聽視覺刺激對長期聽力損失患者語言處理的影響

張光玉，徐龍春，張敏風，張崗，鄒越，程運福，何樂民，趙文波，劉怡穎，王曉艷，王鵬程

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

前言

大量的研究表明，早期或先天聽力損失患者依靠沒有受損的感官器官與周圍的環(huán)境進行互動［1］。與聽力正常的受試者相比，聽力損失患者往往表現(xiàn)出更好的視覺技能，例如，對周邊移動的物體更敏感［2］，對運動物體的感知能力增強［3］。此外，同聽力正常的成年人相比，先天性聽力損失的成年人，其顳橫回表現(xiàn)出了更強的視覺刺激反應，其視覺工作記憶也更快、更準確［4］。這種優(yōu)越的視覺技能可能與早期聽力損失患者雙側(cè)顳上回增強的神經(jīng)活動密切相關［5］。研究者還發(fā)現(xiàn)，與聽力正常的受試者相比，早期聽力損失患者的聽覺皮層對視覺活動呈現(xiàn)了較強的激活［6］，而重度聽力損失患者的右顳葉對視覺運動呈現(xiàn)了更強的反應［7］。聽力損失患者在觀看手語時，其聽覺區(qū)域被視覺活動所占據(jù)［8-9］。早期或先天性聽力損失患者視覺技能增強的原因是由于聽覺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力損失患者中，也發(fā)生在與年齡相關的輕中度聽力損失患者中［11］。這些研究表明，聽覺剝奪導致聽視覺交叉模式功能重組，這種可塑性有助于提高視覺表現(xiàn)能力，增強聽覺皮層視覺誘發(fā)的激活［12］。

聽視覺交叉模式重組在提高聽力損失患者視覺技能的同時，也對患者在采用人工耳蝸植入等恢復性策略后的康復產(chǎn)生了不利影響。聽覺皮層視覺誘發(fā)增強的激活總是與早期或重度聽力損失患者較差的語言理解能力相關［13-14］。先前的研究認為視覺語言不適合幫助聽力損失患者人工耳蝸植入后的聽力恢復，但大量嚴格的口語訓練有利于語言處理能力的恢復［15］。然而，最近的研究表明，視覺語言有利于人工耳蝸植入后的聽力恢復［16］。聽覺和視覺刺激對聽力損失患者語言處理產(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/）對這個問題進行了進一步探討。

1 材料與方法

1.1 參與者

挑選聽力損失時間3年以上的長期雙側(cè)聽力受損患者12人，患者聽力損失耳門限大于40 dB。選取與實驗中長期聽力損失患者年齡、受教育程度、性別、利手相匹配的12 個正常人作為對照組。正常受試者雙耳聽力門限均不大于25 dB。所有受試者皆無藥物成癮及酗酒史，無神經(jīng)系統(tǒng)及精神疾病病史，無高血壓、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（山東省醫(yī)學科學院）倫理委員會的批準，所有受試者在實驗前均簽署了知情同意書。

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)。頭正交線圈，受試者實驗時仰臥，頭部加用軟海綿墊固定于線圈內(nèi)以減少頭部運動。首先進行T1加權(quán)的高分辨率結(jié)構(gòu)像采集，然后進行靜息態(tài)功能磁共振成像數(shù)據(jù)的采集。詳細的采集參數(shù)參考文獻［17］。

1.3 數(shù)據(jù)預處理

首先將最早采集的10 個靜息態(tài)容積數(shù)據(jù)刪除，以便消除對后續(xù)結(jié)果的影響。然后采用SPM12 軟件對剩余的靜息態(tài)fMRI數(shù)據(jù)預處理，包括時間校正、頭動校正、結(jié)構(gòu)像配準、空間標準化、空間平滑、結(jié)構(gòu)像分割。利用虛擬數(shù)字腦軟件包VDB1.4 對預處理后的功能磁共振數(shù)據(jù)去線性漂移和時域濾波（頻率范圍為0.01～0.1 Hz）。利用回歸方法消除白質(zhì)和腦脊液平均信號以及頭動校正參數(shù)對后續(xù)處理的影響。

1.4 虛擬任務刺激

基于預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)，為每個參與者構(gòu)建個性化的虛擬數(shù)字腦。如圖1 所示，通過掃描斯特魯色詞測試（stroop-colorword-test）卡B，并對掃描所獲得的信號進行采樣獲得視覺任務刺激信號，將該信號與血流動力學相應函數(shù)進行卷積，得到血液氧飽和水平檢測（Blood Oxygen Level Dependent,BoLD）信號，利用事件相關的任務設計獲得虛擬視覺刺激信號。將虛擬信號直接施加到已經(jīng)構(gòu)建的每個參與者個體化虛擬數(shù)字腦中的左側(cè)次級視皮層（BA 18L）和右側(cè)次級視皮層（BA 18R）。如圖2 所示，通過用標準普通話讀斯特魯色詞測試卡B獲得一個音頻信號，經(jīng)過類似上述的一系列處理獲得虛擬刺激信號，并將該信號輸入個體化虛擬數(shù)字腦的左側(cè)初級聽覺皮層（BA 41L）和右側(cè)初級聽覺皮層（BA 41R）。本研究探討了在虛擬信號刺激下大腦區(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 虛擬視覺刺激誘發(fā)的腦區(qū)激活

圖1 虛擬視覺任務設計范例Fig.1 Virtual visual task design paradigm

圖2 虛擬聽覺任務設計范例Fig.2 Virtual auditory task design paradigm

仿真結(jié)果顯示，施加到BA 18L和BA 18R的虛擬視覺刺激信號激活了枕葉、顳葉、頂葉和額葉的多個腦區(qū)（圖3 a～c）。圖中，腦區(qū)的顏色對應激活的強度，顏色由淺藍色到黃色表示激活強度逐漸增加，激活強度的度量可以由旁邊的顏色條給出，負數(shù)表示負激活，正數(shù)表示正激活。目前的研究選擇Z=12 mm的軸位圖像來描述大腦區(qū)域在視覺、聽覺和語言網(wǎng)絡中的激活。如圖3d 所示，正常聽力受試者在BA 18L、18R，右側(cè)視覺聯(lián)合皮層（BA 19R），左側(cè)后扣帶回皮層（BA 29L），威尼克區(qū)（BA 22L），初級聽皮層（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)了負激活。如圖3e 所示，雙側(cè)長期聽力損失患者的BA 18L、18R、10L，視覺聯(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），初級聽覺皮層（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)運動前皮層（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)了負激活。與聽力正常的受試者相比，長期聽力損失患者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)初級聽覺皮層（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)活動明顯減弱；右側(cè)前扣帶皮層（BA 24R 和32R）的神經(jīng)活動明顯增強（圖3f）。

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

2.2 虛擬聽覺刺激誘發(fā)的腦區(qū)激活

將聽覺信號直接施加到受試者虛擬數(shù)字腦的初級聽覺皮層（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 的軸位圖像來描述大腦區(qū)域在聽覺、語言和視覺網(wǎng)絡中的激活。如圖4d所示，正常聽力受試者的初級聽覺皮層（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)負激活。聽力損失患者的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；次級視覺皮層（BA 18L 和18R），視覺聯(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）均呈負激活（圖4e）。與正常聽力對照組相比，聽力損失患者的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)運動前皮層（BA 6L）和右側(cè)額下皮層三角部（BA 45R）呈現(xiàn)了增強的激活（圖4f）。

圖4 聽覺刺激誘發(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

為了進一步驗證視覺和聽覺刺激對布洛卡區(qū)（BA 44L 和45L）神經(jīng)活動的影響，本研究探討了次級視覺皮層（BA 18L 和18R）與布洛卡區(qū)之間（圖5）以及初級聽覺皮層（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，棒的粗細表示因果連接的強度。

結(jié)果顯示，在聽力損失患者視覺誘發(fā)的激活網(wǎng)絡中，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，視覺刺激信號通過右視覺聯(lián)合皮層抑制了布洛卡區(qū)（BA 44L）的神經(jīng)活動。此外，在聽力損失患者聽覺誘發(fā)的腦網(wǎng)絡中也存在幾條從初級聽覺皮層（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，聽覺刺激信號增強了布洛卡區(qū)的神經(jīng)活動，而視覺刺激信號減弱了布洛卡區(qū)的神經(jīng)活動。

圖5 視覺激發(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 聽覺激發(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

早期或深度聽力損失個體增強的視覺誘發(fā)的聽覺腦區(qū)活動總是與較差的語言理解能力相關，聽視覺重組對于人工耳蝸植入后的聽力恢復是不利的［12-14］。先前的研究發(fā)現(xiàn)，成年人工耳蝸種植者在唇讀過程中聽覺皮層區(qū)域增強的激活預示著患者較差的語言理解能力［18］。視覺語言對聽覺皮層的激活可能會限制其處理聽覺信號的能力［19］。然而，目前的研究并沒有發(fā)現(xiàn)長期輕中度聽力損失患者存在聽視覺重組。相反，發(fā)現(xiàn)聽力損失患者呈現(xiàn)了增強的視聽覺抑制，一個可能的原因是人腦存在一個聽視覺資源的共享機制［20-21］，長期的聽力損失引起了視覺對聽覺資源的大量占用，進一步導致了增強的視聽覺抑制。與正常聽力的受試者相比，輕中度聽力損失患者與語言處理相關的威尼克區(qū)和布洛卡區(qū)視覺誘發(fā)的激活減弱。特別是，視覺刺激通過最短的因果連接路徑抑制了聽力損失患者布洛卡區(qū)的神經(jīng)活動，相反，聽覺刺激通過抑制視覺皮層的活動，而在布洛卡區(qū)誘發(fā)了正的激活，并且通過最短因果連接路徑促進了布洛卡區(qū)的神經(jīng)活動。

總之，視覺刺激信號通過聽覺視覺抑制機制抑制長期聽力受損患者的語言處理能力，而聽覺語言促進長期聽力受損患者的聽力恢復。因此，本研究建議長期聽力受損患者在人工耳蝸植入術后應進行專門的口語訓練，這樣更有利于語言處理能力的恢復，而不是運用視覺語言來恢復語言處理能力。

需要特別說明的是，虛擬數(shù)字腦軟件包是一個還沒有經(jīng)過大量實踐檢驗的軟件，結(jié)果可能存在大量的假陽性。但利用虛擬刺激信號通過虛擬數(shù)字腦研究人腦功能和疾病，為人腦功能和疾病以及類腦人工智能的研究，開辟了一個新的研究思路。