听觉皮层慢反应临床应用指标的探讨△

赵泽祺 雷冠雄 李雅兰 张铎 申卫东 杨仕明 乔月华,4

1 徐州医科大学(徐州 221000)； 2 湘南学院； 3 解放军总医院耳鼻咽喉头颈外科； 4 徐州医科大学附属医院

听觉皮层慢反应(auditory late responses，ALRs)是潜伏期在50～400 ms的听觉诱发反应，属于长潜伏期成分，受刺激声物理性质和受试者心理状态的双重影响[1]，反映听觉处理的全过程。研究表明ALRs是基本脑过程(如：记忆和习惯)的潜在电生理指标[2，3]，是听觉认知的神经生物学机制，广泛应用于听觉处理疾病[4]，甚至抑郁[5]等疾病的研究，另外一个潜在应用是ALRs或可作为中枢可塑性的电生理描述指标[6]。因此，听觉皮层慢反应对建立耳鸣客观评估方法以及听觉中枢处理障碍疾病，如：听神经病、老年性聋等有重大意义。然而现有关于ALRs与认知之间的关系仍然不清楚，因此，关于ALRs的研究亟待进一步深入[7]。

听觉皮层慢反应主要包括P1、N1、P2、N2、P3等成分(图1)，P1波不能稳定出现，N2波具有变异性，P3波变异性更大，最稳定的成分是N1波和P2波；而N1波又是最具代表性和通道特异性的早期成分[8]，刺激后100 ms左右出现，可在全脑区记录到，往往在额中央区幅度最大。N1波有N1a、N1b、N1c、N1d等多个成分，每种成分的潜伏期、最佳纪录位置不同[9]；N1a是听觉皮层慢反应的固有成分，潜伏期100 ms；N1b在中线电极记录，潜伏期100 ms；N1c潜伏期约150 ms，在颞叶电极记录；N1d潜伏期为100 ms及以后，是持续超过信号的负波成分；N1波的头皮分布是按照听皮层的音位图分布，依赖于诱发刺激声的频率[10]。N1波源定位于初级听皮层[11]，故在听觉认知、言语处理过程、初级听皮层发育及可塑性研究中，往往作为优先选择的电生理指标；N1波受刺激声的物理性质和心理状态的双重影响[1]，这为认知科学研究提供研究路径的同时，也为稳定记录N1波造成了困难。受试者心理因素的影响导致记录到的N1波成分在各个受试者及不同测试次之间存在明显的变异。因此，本研究拟探讨稳定可靠的记录N1波成分的方法，选择合适的研究指标，减少受试者心理状态的影响，在保证数据准确记录的前提下，获得简单易行的分析N1波方法，为临床应用提供参考。

图1 听觉诱发电位示意图

1 资料与方法

1.1研究对象 10名受试者参与本研究，均为青年女性，右利手，听力正常，年龄21～30岁，平均24.5±3.5岁，均为解放军总医院的工作人员和学生。受试者无耳科或神经系统疾病史，均进行电耳镜、纯音听阈检查及声导抗测试无异常。所有研究程序均经解放军总医院人体伦理委员会批准。

1.2ALR测试方法

1.2.1刺激声及测试设备 选用1 kHz的短纯音(上升期5 ms，平台期40 ms,下降期5 ms，总时长50 ms)为刺激声，50 dB SL的强度重复给声100次，刺激间隔1 800～2 600 ms之间随机化，总测试时长约5 min，刺激声及声刺激方案见图2。

图2 刺激声和声刺激方案 注:S为stimulus;ISI为inter-stimulus interval,刺激间隔1 800～2 600 ms之间随机化

声信号由E-prime®2.0软件(Psychology Software Tools, Inc.)通过一个多I/O卡适配器，再经两个独立的Yamaha®功率放大器(Yamaha Corporation)进行功率放大，然后分别输送至Sennheiser®HDA200 包耳式耳机(Sennheiser electronic GmbH & Co. KG)的左右耳；脑电信号由64通道的Ag/AgCl电极帽获得，以双侧乳突均值[(M1+M2)/2]为参考，前额接地；在每次测试前，确保每个电极电阻值均低于5 kΩ。脑电信号的采样速率为1 000 Hz，经过一个功率放大器NeuroScan®synamps2(Neurosoft，Inc.)放大，后经0.1～100 Hz带通滤波器(bandpass filter,BPF)滤波。采样和存储后，最终由Neuroscan®4.5脑电图系统(Neurosoft，Inc.)进行分析。

1.2.2测试步骤及分析指标 在屏蔽室中进行测试，要求每例对象保持良好的精神和身体状态，避免疲劳、饥饿、焦虑、疾病等，采集信号前，确保每个电极电阻值均低于5 kΩ。给声过程要求对象闭上眼睛、头部和身体制动、保持清醒及注意力集中；脑电信号经伪迹去除、基线校正、滤波及叠加平均后形成事件相关电位(event-related potential，ERP)的波形，进行组平均处理，根据组平均的ERP数据，绘制出各个电极整体的蝴蝶图及平均总场强，确定N1波成分及时间窗；选取在该时间窗内N1波电势最高的六个电极，分别通过峰值法和面积法测得N1波潜伏期(面积法测量潜伏期即计算时间窗内达到曲线下总面积50%的时间点，所对应的潜伏期作为N1波潜伏期)和振幅(面积法测量振幅即计算时间窗内曲线下面积除以时间窗跨度的数值，作为N1波振幅)；再选取N1波时间窗内电势最高的单个电极，同样用峰值法和面积法分别计算该处N1波的振幅和潜伏期；绘制N1波头皮电流密度的二维平面地形图，在MATLAB软件平台运行Brainstorm，用sLORETA(标准低密度层析成像)算法，对脑电数据进行溯源分析，确定N1波源定位。

2 结果

组平均后各个电极整体的蝴蝶图和平均总场强见图3，得到N1波及N1波的时间窗为74～121 ms，并确定该时间窗内电势最高的六个电极为F1、F2、Fz、Fc1、Fc2、Fcz，电势最高的单个电极为Fcz。

2.1不同测量电势以峰值法和面积法记录的N1波潜伏期、振幅配对t检验结果显示：以电势最高的六个电极作为测量电极时，峰值法和面积法得到的N1波潜伏期差异无统计学意义(t=-0.661，P>0.05)，得到的N1波振幅差异有统计学意义(t=-6.085，P<0.01)；以电势最高的单个电极作为测量电极时，峰值法和面积法得到的N1波潜伏期差异无统计学意义(t=-0.349，P>0.05)，得到的N1波振幅之间差异仍有统计学意义(t=-5.976，P<0.01)；以六个电极作为测量电极时，以面积法计算的振幅(J) / 峰值法计算的振幅(I)得到的振幅比值(J/I)(0.759±0.086)与以单个电极作为测量电极时的振幅比值(J/I)(0.764±0.094)间差异无统计学意义(t=-1.480，P>0.05)(表1)。

表1 不同测量电极以峰值法及面积法记录的N1波潜伏期(ms)和振幅(μV)±s)

图3 N1波蝴蝶图和平均全头场电势(MGFP)

2.2分别以六个电极和单个电极作为测量电极时峰值法和面积法测得的N1波潜伏期之间差异无统计学意义(峰值法：t=-1.267，P>0.05；面积法：t=0.625，P>0.05)，测得的N1波振幅值之间差异有统计学意义(峰值法：t=4.522，P<0.01；面积法：t=4.658，P<0.01)。

2.3N1波源定位 N1波头皮电流密度的二维平面地形图见图4，N1波溯源结果见图5，显示N1波源定位于双侧颞叶及颞-顶、颞-额交界处。

图4 N1波头皮电流密度的二维平面地形图

图5 N1波源定位 注:红星标注处为溯源定位结果。

3 讨论

3.1听觉皮层慢反应N1波的潜伏期比振幅更稳定，更适合作为N1波的研究指标 从文中结果看不论以六个电极或者单个电极作为测量电极，峰值法或者面积法记录得到的听皮层慢反应N1波潜伏期之间均无显著差异，而得到的振幅值之间则差异显著，故N1波的潜伏期比振幅更稳定，不易被受试者心理因素影响，更适合作为研究指标，故推荐用更简单的峰值法来分析N1波的潜伏期。分析听皮层慢反应N1波振幅时，如果不是对成分重叠敏感，一般认为面积法比峰值法更优[7]；因为对一个受试者的平均波形进行平均振幅测量，与对单次EEG测试数据进行平均振幅测量后再求平均的结果是一样的，理论上前者更接近波形成分的真实振幅；但峰值法与面积法测得的振幅结果间似乎存在一个比值常数，故可考虑用更简便的峰值法测得振幅值后乘以比值常数(本实验中常数大约为0.762)，以得出更准确的振幅值；但是否适用于所有情况，有待大规模数据验证。

3.2N1波的记录可简化为Fcz单电极记录 本研究结果显示用六个电极作为测量电极与单个电极作为测量电极时测得的听皮层慢反应N1波潜伏期差异无统计学意义(P>0.05)，因此，临床应用中如果电极数目受到限制，则可简化为Fcz单电极记录听皮层慢反应N1波，以双侧乳突做参考(考虑左右侧偏向性影响)，甚至单侧乳突做参考(不考虑左右偏向性影响)，从而简化实验过程。

3.3如何稳定记录到N1波 影响ALRs任何变量的相对小的改变都可能导致N1波形成分在某次测试甚至下一次测试时出现或消失，甚至在单次测试数据收集期间也会发生变化。ALRs测试时记录到的N1的波形、潜伏期、振幅在各个受试者及受试者在不同测试次之间均可存在明显的变异；不同的声音强度、频率、给声方式(双耳或单耳)，不同年龄、性别、左右利手以及不同的生理、心理、觉醒状态下，得到的N1波振幅和潜伏期都有明显的差别，有时甚至会对N1波的判断造成困惑[12]；例如，头皮后部的P1波和头皮前部的N1波潜伏期有时会很接近，但是并不是一个成分的极性反转，或者说，二者可能反映了不同的心理生理机制。本研究发现，可以从变量控制和数据处理两方面着手获得良好的N1波形；首先，本研究中在变量控制上，第一，构建了一套稳定的系统，能够准确、稳定的给声，信噪比高，确保每例受试者的测试条件相同；第二，严格选择受试对象，本研究选择了同一年龄层次的女性，且听力正常，无听力及系统性疾病，避免饮酒及精神类药物的可能干扰；选择感觉级(sensation level，SL)作为给声强度，消除了受试者听力对测试结果的影响；第三，在ALRs测试过程中严格控制受试者状态以避免干扰，要求其提前准备好状态良好的空闲时间前来参与，以一种愉快的心情配合测试。

其次，数据处理。听觉诱发电位或事件相关电位较为显著的特点就是同一受试者不同时间诱发的波形不稳定，以及受试之间有很大变异性。为消除这些不稳定因素，将相关脑电信号从背景噪声中提取出来，可以从三个方面进行数据处理：第一，通过受试者不同测试次间叠加平均，提高信噪比，同时也可减少时间上的不稳定性；第二，同样的测试条件下，同组受试者之间进行组平均，以消除个体间变异；第三，通过数据处理，包括：统计学分析、主成分分析、独立成分分析等方法[13]，减少空间分布差异、各种成分干扰等造成的数据不稳定。需要说明的是，由于各个受试者的神经反应模式及测试时的神经状态不尽相同，变异是必然存在的，也是正常的，故组平均并不是人数越多越好，有时对每例受试者的数据进行独立分析也是必要的，特别是对于长潜伏期的反应更是如此。

因此，ALRs应用于临床时需要严格的变量控制和数据管理，检测前应与患者充分沟通，取得其理解配合，保持清醒状态，给声时尽量控制不动，以减少伪迹，给声间期可以轻微活动。保持屏蔽室良好的隔音状态以及通风、温度、湿度等，这些措施对保障良好的检测结果非常重要[7]；每位患者的数据应进行独立分析后再与正常值比较。

3.4N1波溯源分析及参考电极和记录电极位置的选择 本研究用Brainstorm软件进行N1波溯源分析，发现N1波源定位于双侧颞叶及颞-顶、颞-额交界处，与文献报道相同[14,15]。参考不同研究得到的N1波数据[16]，可以发现：①头顶参考、颞枕记录的N1波和乳突参考、头顶记录的N1波都反映了听觉加工的过程，性质相同并发生在同一皮层，不同处在于头顶记录的N1波主要包含N1a成分，潜伏期更靠前(100～150 ms)；颞枕记录的N1波则同时还包含了更多的N1c成分，潜伏期更滞后(150 ms左右)，波的持续时间更长；②有时头顶参考、颞枕记录的P1波(潜伏期50 ms左右)和乳突参考、头顶记录的N1波(潜伏期100 ms左右)会有一定重叠，但并不是同一成分的极性反转；造成这种差异的原因，一方面可能是各台脑电记录系统的延迟时间不同，另一方面可能是受试者的选择及数据处理方法的差异。传统上习惯选用乳突(或耳垂)做参考点。

本研究有一定的局限性，原因在于听觉皮层慢反应N1波非常难以记录，N1波受刺激声的物理特征和受试者心理状态的双重影响；受试者的身体状况、精神状态等对数据影响非常大，测试过程中打瞌睡、注意力不集中或情绪改变等因素都可导致诱发不出N1波或N1波变异很大，以致当次数据作废，需要重新测试。本研究受试者只有10例女性，对受试者状态要求严格，因而数据偏差小，但样本量偏小。近年来，计算机技术的飞速发展大大推动了脑电技术的进步，加速了听觉诱发电位的研究。听觉皮层慢反应N1波成分对建立耳鸣客观评估方法以及听觉中枢处理障碍疾病，如：听神经病、老年性聋等有重大意义，本研究为建立稳定的听觉皮层慢反应临床应用指标奠定了一定的基础，有望提供ALRs临床应用的客观生理学诊断指标。