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(gè)體康復(fù)效果也差異巨大[1]。其影響因素復(fù)雜，相關(guān)機(jī)制不清，目前的研究無法對(duì)其作出全面完美的解釋和預(yù)測(cè)[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(dá)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(duì)聽覺皮層重塑變化進(jìn)行追蹤性評(píng)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(shí)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(jī)制提供神經(jīng)生物學(xué)證據(jù)，結(jié)合其他評(píng)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(píng)估提供一種新的觀察模式。本文對(duì)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(jìn)展進(jìn)行綜述，以提高臨床醫(yī)師對(duì)此的認(rèn)識(shí)。

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(duì)應(yīng)的感覺刺激而不斷發(fā)育的過程，是皮層對(duì)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(jìn)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(huì)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(duì)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(jìn)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(duì)聽覺系統(tǒng)隨時(shí)間的適應(yīng)性重塑，發(fā)現(xiàn)語后聾患者在植入后進(jìn)行言語感知時(shí)，PET顯示布洛卡區(qū)被激活，同時(shí)伴隨著語言感知能力增強(qiáng)。Rouger等[6]發(fā)現(xiàn)人工耳蝸植入患者語音閱讀時(shí)布洛卡區(qū)的激活隨植入時(shí)間的延長(zhǎng)而增強(qiáng)。

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(dá)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(shí)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(duì)神經(jīng)系統(tǒng)(主要是腦)的功能、結(jié)構(gòu)、生物特性等進(jìn)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(cè)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(tuán)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(dòng)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(duì)近紅外光(NIR)波長(zhǎng)(650～1 000 nm)中的光線相對(duì)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(cè)成人大腦。近紅外設(shè)備自顱骨表面開始計(jì)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(shí)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(cè)延伸長(zhǎng)度可達(dá)1.5～2 cm，而采用新型激光光源的設(shè)備探測(cè)延伸長(zhǎng)度可達(dá)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(guó)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(yùn)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(xiàn)數(shù)量每3.5年就會(huì)增加一倍，成為新的神經(jīng)功能成像研究熱點(diǎn)。作為一種非侵入性腦成像方式，fNIRS已被證實(shí)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(píng)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(píng)估語言識(shí)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(diǎn)

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(duì)人工耳蝸植入者進(jìn)行評(píng)估，并提出了一些關(guān)于功能神經(jīng)成像聽覺評(píng)估的基本原則：①評(píng)估手段應(yīng)當(dāng)簡(jiǎn)便易行，以非侵入性檢查為最佳；②評(píng)估手段應(yīng)與聽覺刺激材料有良好兼容性；③評(píng)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(guó)波士頓兒童醫(yī)院的Sevy等[15]報(bào)道使用一個(gè)自制的較為簡(jiǎn)易的四通道檢測(cè)設(shè)備對(duì)5例植入人工耳蝸后的患兒及5例聽覺正常兒童進(jìn)行了檢查，世界范圍內(nèi)首次證實(shí)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(duì)9例人工耳蝸植入患者進(jìn)行了測(cè)試，獲得了更為精確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，第一次繪制出腦激活地形圖，并進(jìn)一步驗(yàn)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(jìn)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(yùn)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(xiàng)研究同樣提出了術(shù)前進(jìn)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(cè)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(shí)首次加入了較為完整的言語測(cè)聽實(shí)驗(yàn)并進(jìn)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(jī)后一周內(nèi)即有指數(shù)級(jí)的上升趨勢(shì)，該時(shí)間段是觀察的重要時(shí)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(yùn)用該技術(shù)以人工耳蝸植入患者為目標(biāo)群體進(jìn)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(hào)的加工識(shí)別。Armony等[21]運(yùn)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(qiáng)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(qiáng)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(duì)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(shí)別。2017年Chen等[13]的另一項(xiàng)研究結(jié)合了腦電圖和fNIRS兩種記錄方式，以實(shí)現(xiàn)對(duì)人類大腦功能的信息補(bǔ)充。Lassaletta等(2008)報(bào)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(gè)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(yùn)用該技術(shù)首次以人工耳蝸植入患者為對(duì)照組研究耳鳴在皮層層面的發(fā)生機(jī)制，結(jié)果表明腦功能區(qū)的功能剝奪侵占和機(jī)制紊亂也可能是引起耳鳴的原因之一。綜上所述，大量運(yùn)用fNIRS進(jìn)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(shí)用、安全、可靠的技術(shù)手段，可以合理運(yùn)用該技術(shù)展開科學(xué)研究及臨床試驗(yàn)。

與其他技術(shù)相比，fNIRS在聽覺植入研究領(lǐng)域具有幾個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)：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(huì)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(jìn)行追蹤評(píng)估;③fNIRS適合嬰幼兒,檢查時(shí)不需要完全鎮(zhèn)靜或限制活動(dòng)，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(jìn)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(jìn)行檢查;⑥fNIRS設(shè)備成本低廉。

但fNIRS技術(shù)存在以下缺點(diǎn)：①目前的技術(shù)條件下fNIRS只能探測(cè)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(shí)滯現(xiàn)象,由于人體代謝本身的變化過程需要一定時(shí)間，所以記錄的代謝信號(hào)實(shí)際上根據(jù)設(shè)備不同為2～6 s之前產(chǎn)生的，這點(diǎn)需要注意；③fNIRS技術(shù)需要將腦源信號(hào)與腦外組織信號(hào)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(huì)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(yùn)動(dòng)偽跡，且通常年幼的孩子運(yùn)動(dòng)偽跡更明顯；⑤fNIRS檢查缺乏國(guó)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(shí)間分辨率和較好的空間分辨率，同時(shí)操作簡(jiǎn)便安全，成本低廉，在人工耳蝸植入術(shù)后評(píng)估領(lǐng)域是一種有效合理的新興檢測(cè)手段，可在聽力障礙人群植入人工耳蝸前后的追蹤評(píng)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(píng)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(jī)接口，這種成功的內(nèi)在機(jī)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(duì)于人工耳蝸植入患者而言神經(jīng)功能成像的各項(xiàng)評(píng)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(duì)聽力損失后皮質(zhì)重塑的理解，通過評(píng)估聽覺剝奪大腦重塑能力，進(jìn)而為人工耳蝸植入前效果預(yù)測(cè)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(guó)家精準(zhǔn)醫(yī)療戰(zhàn)略及腦科學(xué)計(jì)劃的提出和逐步實(shí)施，利用中樞皮層監(jiān)測(cè)可塑性以便針對(duì)個(gè)體差異指導(dǎo)調(diào)機(jī)和調(diào)整康復(fù)方案，以實(shí)現(xiàn)人工耳蝸植入者個(gè)性化服務(wù)，達(dá)到全社會(huì)綜合效益的最大化。