近紅外光學(xué)腦成像技術(shù)應(yīng)用于人工耳蝸植入者中樞可塑性研究的進展

劉昊天 劉玉和

人工耳蝸植入(cochlear implant，CI)為目前有效解決重度、極重度感音神經(jīng)性聾的最主要手段，但是人工耳蝸植入術(shù)后個體康復(fù)效果也差異巨大[1]。其影響因素復(fù)雜，相關(guān)機制不清，目前的研究無法對其作出全面完美的解釋和預(yù)測[2～4]。大多數(shù)患者需要數(shù)月甚至數(shù)年的康復(fù)訓(xùn)練才能達到最大的感知性能[5]，提示聽覺皮層發(fā)育與可塑性可能是患者植入術(shù)后效果的關(guān)鍵因素。

功能神經(jīng)成像可以對聽覺皮層重塑變化進行追蹤性評估，但目前人工耳蝸術(shù)后中樞發(fā)育與可塑性研究手段有限。功能性近紅外光學(xué)腦成像(functional near-infrared spectroscopy,fNIRS)作為一種新興的技術(shù)，在人工聽覺植入群體中能提供非侵入性、可兼容人工耳蝸植入體、兼具時間與空間定位觀察特性的技術(shù)手段，可以在嬰幼兒及兒童中安全重復(fù)使用，可追蹤性繪制聽障兒童人工耳蝸植入術(shù)后中樞皮層發(fā)育與重塑的軌跡，從而為探討人工耳蝸植入術(shù)后效果差異的相關(guān)機制提供神經(jīng)生物學(xué)證據(jù)，結(jié)合其他評估手段形成多模態(tài)，有望為人工耳蝸植入患者的術(shù)后綜合評估提供一種新的觀察模式。本文對近紅外光學(xué)腦成像技術(shù)在人工耳蝸植入者中樞可塑性研究的應(yīng)用進展進行綜述，以提高臨床醫(yī)師對此的認(rèn)識。

1 聽覺皮質(zhì)可塑性

神經(jīng)可塑性可以分為自適應(yīng)可塑性和跨模態(tài)可塑性兩種。中樞皮層自適應(yīng)可塑性是中樞皮層適應(yīng)外界對應(yīng)的感覺刺激而不斷發(fā)育的過程，是皮層對外界刺激的正常發(fā)育成熟反應(yīng)，如嬰幼兒聽覺皮層受到聲音刺激，促進聽覺皮層的發(fā)育。當(dāng)某一感覺刺激被剝奪后，其它感覺刺激會侵占被剝奪感覺刺激的相應(yīng)中樞皮層，表現(xiàn)出跨模態(tài)可塑性。如聽覺剝奪后，視覺刺激侵占聽覺皮層，出現(xiàn)跨模式重組?？缒B(tài)重塑可能對人工耳蝸植入后聽覺皮層的適應(yīng)性重塑不利。聽障患者人工耳蝸植入后，聽覺皮層和其他腦區(qū)需要進行重塑，以適應(yīng)人工耳蝸植入后所提供的聽覺刺激。Petersen等[5]曾用正電子發(fā)射斷層掃描(PET) 縱向研究觀察人工耳蝸植入對聽覺系統(tǒng)隨時間的適應(yīng)性重塑，發(fā)現(xiàn)語后聾患者在植入后進行言語感知時，PET顯示布洛卡區(qū)被激活，同時伴隨著語言感知能力增強。Rouger等[6]發(fā)現(xiàn)人工耳蝸植入患者語音閱讀時布洛卡區(qū)的激活隨植入時間的延長而增強。

在聽覺皮層具有自適應(yīng)可塑性發(fā)育的前提下，足夠的聽覺刺激到達聽覺皮層使聽功能不斷發(fā)展是聽障患者聽覺康復(fù)的最重要理論基礎(chǔ)之一。因此追蹤聽障患者人工耳蝸植入后聽覺皮層的發(fā)育與重塑過程尤為重要。由于嬰幼兒聽覺皮層自適應(yīng)可塑性和人工耳蝸植入的特殊性，有必要探尋一種具有安全性、可兼容性以及皮層時間與空間分辨能力較好的神經(jīng)成像技術(shù)手段以研究中樞皮層的可塑性。

2 近紅外光學(xué)腦成像

神經(jīng)成像(neuroimaging)泛指能夠直接或間接對神經(jīng)系統(tǒng)(主要是腦)的功能、結(jié)構(gòu)、生物特性等進行成像并解讀的一大類影像技術(shù)。按照成像觀察的目的不同，神經(jīng)成像大致可分為結(jié)構(gòu)成像和功能成像。

功能性近紅外光學(xué)腦成像(fNIRS)本質(zhì)上是一種光學(xué)-代謝神經(jīng)成像技術(shù)：它使用近紅外光譜(near infrared,NIR)檢測相應(yīng)腦區(qū)血流量的變化，fNIRS的目的是量化近紅外光穿過的組織兩種血紅蛋白發(fā)色團的濃度[7,8],可以使用朗博-比爾定律(Lambert-Beer law)來推算其大致數(shù)值,作為神經(jīng)激活及后續(xù)神經(jīng)電活動的間接解讀標(biāo)準(zhǔn)。人體組織優(yōu)先吸收可見光譜中的光，而對近紅外光(NIR)波長(650～1 000 nm)中的光線相對透明,因此，近紅外光可穿透表面生物層，從而能夠采集較深的組織結(jié)構(gòu)的血流變化信息，這意味著fNIRS可以有效地探測成人大腦。近紅外設(shè)備自顱骨表面開始計算，根據(jù)記錄的原理不同分類，目前主要有三種類別的近紅外光學(xué)腦成像儀器技術(shù)可供選擇，分別是連續(xù)波(continuous wave，CW)、時間域(time domain,TD)和頻域(frequency domain,FD)光成像設(shè)備，其近紅外光照射方式有所不同，探測延伸長度可達1.5～2 cm，而采用新型激光光源的設(shè)備探測延伸長度可達2～3 cm，滿足皮層及淺中樞層面的科研精度所需(strangman等，2006)。

早在1977年，美國哥倫比亞大學(xué)Jobsis等通過使用自制的近紅外設(shè)備照射經(jīng)過麻醉后的貓大腦，觀察到了近紅外光線可以記錄大腦相關(guān)區(qū)域的皮層血流變化的現(xiàn)象。1993年日本的田村仁等[9]將近紅外光學(xué)成像技術(shù)運用于正常人的腦血流變化觀察。隨后近紅外技術(shù)迅速發(fā)展，特別是在精神分裂癥、抑郁癥、焦慮癥及癲癇患者的檢查中占據(jù)重要地位[10]，SCI檢索所收錄的相關(guān)文獻數(shù)量每3.5年就會增加一倍，成為新的神經(jīng)功能成像研究熱點。作為一種非侵入性腦成像方式，fNIRS已被證實是研究聽覺植入人群的可靠技術(shù)手段。Crosson等[11]綜述了fNIRS作為一種功能神經(jīng)成像技術(shù)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病康復(fù)中的應(yīng)用。最近的研究已逐步涉及人工耳蝸植入者的術(shù)后康復(fù)效果評估，如2015年Dewey等[12]利用fNIRS研究聽覺剝奪后聽覺皮層的跨模態(tài)可塑性，2017年Chen等[13]利用fNIRS與腦電記錄結(jié)合研究人工耳蝸植入后視覺適應(yīng)性，2019年Bortfeld等[14]采用fNIRS技術(shù)在人工耳蝸植入兒童和成人中評估語言識別和加工過程等。

3 近紅外光學(xué)腦成像技術(shù)在聽覺植入領(lǐng)域的應(yīng)用及優(yōu)缺點

隨著人工耳蝸植入及相關(guān)中樞發(fā)育與重塑研究的開展，近年來各種神經(jīng)功能成像技術(shù)逐步在聽覺中樞研究領(lǐng)域展開應(yīng)用。1996年Cox等首先使用腦電圖技術(shù)對人工耳蝸植入者進行評估，并提出了一些關(guān)于功能神經(jīng)成像聽覺評估的基本原則：①評估手段應(yīng)當(dāng)簡便易行，以非侵入性檢查為最佳；②評估手段應(yīng)與聽覺刺激材料有良好兼容性；③評估手段應(yīng)能較準(zhǔn)確地反映聽覺能力的變化發(fā)展，有效性可以被其他手段所確認(rèn)。

從技術(shù)方法的探究角度，2010年美國波士頓兒童醫(yī)院的Sevy等[15]報道使用一個自制的較為簡易的四通道檢測設(shè)備對5例植入人工耳蝸后的患兒及5例聽覺正常兒童進行了檢查，世界范圍內(nèi)首次證實了不同組別間檢查結(jié)果的差異性以及近紅外腦成像技術(shù)用于人工耳蝸植入兒童檢查的安全性及可行性。2014年P(guān)ollonini等[16]使用復(fù)雜的定制140通道設(shè)備對9例人工耳蝸植入患者進行了測試，獲得了更為精確的試驗數(shù)據(jù)，第一次繪制出腦激活地形圖，并進一步驗證了該技術(shù)在目標(biāo)人群中使用的有效性，確定了fNIRS是一種可以安全重復(fù)使用的非侵入性神經(jīng)影像學(xué)方法；他們進一步研究發(fā)現(xiàn)，語后聾CI者fNIRS皮層激活數(shù)據(jù)與術(shù)后語言感知能力相關(guān)[17]。Anderson等[18]運用近紅外技術(shù)研究人工耳蝸植入兒童在聽覺康復(fù)過程中的跨模態(tài)重組，首次將視覺捕捉信息與近紅外結(jié)果相結(jié)合，指出多種感官采集數(shù)據(jù)聯(lián)合分析可以有效提高康復(fù)效果觀察的準(zhǔn)確性。他的另一項研究同樣提出了術(shù)前進行fNIRS腦成像檢查，通過觀察特定腦區(qū)的激活情況，有助于預(yù)測CI后的效果[19]。Stropahl等[20]使用近紅外技術(shù)研究人工耳蝸植入兒童時首次加入了較為完整的言語測聽實驗并進行了為期一周的追蹤，指出人工耳蝸植入兒童的聽覺能力在開機后一周內(nèi)即有指數(shù)級的上升趨勢，該時間段是觀察的重要時間窗口；該研究第一次較好地結(jié)合了傳統(tǒng)聽力學(xué)檢查手段，具有重要意義。Olds等[17]運用該技術(shù)以人工耳蝸植入患者為目標(biāo)群體進行研究，首次將語前聾患者與語后聾患者相區(qū)別，結(jié)合fMRI檢查結(jié)果，指出，外側(cè)顳葉和顳上回為腦皮層聽覺處理的解剖基礎(chǔ)，但其他腦區(qū)也參與聲音與言語信號的加工識別。Armony等[21]運用fNIRS技術(shù)揭示了右側(cè)顳葉前部STG音樂感受區(qū)域的存在，這一區(qū)域?qū)σ魳仿暤姆磻?yīng)強于普通聲音，主要參與高階音樂分析，如提取旋律、分離不同樂器聲等特異信息，為該區(qū)域存在“音樂偏愛性”神經(jīng)元提供了強有力的支持。Chen等[22]利用fNIRS探討了耳聾患者CI后的神經(jīng)可塑性，發(fā)現(xiàn)人工耳蝸植入并不能完全逆轉(zhuǎn)聽力損失對中樞皮層的影響，聽力損失恢復(fù)后，視覺皮層也有神經(jīng)重組來支持語言識別。2017年Chen等[13]的另一項研究結(jié)合了腦電圖和fNIRS兩種記錄方式，以實現(xiàn)對人類大腦功能的信息補充。Lassaletta等(2008)報道聽神經(jīng)病變導(dǎo)致的相關(guān)區(qū)域的皮層不激活或者損傷可干擾音調(diào)辨別而不影響節(jié)奏表現(xiàn)，可能是人工耳蝸植入者普遍反映音樂欣賞較為困難、聲音細(xì)節(jié)丟失較多的原因，從另一個角度解釋了不同人工耳蝸植入者之間由于存在基礎(chǔ)疾病導(dǎo)致的手術(shù)效果差異。2018年Basura等[23]運用該技術(shù)首次以人工耳蝸植入患者為對照組研究耳鳴在皮層層面的發(fā)生機制，結(jié)果表明腦功能區(qū)的功能剝奪侵占和機制紊亂也可能是引起耳鳴的原因之一。綜上所述，大量運用fNIRS進行的方法學(xué)研究和科學(xué)問題的探討都表明fNIRS是一種在聽覺植入領(lǐng)域中實用、安全、可靠的技術(shù)手段，可以合理運用該技術(shù)展開科學(xué)研究及臨床試驗。

與其他技術(shù)相比，fNIRS在聽覺植入研究領(lǐng)域具有幾個明顯的優(yōu)勢：①該技術(shù)的無創(chuàng)光學(xué)性質(zhì)與人工耳蝸植入體完美兼容;②fNIRS不會使受試患者受到輻射,因此，檢查的次數(shù)理論上不受限制，可以通過縱向研究進行追蹤評估;③fNIRS適合嬰幼兒,檢查時不需要完全鎮(zhèn)靜或限制活動，過程安靜；④fNIRS設(shè)備使用新開發(fā)的輕質(zhì)玻璃纖維光纖帽，重量輕，佩戴舒適，可根據(jù)各種頭位及顱型進行調(diào)節(jié)[24];⑤常用的fNIRS設(shè)備便攜性高，并允許在各種環(huán)境中進行檢查;⑥fNIRS設(shè)備成本低廉。

但fNIRS技術(shù)存在以下缺點：①目前的技術(shù)條件下fNIRS只能探測皮層及皮層下約1.5～3 cm的深度，不具備觀察全腦的能力;②記錄結(jié)果的時滯現(xiàn)象,由于人體代謝本身的變化過程需要一定時間，所以記錄的代謝信號實際上根據(jù)設(shè)備不同為2～6 s之前產(chǎn)生的，這點需要注意；③fNIRS技術(shù)需要將腦源信號與腦外組織信號分開，否則無法獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。例如，頭部皮膚、肌肉內(nèi)的血量變化及呼吸、心跳的雜音在fNIRS記錄中會產(chǎn)生噪聲；④如同其它神經(jīng)成像方式一樣，fNIRS不可避免地存在運動偽跡，且通常年幼的孩子運動偽跡更明顯；⑤fNIRS檢查缺乏國際通用的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)分析方法，結(jié)果解讀較為困難[25]。盡管存在上述局限性，但fNIRS仍是一種用于聽力學(xué)研究尤其是嬰幼兒人工耳蝸植入者很有吸引力的神經(jīng)成像方式。

總之，與其他功能神經(jīng)成像手段相比，fNIRS具有較高的時間分辨率和較好的空間分辨率，同時操作簡便安全，成本低廉，在人工耳蝸植入術(shù)后評估領(lǐng)域是一種有效合理的新興檢測手段，可在聽力障礙人群植入人工耳蝸前后的追蹤評估中常規(guī)使用；若輔以其他神經(jīng)成像手段可以建立一套新的評估模式，可以與主觀聽覺言語檢查、電生理檢查結(jié)果相映證，具有很好的應(yīng)用前景。

4 總結(jié)與展望

人工耳蝸是目前是唯一成功的腦機接口，這種成功的內(nèi)在機制有賴于聽覺恢復(fù)后聽覺皮層自適應(yīng)可塑性和跨模態(tài)可塑性能力，然而相關(guān)認(rèn)知卻十分有限。對于人工耳蝸植入患者而言神經(jīng)功能成像的各項評估方法是手段不是目的，研究人工耳蝸植入后中樞皮層的發(fā)育與重塑過程有助于術(shù)后康復(fù)指導(dǎo)。fNIRS作為非侵入性神經(jīng)功能成像技術(shù)，是備受矚目的解決方案之一。其廣泛應(yīng)用將加深人們對聽力損失后皮質(zhì)重塑的理解，通過評估聽覺剝奪大腦重塑能力，進而為人工耳蝸植入前效果預(yù)測及植入術(shù)后編程方案制定與康復(fù)策略選擇提供幫助。隨著國家精準(zhǔn)醫(yī)療戰(zhàn)略及腦科學(xué)計劃的提出和逐步實施，利用中樞皮層監(jiān)測可塑性以便針對個體差異指導(dǎo)調(diào)機和調(diào)整康復(fù)方案，以實現(xiàn)人工耳蝸植入者個性化服務(wù)，達到全社會綜合效益的最大化。