PNAS近红外研究：跨感觉通道可塑性促进人工耳蜗的移植效果
作者&投稿：贠满 （若有异议请与网页底部的电邮联系）
英国国立卫生研究所诺丁汉生物医学研究中心的Carly A. Anderson 等人在《美国国家科学院院刊》 (PNAS)上发表了一项研究，发现跨感觉通道可塑性促进人工耳蜗的移植效果，这一研究结果与之前的研究结论大不相同。之前的研究认为，视觉语言对于听力重建是有害的，它能够引起听觉功能区的紊乱。Carly等人采用功能近红外技术 (functional near-infrared spectroscopy, fNIRS)研究了一组听障患者在人工耳蜗植入的术前术后听觉区对视觉语言刺激的反应，发现如果视觉语言刺激 (如唇语)能够激起人工耳蜗植入患者听觉区更大的激活，那么该患者在植入后的听力测试中的成绩就更好，且听觉区在接受纯听觉刺激时激活也更大。该结果证实，跨感觉通道可塑性不仅没有损害反而促进了人工耳蜗的移植效果。
引言
人工耳蜗通过对听觉神经进行电流刺激从而提升听障患者的听力。听障患者大脑的听觉区域常常还会负责视觉信息的加工，以往的研究者认为这种的跨通道代偿会损害人工耳蜗的效果，然而近期的研究却认为情况并不那么简单。研究发现，不伴随听觉信息的视觉语言 (visual language, 如阅读唇语等)输入，反而能够提升人工耳蜗的效果。但是听觉区域的跨通道激活是如何影响人工耳蜗效果的呢？对此学界尚无定论。
正电子断层扫描技术 (PET)的研究发现，人工耳蜗植入患者在阅读唇语时，听觉区激活越大，那么他们对听到的内容的理解就越差。据此，医生们也建议人工耳蜗植入患者减少使用视觉语言，让听觉区专门负责听觉信息处理，从而提高人工耳蜗的效果。然而，人工耳蜗植入前后，大脑的激活状态到底有什么变化，以及这种变化与人工耳蜗的效果之间到底有什么关系，这个问题始终没有被充分研究。
之前已经有学者采用fMRI来研究人工耳蜗植入的术前脑部激活状态与预后之间的关系，但是fMRI无法被用来研究术前术后的脑部激活的比较。由于fMRI的强磁场环境，一般来说植入人工耳蜗的患者是禁止进入的。
因此，在这项研究中，研究者采用了fNIRS这项技术来研究上述问题。由于成像原理不同，fNIRS完全能够与人工耳蜗一起使用，即使进行多次重复实验也不会对患者造成任何伤害。这样，研究者就能够直接的测量人工耳蜗植入患者术前术后的大脑激活状态了。
研究者有如下两个假设：
1. 视觉语言刺激对听觉区的激活越小，那么患者佩戴人工耳蜗理解听觉信息的能力就越强
2. 视觉语言刺激对听觉区的激活越小，那么人工耳蜗植入患者接受听觉刺激时，听觉区激活量越大
方法
被试
实验组为17个准备接受人工耳蜗移植手术的成人听障患者。他们的病程病情均不相同，其中一个被试测试信号不好，另一个被试中途退出实验，这二人均未纳入之后的数据分析之中。控制组为年龄匹配的健康被试17人，其中一人中途退出。实验组与控制组都参加了前后测。
流程
该研究为被试内设计，被试术前进行一次测试(T0)，人工耳蜗植入成功后约6个月继续测试一次 (T1)。
该实验采用的fNIRS设备为ETG4000，所有的刺激都是通过MATLAB程序呈现的。这些刺激是一些视频材料 (Institute of Hearing ResearchNumber sentence)，内容为一个演员 (有男有女)说一段4-7个单词的话。被试需要注意去听他说了什么。一共有90段刺激材料，有三个条件。条件一为纯听力条件 (auditory-only, A-ONLY)，被试看着纯色屏幕上的一个注视点认真听视频包含的语音内容；条件而为纯视觉条件 (visual-only, V-ONLY)，被试观看静音了的视频，猜测演员说了什么；条件三为视听条件 (adiovisual condition)，被试观看正常的视听材料。条件三的分析在其他文章中进行，本文并未提及。
刺激呈现的方式为block设计，一个block有6段话共24秒，每个条件有5个block，一共有15个block，block之间有20-40秒的休息时间。为了保证被试认真观看 (听取)材料，研究者随机挑选15个block中的两个block之后进行一次测试，要求被试在两个词中进行迫选，指认哪一个词在block中出现过。
术后的行为测试主要采取另一套内容相仿的测试材料 (The City University of New York Sentence Lists)。实验随机选取了该材料25个清单中的两个，每个清单包含了12个句子，每个句子约101-103个单词。这些句子同样被随机且均匀地分配在与fNIRS任务一样的三个条件之中。被试每听完一句话，就要重复所听到的每一个词汇，主试记录被试正确回忆单词的数量作为该句子被试的得分。
光导布置与感兴趣区 (ROI)选取
光源和探头 (简称光导,optodes)的位置及其所形成的通道如图 1所示。
红点为光源位置，蓝点为探头位置，绿线为光源与探头所形成的通道。研究者主要对额上回 (superior temporal cortex, STC)感兴趣，根据如图 2所示的光子密度敏感性分布 (sensitivity profile)，研究者认为通道9、10、12、20、21、23所覆盖的区域恰恰是他们感兴趣的区域。他们将兴趣区划分为左侧STC、右侧STC与双侧STC。
数据分析思路
该研究只对氧合血红蛋白 (HbO)进行分析。NIRS数据的预处理就是常规的处理，所有的函数在Homer2当中都能找到。处理之后，用SPM 里的ordinaryleast squares general linear model (OLS GLM)对血氧变化进拟合，每个被试的每个通道在每个条件上得到一个beta值，其大小表示对应通道激活的程度。
行为数据指标主要是识别率，在听力识别率的计算中，通常都会对识别率进行反正弦变换 (rationalized arcsine transform)，由此得到rationalized arcsine units, 简称RAUs。该研究采用RAU作为该研究行为数据指标。
该研究采用线性混合模型来研究测试条件与前后测对脑区激活的影响，通过相关分析来研究这种激活模式与行为数据之间的关系。
结果与讨论
该研究首先检验了脑区的跨通道激活在术前术后有什么区别。
实验发现，被试术前术后的激活变化模式个体差异很大，9个被试激活降低了，6个升高了。在只有视觉刺激 (V-ONLY)的条件下，激活量变化与听力受损病程呈负相关关系 (见图 3)，病程越短的患者，其术后脑区激活增量越大。
由于患者病程的个体差异很大，平均之后在整体上术前术后的激活反而没显著差异 (见图 4)。总体而言，所有的检验都不显著，除了右侧STC在术前术后有被试内主效应，反映了前后测之间的差异，但是交互作用不显著，不能说明这种差异是人工耳蜗所造成的。
该研究还检验了脑区变化模式与人工耳蜗效果之间的关系。
研究发现，在V-ONLY条件下，左侧STC与右侧STC脑区激活量的升高都与患者人工耳蜗植入后听力测试成绩呈正相关关系 (图 5)。而在健康控制组，二者并没有的相关关系 (图 6)。
之前的研究有提到视觉语言刺激会使听觉区功能紊乱， 那么跨通道激活模式与该脑区本身的听觉功能激活模式的变化之间到底有什么关系呢？
研究者把V-ONLY条件与A-ONLY (纯听觉条件)下双侧STC的激活变化做了相关，发现他们之间有正相关关系 (图 7)。换言之，视觉语言刺激反而会促进听觉区功能。
总而言之，该研究 证伪了作者所提出的假设 ，发现了与之前研究相反的结果。他们发现了视听功能的协同作用，视觉语言刺激不仅没有损害听觉区的功能，反而促进了这一脑区的功能发展。这对于日后研究者进行听力训练以及语言理解能力训练有重要指导意义。
参考文献：Anderson C A, Wiggins I M, Kitterick P T, etal. Adaptive benefit of cross-modal plasticity following cochlear implantationin deaf adults[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2017:201704785.
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