加用軟海綿墊固定于線(xiàn)圈內(nèi)以減少頭部運(yùn)動(dòng)。首先進(jìn)行T1加權(quán)的高分辨率結(jié)構(gòu)像采集，然后進(jìn)行靜息態(tài)功能磁共振成像數(shù)據(jù)的采集。詳細(xì)的采集參數(shù)參考文獻(xiàn)［17］。

1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

首先將最早采集的10 個(gè)靜息態(tài)容積數(shù)據(jù)刪除，以便消除對(duì)后續(xù)結(jié)果的影響。然后采用SPM12 軟件對(duì)剩余的靜息態(tài)fMRI數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括時(shí)間校正、頭動(dòng)校正、結(jié)構(gòu)像配準(zhǔn)、空間標(biāo)準(zhǔn)化、空間平滑、結(jié)構(gòu)像分割。利用虛擬數(shù)字腦軟件包VDB1.4 對(duì)預(yù)處理后的功能磁共振數(shù)據(jù)去線(xiàn)性漂移和時(shí)域?yàn)V波（頻率范圍為0.01～0.1 Hz）。利用回歸方法消除白質(zhì)和腦脊液平均信號(hào)以及頭動(dòng)校正參數(shù)對(duì)后續(xù)處理的影響。

1.4 虛擬任務(wù)刺激

基于預(yù)處理后的功能磁共振數(shù)據(jù)，利用虛擬數(shù)字腦軟件包VDB1.4 獲得腦區(qū)間的因果連接和回歸系數(shù)，為每個(gè)參與者構(gòu)建個(gè)性化的虛擬數(shù)字腦。如圖1 所示，通過(guò)掃描斯特魯色詞測(cè)試（stroop-colorword-test）卡B，并對(duì)掃描所獲得的信號(hào)進(jìn)行采樣獲得視覺(jué)任務(wù)刺激信號(hào)，將該信號(hào)與血流動(dòng)力學(xué)相應(yīng)函數(shù)進(jìn)行卷積，得到血液氧飽和水平檢測(cè)（Blood Oxygen Level Dependent,BoLD）信號(hào)，利用事件相關(guān)的任務(wù)設(shè)計(jì)獲得虛擬視覺(jué)刺激信號(hào)。將虛擬信號(hào)直接施加到已經(jīng)構(gòu)建的每個(gè)參與者個(gè)體化虛擬數(shù)字腦中的左側(cè)次級(jí)視皮層（BA 18L）和右側(cè)次級(jí)視皮層（BA 18R）。如圖2 所示，通過(guò)用標(biāo)準(zhǔn)普通話(huà)讀斯特魯色詞測(cè)試卡B獲得一個(gè)音頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)類(lèi)似上述的一系列處理獲得虛擬刺激信號(hào)，并將該信號(hào)輸入個(gè)體化虛擬數(shù)字腦的左側(cè)初級(jí)聽(tīng)覺(jué)皮層（BA 41L）和右側(cè)初級(jí)聽(tīng)覺(jué)皮層（BA 41R）。本研究探討了在虛擬信號(hào)刺激下大腦區(qū)域的激活和激活區(qū)域之間的最短因果連接路徑。

2 結(jié)果

2.1 虛擬視覺(jué)刺激誘發(fā)的腦區(qū)激活

圖1 虛擬視覺(jué)任務(wù)設(shè)計(jì)范例Fig.1 Virtual visual task design paradigm

圖2 虛擬聽(tīng)覺(jué)任務(wù)設(shè)計(jì)范例Fig.2 Virtual auditory task design paradigm

仿真結(jié)果顯示，施加到BA 18L和BA 18R的虛擬視覺(jué)刺激信號(hào)激活了枕葉、顳葉、頂葉和額葉的多個(gè)腦區(qū)（圖3 a～c）。圖中，腦區(qū)的顏色對(duì)應(yīng)激活的強(qiáng)度，顏色由淺藍(lán)色到黃色表示激活強(qiáng)度逐漸增加，激活強(qiáng)度的度量可以由旁邊的顏色條給出，負(fù)數(shù)表示負(fù)激活，正數(shù)表示正激活。目前的研究選擇Z=12 mm的軸位圖像來(lái)描述大腦區(qū)域在視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和語(yǔ)言網(wǎng)絡(luò)中的激活。如圖3d 所示，正常聽(tīng)力受試者在BA 18L、18R，右側(cè)視覺(jué)聯(lián)合皮層（BA 19R），左側(cè)后扣帶回皮層（BA 29L），威尼克區(qū)（BA 22L），初級(jí)聽(tīng)皮層（BA 42L 和42R）和左側(cè)前額葉皮層（BA 10L）呈現(xiàn)了正激活；右側(cè)后扣帶皮層（BA 31R），左側(cè)角回（BA 39L），右側(cè)顳上回（BA 22R 和41R），右側(cè)中央亞區(qū)（BA 43R），島葉皮層（BA 13L 和13R）和前扣帶皮層（BA 24L、24R 和32R）呈現(xiàn)了負(fù)激活。如圖3e 所示，雙側(cè)長(zhǎng)期聽(tīng)力損失患者的BA 18L、18R、10L，視覺(jué)聯(lián)合皮層（BA 19L 和19R）和前扣帶皮層（BA 32L 和32R）均呈現(xiàn)正激活；背側(cè)后扣帶皮層（BA 31L 和31R），右側(cè)扣帶皮層（BA 30R），初級(jí)聽(tīng)覺(jué)皮層（BA 41L、42L 和41R），右側(cè)顳上回（BA 22R），中央亞區(qū)（BA 43L 和43R），左側(cè)運(yùn)動(dòng)前皮層（BA 6L），右額下皮層（BA 44R），布洛卡區(qū)（BA 44L）和右島葉皮層（BA 13R）均呈現(xiàn)了負(fù)激活。與聽(tīng)力正常的受試者相比，長(zhǎng)期聽(tīng)力損失患者BA 19R、29L、31L、31R，威尼克區(qū)，布洛卡區(qū)（BA 44L 和BA 45L）、BA43L、43R，左側(cè)初級(jí)聽(tīng)覺(jué)皮層（BA 42L），左側(cè)顳上回（BA 22L），左側(cè)島葉（BA 13L）和左側(cè)額葉背外側(cè)皮層（BA 46L）的神經(jīng)活動(dòng)明顯減弱；右側(cè)前扣帶皮層（BA 24R 和32R）的神經(jīng)活動(dòng)明顯增強(qiáng)（圖3f）。

圖3 視覺(jué)刺激誘發(fā)的腦區(qū)激活Fig.3 Brain region activations induced by visual stimulus

2.2 虛擬聽(tīng)覺(jué)刺激誘發(fā)的腦區(qū)激活

將聽(tīng)覺(jué)信號(hào)直接施加到受試者虛擬數(shù)字腦的初級(jí)聽(tīng)覺(jué)皮層（BA 41L 和41R）。結(jié)果顯示，被激活的大腦區(qū)域集中在顳葉、額葉、枕葉和頂葉（圖4a～c）。目前的研究選擇Z=12 mm 的軸位圖像來(lái)描述大腦區(qū)域在聽(tīng)覺(jué)、語(yǔ)言和視覺(jué)網(wǎng)絡(luò)中的激活。如圖4d所示，正常聽(tīng)力受試者的初級(jí)聽(tīng)覺(jué)皮層（BA 4lL、41R、42L和42R），右顳上回（BA 22R），中央亞區(qū)（BA 43L 和43R），右額下皮層（BA 44R），右島葉皮層（BA 13R）均呈正激活；右側(cè)后扣帶回皮層（BA 29R）呈現(xiàn)負(fù)激活。聽(tīng)力損失患者的BA 41L、41R、22R、43R、44R、18R、18L，島葉皮層（BA 13L 和13R），背外側(cè)額前皮層（BA 46L 和46R），威尼克區(qū)和布洛卡區(qū)呈現(xiàn)正激活；次級(jí)視覺(jué)皮層（BA 18L 和18R），視覺(jué)聯(lián)合皮層（BA 19L 和19R），背側(cè)前扣帶回皮層（BA 32L 和32R）和左側(cè)前額葉皮層（BA 10L）均呈負(fù)激活（圖4e）。與正常聽(tīng)力對(duì)照組相比，聽(tīng)力損失患者的BA 18L、18R、42R、43L、24L，背側(cè)前扣帶皮層（BA 32L和32R）呈現(xiàn)了減弱的激活；布洛卡區(qū)，BA 46、46R、13L，左側(cè)運(yùn)動(dòng)前皮層（BA 6L）和右側(cè)額下皮層三角部（BA 45R）呈現(xiàn)了增強(qiáng)的激活（圖4f）。

圖4 聽(tīng)覺(jué)刺激誘發(fā)的腦區(qū)激活Fig.4 Brain region activations induced by auditory stimulus

2.3 最短因果連接路徑

為了進(jìn)一步驗(yàn)證視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)刺激對(duì)布洛卡區(qū)（BA 44L 和45L）神經(jīng)活動(dòng)的影響，本研究探討了次級(jí)視覺(jué)皮層（BA 18L 和18R）與布洛卡區(qū)之間（圖5）以及初級(jí)聽(tīng)覺(jué)皮層（BA 41L 和41R）與布洛卡區(qū)之間的最短因果連接路徑（圖6）。圖中，淺藍(lán)色棒表示異步因果連接，金黃色棒表示同步因果連接，箭頭方向表示因果連接的方向，棒的粗細(xì)表示因果連接的強(qiáng)度。

結(jié)果顯示，在聽(tīng)力損失患者視覺(jué)誘發(fā)的激活網(wǎng)絡(luò)中，存在一條從BA 18L到BA 19R的同步因果連接路徑和一條從BA 19R 到BA 44L 的異步因果連接路徑（圖5a）；從BA 18R 到BA 44L 也存在類(lèi)似的最短路徑（圖5b）。從BA 19R 到BA 44L 的異步因果連接路徑表明，視覺(jué)刺激信號(hào)通過(guò)右視覺(jué)聯(lián)合皮層抑制了布洛卡區(qū)（BA 44L）的神經(jīng)活動(dòng)。此外，在聽(tīng)力損失患者聽(tīng)覺(jué)誘發(fā)的腦網(wǎng)絡(luò)中也存在幾條從初級(jí)聽(tīng)覺(jué)皮層（BA 41L 和41R）到布洛卡區(qū)（BA 44L 和45L）的同步因果連接通路（圖6）。這些結(jié)果表明，聽(tīng)覺(jué)刺激信號(hào)增強(qiáng)了布洛卡區(qū)的神經(jīng)活動(dòng)，而視覺(jué)刺激信號(hào)減弱了布洛卡區(qū)的神經(jīng)活動(dòng)。

圖5 視覺(jué)激發(fā)的因果連接網(wǎng)中的最短因果連接路徑Fig.5 The shortest causal connectivity paths in visual-evoked activation network

圖6 聽(tīng)覺(jué)激發(fā)的因果連接網(wǎng)中的最短因果連接路徑Fig.6 The shortest causal connectivity paths in auditory-evoked activation network

3 討論

早期或深度聽(tīng)力損失個(gè)體增強(qiáng)的視覺(jué)誘發(fā)的聽(tīng)覺(jué)腦區(qū)活動(dòng)總是與較差的語(yǔ)言理解能力相關(guān)，聽(tīng)視覺(jué)重組對(duì)于人工耳蝸植入后的聽(tīng)力恢復(fù)是不利的［12-14］。先前的研究發(fā)現(xiàn)，成年人工耳蝸種植者在唇讀過(guò)程中聽(tīng)覺(jué)皮層區(qū)域增強(qiáng)的激活預(yù)示著患者較差的語(yǔ)言理解能力［18］。視覺(jué)語(yǔ)言對(duì)聽(tīng)覺(jué)皮層的激活可能會(huì)限制其處理聽(tīng)覺(jué)信號(hào)的能力［19］。然而，目前的研究并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期輕中度聽(tīng)力損失患者存在聽(tīng)視覺(jué)重組。相反，發(fā)現(xiàn)聽(tīng)力損失患者呈現(xiàn)了增強(qiáng)的視聽(tīng)覺(jué)抑制，一個(gè)可能的原因是人腦存在一個(gè)聽(tīng)視覺(jué)資源的共享機(jī)制［20-21］，長(zhǎng)期的聽(tīng)力損失引起了視覺(jué)對(duì)聽(tīng)覺(jué)資源的大量占用，進(jìn)一步導(dǎo)致了增強(qiáng)的視聽(tīng)覺(jué)抑制。與正常聽(tīng)力的受試者相比，輕中度聽(tīng)力損失患者與語(yǔ)言處理相關(guān)的威尼克區(qū)和布洛卡區(qū)視覺(jué)誘發(fā)的激活減弱。特別是，視覺(jué)刺激通過(guò)最短的因果連接路徑抑制了聽(tīng)力損失患者布洛卡區(qū)的神經(jīng)活動(dòng)，相反，聽(tīng)覺(jué)刺激通過(guò)抑制視覺(jué)皮層的活動(dòng)，而在布洛卡區(qū)誘發(fā)了正的激活，并且通過(guò)最短因果連接路徑促進(jìn)了布洛卡區(qū)的神經(jīng)活動(dòng)。

總之，視覺(jué)刺激信號(hào)通過(guò)聽(tīng)覺(jué)視覺(jué)抑制機(jī)制抑制長(zhǎng)期聽(tīng)力受損患者的語(yǔ)言處理能力，而聽(tīng)覺(jué)語(yǔ)言促進(jìn)長(zhǎng)期聽(tīng)力受損患者的聽(tīng)力恢復(fù)。因此，本研究建議長(zhǎng)期聽(tīng)力受損患者在人工耳蝸植入術(shù)后應(yīng)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的口語(yǔ)訓(xùn)練，這樣更有利于語(yǔ)言處理能力的恢復(fù)，而不是運(yùn)用視覺(jué)語(yǔ)言來(lái)恢復(fù)語(yǔ)言處理能力。

需要特別說(shuō)明的是，虛擬數(shù)字腦軟件包是一個(gè)還沒(méi)有經(jīng)過(guò)大量實(shí)踐檢驗(yàn)的軟件，結(jié)果可能存在大量的假陽(yáng)性。但利用虛擬刺激信號(hào)通過(guò)虛擬數(shù)字腦研究人腦功能和疾病，為人腦功能和疾病以及類(lèi)腦人工智能的研究，開(kāi)辟了一個(gè)新的研究思路。