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功能性近红外光谱成像技术在耳鸣脑功能研究中的应用与展望

2025-04-08 98 上传者：管理员

摘要：耳鸣常被看作是其他多种疾病的症状，而不是一种独立的疾病。它可能是由血管性疾病、听力损伤、中耳堵塞、头颈部外伤等引发，目前发生的机制尚不明确。近红外光学脑功能成像是近些年新兴的一种非侵入式的脑功能成像技术，它在一定程度上可以克服传统脑功能成像技术的局限性，目前已经广泛用于听觉相关疾病的脑功能研究。因此本文对功能性近红外光谱技术在耳鸣脑功能中的研究进行综述，以期为耳鸣的机制研究提供一定依据。

关键词：
听觉感知
成像技术
耳鸣
脑功能
近红外线光谱
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耳鸣是一种在没有外部声源的情况下发生的听觉感知[1]｡研究表明耳鸣患者大脑的听觉脑区如颞叶以及非听觉脑区包括后顶叶､额叶､体感和边缘区均参与了耳鸣的发生､发展,但是机制不明[2]｡因此,了解耳鸣患者的脑功能以及神经病理机制将为耳鸣的早诊断､早干预提供一定的客观依据｡

1、耳鸣脑功能成像研究的现状

脑功能神经成像技术可显示中枢神经系统内的神经活动[3]｡近年来,多种脑功能成像技术被用于耳鸣的研究,以期揭示耳鸣的发病机理,为其临床诊治奠定基础[3]｡目前常用的耳鸣脑功能成像技术包括功能磁共振成像(functionalmageneticresonanceimaging,fMRI)､正电子发射断层扫描(positronemissioncomputedtomography,PET)､脑电图(electroencephalogram,EEG)和脑磁图成像(magnetoencephalogramimaging,MEGI)等[4]｡当大脑活动增强会导致区域氧含量增加,fMRI能间接检测患者血氧水平依赖(bloodoxygenleveldependent,BOLD)反应的神经活动,通过同步BOLD信号的波动推断脑区功能连通性[5]｡耳鸣可能会改变大脑静息状态的活动,因为个体处于休息状态时,意识和痛苦仍然存在[6]｡尽管fMRI有较高的空间分辨力,但在耳鸣研究方面的缺点是扫描噪声会干扰听觉处理和静息状态的实现,并且时间分辨率较长[7]｡

PET通过测量区域脑血流量升高来绘制脑活动区域的空间图[5]｡PET具有沉默和与铁磁植入物(如人工耳蜗)兼容的优点,但其空间和时间分辨率不如fMRI[8]｡PET具有放射性,并且需要进行有侵入性的检查,如显影液的注入,这使得它在临床上的使用有一些局限｡

神经活动产生时变电流,放置在头皮表面的敏感阵列可测量神经活动产生的局部电压差(EEG)或磁场(MEGI)[9]｡这些信号的检测需要足够数量的活动神经元在空间和时间上进行协调[10]｡协调的神经元群活动的同步波动在一定频率范围内(如δ､θ､α､β或γ)产生振荡或节律,这些振荡并不是一种副现象,而是反映了神经元将信号聚集､整合到感知的机制[11]｡EEG或MEGI可以用来描述静息状态网络中改变的神经活动｡虽然EEG和MEGI具有很好的时间分辨率,但是其空间分辨率低下[12]｡

2、功能性近红外光谱脑功能成像技术

近红外光学脑功能成像(functionalnear-infraredspectroscopy,FNIRS)是近些年新兴的一种非侵入式的脑功能成像技术,它在一定程度上可以克服传统脑功能成像技术的局限性,目前已经广泛用于听觉相关疾病的脑功能研究[13]｡

2.1FNIRS的基本成像原理和技术特点

FNIRS在650~950nm的范围内对大脑等生物组织有很好的穿透能力,近红外光可以穿透头皮､头骨进入脑皮质组织,并到达皮下1�5cm的深度[14]｡当这些光线被人体内的血红素吸收后,有一小部分会回到皮肤表层,从而被探针纤维所侦测到｡采用改进的Beer-Lambert定理,可以检测大脑皮质内的血红蛋白含量的改变[15]｡血红蛋白根据饱和状态可分为氧合血红蛋白(oxyhemoglobin,HbO)和脱氧血红蛋白(deoxygenatedhemoglobin,HbR)[16]｡HbO和HbR对近红外光的吸收不同,当近红外光的波长>800nm时,HbO吸收系数较高;当近红外光的波长800nm时,HbR的吸收系数较高[17]｡当一个脑区功能活跃时,其对氧气和葡萄糖的代谢需求增加,并通过区域脑血流量(cerebralbloodflow,CBF)的增加来满足大脑的代谢需求[18]｡区域CBF的需求增加会导致HbO浓度增加和HbR浓度降低,这些可通过fNIRS测量的光衰减变化来估算,因此FNIRS可被用于大脑皮层血流动力学的研究[19]｡除了血流动力学的研究,FNIRS也被用于评估大脑各区域的静息态脑网络功能连通性(functionalconnectivityofbrainnetworks,FC)｡静息态脑网络功能连通性主要采用基于种子的相关性研究来评估种子区域与其他区域之间的功能连通性｡

2.2FNIRS检测大脑皮层血流动力学变化

目前已有多位学者用FNIRS观察耳鸣患者不同给声模式下以及不同治疗模式下的大脑皮层血液动力学改变｡Issa等[20]应用近红外光谱技术检测耳鸣患者听觉皮层(颞叶及周围的听皮层)和非听觉皮层的血流动力学变化｡该研究主要观察耳鸣患者宽带噪声给声期和歇期的HbO变化｡研究结果显示在给声间歇期,耳鸣患者听觉皮层和非听觉皮层的HbO较给声前增加｡该研究认为听觉皮层和非听觉皮层的HbO升高是耳鸣的神经学基础｡孙启阳等[21]研究白噪声､窄带噪声和notch声3种声音对耳鸣患者听觉皮层的影响｡该研究观察耳鸣患者双侧颞叶听觉皮层HbO变化｡该研究发现窄带噪声使耳鸣患者双侧颞叶大脑布德曼21区(BA21)HbO下降,白噪音使BA21区HbO升高,Notched声未引起BA21区HbO变化｡Schecklman等[22]研究发现组块声刺激和事件相关声刺激会导致耳鸣患者颞叶､额叶皮层HbO增加｡于向华等[23]应用近红外光谱(FNIRS)技术探讨针灸对耳鸣患者大脑皮层的影响｡该研究发现,针灸使耳鸣患者听觉皮层的HbO增加｡该研究还发现THI和TEQ评分的变化与听觉皮层HbO浓度的变化显著相关｡

以上研究表明,FNIRS可为耳鸣人群提供高时间采样的血流动力学信号,包括静息状态以及各种任务状态｡并且患者在佩戴助听设备(如助听器､人工耳蜗)的情况下仍可进行FNIRS测试｡由上可见FNIRS适用于耳鸣患者大脑皮层血流动力学变化的研究｡但是目前研究尚存在以下局限:(1)目前FNIRS检测耳鸣患者大脑皮层血流动力学变化的研究观察指标比较局限,主要集中在观察HbO的变化｡FNIRS有730nm､850nm两个波长,可以实时检测受试者大脑皮层HbO､HbR的浓度变化[24]｡HbO､HbR信号各存在优缺点,HbO的变化幅度高､信噪比高,但生理干扰较多;HbR不易受到系统性变化的影响,但是统计效力较低[25]｡因此,未来学者可使用FNIRS同时从HbO､HbR､总血红蛋白(totalhemoglobin,HbT)三个方面进行检测,比较不同信号在耳鸣患者大脑皮层研究中的敏感性和特异性｡(2)FNIRS检测耳鸣患者大脑皮层血流动力学变化研究的区域比较局限,主要集中在颞叶皮层｡来自fMRI的神经影像学研究证明了耳鸣涉及多个脑区,包括丘脑､颞叶､楔叶､枕叶､额叶皮层[2]｡因此未来研究者可多个脑区进行研究,进而更全面的揭示耳鸣患者的脑功能改变｡(3)FNIRS对耳鸣患者大脑皮层血流动力学变化的检测选择的刺激声比较局限｡目前学者使用的刺激声主要是组块声､宽带噪声､白噪声､缺口声､事件相关声刺激,而且研究结果不统一｡宽带噪声､组块声刺激引起耳鸣患者的听觉皮层以及非听觉皮层HbO升高,白噪音只引起耳鸣患者听觉皮层HbO升高,而缺口声对听觉皮层HbO无影响｡因此,不同的声刺激对大脑皮层HbO的影响还需要进一步研究｡

2.3FNIRS对耳鸣患者脑网络功能连通性(FC)的测试

除了血流动力学的研究,FNIRS也被用于评估大脑各区域的静息态脑网络功能连通性｡San等[25]用FNIRS观察耳鸣患者听觉和非听觉皮层脑网络功能连通性｡该研究发现耳鸣患者听觉皮层与额颞叶､额顶和颞叶的功能连通性增加｡Mehrnaz等[26]研究FNIRS特征与耳鸣严重程度的主观评分的相关性｡该研究记录耳鸣患者在静息状态和听觉或视觉刺激下颞叶､额叶､枕叶的功能连通性｡研究发现,耳鸣患者静息态下,颞区和额枕区的FC显著高于正常对照;且颞-枕FC与耳鸣响度评分正相关｡黄碧雪等[27]用缺口声治疗慢性耳鸣患者,并采用FNIRS比较了治疗前后颞上回布德曼46区(BA46)与其他皮质之间的FC变化｡该研究结果显示缺口声治疗前后,虽然耳鸣､焦虑或抑郁的问卷测量结果均无显著变化,但是缺口声降低了听觉皮层与大脑特定区域之间的FC｡胡汉同等[15]用FNIRS评估了耳鸣患者在针灸治疗前后的颞叶听觉皮层､腹内侧前额叶､背外侧前额叶静息态FC,结果显示针灸可以影响听觉皮层FC｡

由上可见,基于FNIRS的耳鸣患者脑功能连通性(FC)的研究,可了解耳鸣患者大脑区域内部以及区域之间的脑网络特征,并揭示耳鸣的病理生理机制｡但是目前的研究仍存在以下局限:(1)目前FNIRS对耳鸣患者FC的研究主要集中在听觉皮层､额颞叶､额顶叶､颞叶､枕颞叶､枕叶皮质区域内部以及区域之间[28]｡大脑皮层可以被划分为有限数量的静息态脑网络,而大量神经元之间的有效连通(FC)是构成复杂脑网络的基础[29]｡来自fMRI等的神经影像学研究表明,耳鸣患者会出现听觉网络､默认网络､边缘网络等中枢听觉和非听觉脑网络异常[30]｡而目前对耳鸣患者大脑皮层FC的研究主要按解剖区域进行,尚无学者用FNIRS研究耳鸣患者的默认网络､边缘网络､执行网络｡耳鸣患者脑网络是沟通和协调不同脑区及执行任务的前提,这些脑网络内部和网络之间保持着相对稳定的关系[31]｡因此未来学者可从脑网络的角度研究耳鸣患者的FC｡(2)因FNIRS仅能探测到表层的血氧代谢,因此在研究皮层下的脑组织内部功能连通性以及皮层与皮层下组织功能连通性方面受到限制｡为了弥补这种局限,更好的发挥不同脑功能成像技术的优点,未来学者可结合fMRI､EEG､PET､FNIRS等不同的成像技术,对耳鸣患者的脑功能进行多模态的研究｡

相对于目前应用广泛的脑功能成像技术,FNIRS在其应用方面有着其自身的优越性｡与功能磁共振成像相比,FNIRS的时间分辨能力更强,受试者可在运动的情况下进行测试,对大脑皮层的血氧代谢信息更敏感[32]｡与此同时,FNIRS价格便宜,易于操作,便于携带,在测试过程中不产生噪声干扰[25]｡相对于EEG,FNIRS具有较高的空间分辨能力和较强的抗噪能力,能够在任意时间任意地点长期连续观测[25]｡然而,FNIRS具有一定的局限性:首先FNIRS测量到的信号除了目标神经元活动产生的成分还有来自全身其他非目标部位的成分,这些成分可能会导致FNIRS信号的假阳性和/或假阴性｡其次,FNIRS主要检测血流动力学信息,具有慢信号特性,其时域分辨能力远不如EEG[26]｡与fMRI技术相比,FNIRS具有更低的空间分辨能力,且仅能探测到表层的血氧代谢[31]｡不过,与听觉相关的区域如初级听觉皮层､前额叶皮层､额下回和顶下小叶等均位于大脑浅皮层,可以被FNIRS检测到[28]｡所以FNIRS适用于耳鸣患者的脑功能研究｡

虽然FNIRS脑功能成像技术存在一定的局限,但是目前的研究也充分展示了FNIRS在耳鸣脑功能研究中的技术特点及优势｡基于这些研究,我们发现颞叶听觉皮层的功能改变可能是耳鸣产生中枢基础｡而不同大脑皮层区域内部以及区域之间的功能连接异常可能耳鸣持续存在的神经病理机制｡

3、结论

耳鸣的脑功能成像研究面临着一些问题:即fMRI在测试过程中产生的噪声会影响耳鸣患者的注意力以及影响其静息态功能连通性,PET存在辐射暴露的问题,而EEG则存在空间分辨率不足的问题｡因此,我们对功能性近红外光谱(FNIRS)技术在耳鸣脑功能中的研究进行了综述｡受试者可在安静或者运动的状态下进行FNIRS测试,且FNIRS价格便宜,易于操作,便于携带,在测试过程中不产生噪声干扰,非常适合耳鸣及相关听觉领域的脑功能研究｡FNIRS是研究耳鸣脑功能的新手段｡

参考文献:

[17]梁轩,基于fNIRS的康复训练中任务负荷识别方法研究[D].广东:广东工业大学,2023.

[18]吴容,网络成瘾者的抑制贬值效应[D].武汉:华中师范大学,2023.

文章来源:丁大雄,米雪芹,李蓓,等.功能性近红外光谱成像技术在耳鸣脑功能研究中的应用与展望[J].中华耳科学杂志,2025,23(02):301-304.