中枢听觉认知的不对称性研究及双耳分听的应用进展

聂智樱毛弈韬综述 伍伟景审校

中枢听觉认知的不对称性研究及双耳分听的应用进展

聂智樱1毛弈韬2综述 伍伟景3审校

人类区别于动物的一个重要特征是语言功能。语言是一种具有特殊意义的声音。人类听觉系统的大部分功能都用在对言语声的辨听上，但是，言语声这种复杂信号是如何处理并最终反映在认知上的，目前尚不十分明了。较为明确的是，与大脑功能一样，中枢听觉也存在双侧不对称性［1，2］，双耳听觉较单耳听觉在听觉信息处理方面具有一定优势［3，4］，即便是在电刺激诱发的听觉反应中，同样存在双耳优势［5～15］；这一优势的显现取决于听觉系统能否对双耳接收到的听觉信息分别作出识别反应并成功整合，这一过程涉及到一系列信息传导、解码、重建以及更为复杂的高级认知功能。一直以来，听力学家、神经学家以及心理学家都在探索听觉信息的中枢处理机制，并利用了各种研究手段和技术，双耳分听（dichotic listening）是其中应用较广的研究中枢听觉认知行为的一种方法。本文就目前关于中枢听觉认知的研究及双耳分听在其中的应用进行综述。

1 听觉系统的不对称性

1.1 听功能的偏侧性：外周与中枢听觉系统具有功能上的偏侧性。在生理条件下，双耳的听生理现象表现并非一致，对于外周听觉系统，一般来说，右耳较左耳的听觉敏感性更高且表现出更显著的自发性耳声发射（spontaneous otoacoustic emissions，SOAE）及诱发性耳声发射（evoked otoacoustic emissions，EOAE）。这种不对称性可能基于一定的解剖学基础，即内侧橄榄耳蜗传出系统在两侧耳蜗外毛细胞的不对称分布。而中枢听觉系统的不对称性表现得更为复杂，功能性磁共振显像（f MRI）和皮质诱发电位（cortical evoked potential，CEP）为此提供了佐证［16，17］，例如，研究提示阅读障碍或口吃患者听觉中枢功能的变化在左右两侧是不一致的［18，19］；而对于老年性聋患者，中枢听觉功能的改变主要涉及两侧半球间相互作用的强度及作用方式的改变。

1.2 声学特征在听觉中枢的非对称提取 听觉信号在物理上可以分为时域信息与频域信息，这是两个非常重要的声学信号参数，时域信息代表声信号幅度随时间的变化函数，而频域信息则是指声信号中各个频率成分的相对构成。听觉中枢认知实际上也是对这两个信号参数进行提取与分析并形成映射的过程，很多研究都提供了听觉中枢在这一过程中双侧非对称的证据。对时域反应监测的脑电研究发现左侧颞叶的反应活性较右侧高，右耳的行为反应时间较左耳快且右耳识别的错误几率更低［20］。有意义的音节词和音乐旋律都可以激发双侧颞叶的功能性反应，但是左侧大脑半球对音节词的反应更为强烈，而右侧大脑半球则对音乐旋律的反应更明显［21］；这提示左侧大脑半球更专注于处理声信号中的时域包络和精细结构（temporal fine structure，TFS），而右侧大脑半球则可能在频域分析上更具优势［21～24］。不仅如此，中枢听觉系统对声信号的频域提取能力和时域提取能力存在一种此消彼长的关系，即提高时域的分辨精度将以牺牲频域的分辨精度为代价，反之亦然。

1.3 非对称性的相关理论 基于时域－频域相互制衡这一现象，目前围绕双侧大脑半球听觉处理功能不对称性存在两个主要理论：一个是时域采样理论，这一理论认为语音信号中的时域信息在次级听区以两个不同的时间窗被分解［25～28］。具体地说语音信号首先同时在双侧初级听皮质进行处理，使其中的时域和频域信息的细节被映射出来，这些被映射出的细节随后被周边的次级听区按照左右侧半球两个不同的时间窗进行分解。左侧半球时间窗约为20～50 ms，对应声信号时域上的快速变化或称精细结构，用以区分不同的音素以及共振峰的转变［29］；右半球时间窗约为150～300 ms，对应声信号相对变化缓慢的时域上的调制或称时域包络（temporal envelope，TE）［30，31］。另一个理论更为直接，认为时域和频域信息提取能力的对立关系是由左右大脑半球在功能进化上的分工决定的，左侧大脑半球具有更快速的信号处理能力，负责辨别时域特征，而右侧大脑半球的信号处理能力要慢些，负责辨别频域特征［23，24］；这一理论从解剖学上也得到了证据，即左侧大脑半球神经连接间具有较高的髓鞘形成率和神经元密度，这为信息的快速传递和处理提供了前提［23］。

近年来，有学者提出了一种补充性的假说，试图将听觉系统的非对称性与发音功能联系起来［25，32］。这一假说提出听觉中枢的侧性分工来源于一种感知－运动交互发展模式，认为左侧大脑半球对TFS的辨认与发音器官（如声门、舌头）的快速运动是相关联的；而右侧大脑半球对TE的感知则与下颌的慢运动有关；在言语发育阶段早期，下颌骨相对缓慢的运动频率（如咀嚼）形成了言语运动的基本框架。更精细或正式的言语形成则来自于发音器官肌肉组织所具有的高频运动能力，而听觉系统的发育或多或少地受到了来自发音系统自身局限性的影响［32，33］。

1.4 听觉中枢的非对称认知 尽管中枢听觉感知可能存在上面所述的感知－运动联动性，但对于声信号处理的半球间非对称性发展，究竟是外周发音运动系统还是中枢所固有的已分化的认知能力在起主导作用，目前仍不清楚，但就言语信号处理的高级认知水平发生在左侧半球这一点已有共识［34］。在这里需把言语声信号处理和言语处理当作两个概念来理解，即“音”处理与“义”处理，前者指的是外周及中枢听觉系统对言语声信号的一些基本声学特征的提取，而后者反映更高级的记忆及认知层面，与中枢处理有关，涉及对语义的理解［35］。例如，左侧颞叶损伤可能导致言语理解障碍，但却不影响对言语的知觉，而如果损伤在右侧颞叶，可能导致不能辨别一般的声音，但却能听懂言语，由此可见两者的区别。对于听觉信号的处理及认知的具体机制及区域，目前主要存在两种假说，即“声学假说”和“功能假说”。“声学假说”认为听觉信号的基本声学特征决定了涉及的中枢处理区域［36，37］；以音调为例，基频曲线是其主要的声学特征，而涉及频域信息处理的区域在右侧大脑半球，因此，音调的感知主要涉及右侧大脑的听觉感知区；而“功能假说”则认为听觉信息所带有的具体功能（如表义作用）决定大脑感知区，例如：Zatorre等［24］通过f MRI发现，声调语言中声调的变化所引起的大脑活动的改变位于左侧，而音乐旋律音调的改变则使得右侧大脑更为活跃；所以同样是以F0曲线作为主要的声学特征，所携带的具体功能不同决定了其所激发的感知区域不同，这是支持“功能假说”较有力的证据。最近一项研究分别测试了对粤语声调和普通话声调的感知，发现对粤语声调的感知显示出右脑半球优势（即受试者左耳接收测试声而右耳接收掩蔽声时，其辨别准确率相对较高）；而对普通话声调的感知则相反，显示出左脑半球优势［38］。研究者将这一结果归因于粤语声调相对更为复杂和难辨的特性及粤语及普通话习得过程的不同，例如：普通话的习得存在拼音系统，这为声调所具有的表义性提供了一个有形的接触途径，而在粤语习得中（尤其是香港）主要依靠机械式的字形记忆；因此普通话人群更可能将声调理解成音素或者语言的一个部分，这主要涉及到左侧大脑半球；而说粤语者可能更倾向于将声调当作普通听觉信息来对待，因此右侧大脑半球的作用更大。这一结果提示听觉信息的中枢认知涉及到极其复杂的心理认知层面，很难用“声学假说”或者“功能假说”中的任何一个来解释。

2 胼胝体的信息传递作用

胼胝体是位于左、右两侧大脑半球之间的一个非常重要的解剖结构，起着将两侧大脑进行神经连接的作用。由于其神经元轴突高度髓鞘化，使得神经信号能够在双侧大脑半球间进行高效传递［39］，它既可传递兴奋性信息，也可传递抑制性信息［40，41］。胼胝体的不同区域传递不同类型的信号，其中一部分为感觉信息，一般认为传递听觉信号的区域位于胼胝体后部［39］。胼胝体的大小被认为与双侧大脑半球间信息传递的速率有关，较大的胼胝体由于髓磷脂的容量大，通常具有更快的信息传递速率。

对于言语信号，如果双耳分别接收到的信息有所不同，人们一般更容易分辨出右耳所听到的信息，这种现象被称为右耳优势效应（right ear advantage，REA）。这是由于左耳的听觉信息进入右侧听区后需经胼胝体传入左侧的“优势半球”，这一过程中伴随有能量损失，而这种双侧耳接收不同听觉信息的中枢处理依赖胼胝体良好的功能，如果胼胝体不能顺畅地执行大脑半球间信息传递的任务，那么REA将会被放大；而当胼胝体功能良好时，尽管REA仍然存在，但左耳的听觉信息大部分得到体现，在左侧大脑半球的听觉中枢将会产生信息竞争。当左侧听觉中枢受损时，左耳和右耳的辨听能力都将下降［42］，若这类患者接受大脑联合部切断术，由于左耳抵达右侧大脑半球的听觉信息无法进入言语优势侧，左耳辨听能力将会进一步下降，但是右耳的辨听能力会出人意料地显著提高［39］，Musiek（1985年）认为出现这种现象的一个可能原因是受到中枢容积限制效应的影响。对于左侧半球本已受损的患者，其神经元处理信息的能力下降，不能承受双耳同时传送的信息容量；而当胼胝体的功能被切断，此时左侧半球的大部分信息来源于右耳，神经元的全部能量用来处理右耳相对较少的信息容量，使得右耳听觉信息的中枢体现得到极大提高。

3 双耳分听的基本理论

双耳分听作为一项研究手段用来了解听觉系统的偏侧性以及信息处理的半球间分工已有超过50年的历史［43］，它是一项听觉行为测试，即同时给予左耳和右耳不同的声刺激信号，观察何侧信号能够被更为准确地感知到。从同一个声源发出的声信号，到达人的左、右两耳时所携带的信息往往也是有差别的，这种差别主要体现在强度、频谱和到达时间上。一般情况下，双耳间信息的差别很小，这种差别作为一种附加的信息而被中枢听觉系统利用来执行某种特定的功能（如声源定位），如此小的耳间差别不至于引起中枢竞争；但在特定的实验条件下，双耳间信息的差别根据研究目的及要求事先设置，这远比自然条件下双耳间信息的差别要大。

3.1 言语信号的双耳分听与整合 言语声的双耳分听包括两个竞争性言语刺激声，通过耳机分别输送至左耳和右耳。由于左右耳接收到不同的刺激声，势必在信号处理过程中引起中枢竞争，为了了解这种竞争性中枢处理机制，受试者常被要求回忆或者复述所听到的声音。在某些情况下，受试者并不能察觉到左右两个声音的不同，听到的是一个声刺激，这是因为双耳间听觉信息在中枢处理过程中发生了整合。

3.1.1 时域整合 Cherry（1953）最先将双耳分听引入听力学研究领域。早在上世纪中叶Cherry就通过研究发现在没有掩蔽信号的情况下，改变测试语句输送至双耳的初始时间，会影响对测试语句的辨听。如果双耳接收到测试语句的耳间时间差很小，听到的仍是一个声音；当耳间时间差增大到一定范围时，对测试语句的辨听明显下降；Cherry由此认为听觉中枢在一定范围内具有时域整合能力。更有意思的是，如果将测试语句和掩蔽语句在双耳间不断交替，交替速度越快，对测试声的辨听越差；Cherry认为这种现象可能是由于听觉系统时域整合机制失效所致，同时掩蔽信号在双耳快速交替中也可能产生了额外的增益。

3.1.2 频域整合 继Cherry之后，Broadbent等（1957）对听觉系统的频域整合特性进行了研究，这一研究基于外周听觉系统的频率－位置理论，一个元音如果要被正确识别，那么它的共振峰频率必须能被听觉系统所捕获，即在其共振峰频率处的能量能在外周听觉系统的对应部位引起反应；Broadbent等将元音的频率成分按照共振峰频率的位置分别滤出，第一共振峰（F1）输送至受试者其中一耳，第二、三共振峰（F2、F3）输送至另一耳，发现受试者所听到的仍为一个声音，元音识别率不受影响。如果将其中任何一个共振峰的特性稍作改变，例如：改变其频率或者能量，受试者则会听到两个不同的声音；Broadbent等据此认为只要输送至双耳的频域包络能够准确嵌合，听觉系统便能够将双耳的频域信息成功融合；而如果双耳的频域包络不能完全嵌合，则会被听觉系统当作两个不同声音来处理。

3.1.3 强度整合 Rand（1974）在Broadbent等的研究方法上做了改进，将F1和F2的相对强度进行了系统性的改变，发现当F1和F2的强度比值偏离原始强度比值越大，其辨别率越低；不过这一结果很难说是由于强度还是频域包络的影响。Rand还发现在同样的F1／F2强度比条件下，若将F1、F2分别输送至受试者双耳，其识别率比F1和F2同时（即任何一耳均接收F1＋F2信息）输送至双耳时的识别率要高。这一结果很耐人寻味，Rand给出的解释是双耳分听条件下强度掩蔽效果减弱，因此有助于信号声的识别。

3.2 右耳优势效应（REA） 早前的研究发现对于大部分受试者，所听到的内容往往与右耳所接收到的信息更为一致。目前认为REA和听觉通路与大脑的神经联系及大脑半球间的信息传递有关，进入双耳的听觉信息在向大脑听觉中枢传递时，一部分通过听交叉到达对侧大脑，另一部分则抵达同侧大脑。而对侧听觉通路的传导效能较同侧强，因此大部分听觉信息将通过对侧传导通路传递至对侧大脑。右耳接收到的听觉信息传递给左侧大脑半球，而这正是言语处理的优势侧；左耳接收到的听觉信息传递给右侧大脑半球，再经由胼胝体通过半球间的信息传递抵达左侧半球接受处理；半球间信息传递过程中伴有的能量及信息损失造成左耳听觉的相对劣势［44］。

REA与诸多因素如年龄、性别、利手性等有关。REA随着年龄增长而愈加明显，这很可能是因为中枢听觉传导通路的退化阻碍了左右大脑半球间信息传递［44～46］。尽管最近有研究对REA随年龄而变化的这种趋势提出质疑［47］，但亦不否认年龄是影响中枢听觉感知的一个重要因素。性别对REA的影响多体现在中青年人群中，青年男性的REA一般较女性更为显著［48～50］。利手性与REA虽然并不直接相关［51］，但仍具有一定影响，右利手人群中的绝大部分表现出REA，而左利手人群中却有相当一部分表现为左耳优势效应（LEA），这基本与语言偏侧性的统计数据相符，但左利手者表现出的REA往往不如右利手者显著［52］。另外，REA也与测试难度及方式有关［53～55］，测试声信号难度越大，听觉中枢越容易忽略掉劣势侧传来的听觉信息，而集中能量处理优势侧传来的信息，REA便越明显。而如果事先暗示受试者需要复述劣势侧（左侧耳）听到的信息，此时REA会变小甚至可能表现出一定程度的LEA［54］。

4 双耳分听在听觉认知研究中的应用

由于听觉认知同样存在偏侧性，双耳分听为深入开展这方面的研究提供了一项可能的手段，也为评估一些病理性认知行为改变提供了帮助。之前有研究用双耳分听来评价中风患者的言语理解力，发现如果损伤部位位于言语优势半球，则通常引起REA下降甚至有可能转变为LEA［56］。而最近Sjöberg等［57］将其用于评估帕金森病患者的听觉认知，同样发现在这些患者当中REA明显下降，提示中枢听觉的偏侧性发生了改变。Bozikas等［58］利用双耳分听法，要求受试者将注意力集中到某一侧耳所接收到的听觉信息以研究听觉认知自控能力，发现精神分裂症患者和双相情感障碍患者的表现远较正常人差；这类患者即便精神症状已经得到控制，这种自控性信息处理缺陷仍得不到明显改善。而对于出现幻听症状的精神分裂症患者，双耳分听测试结果显示其注意集中和认知控制能力基本丧失［59］。Kershner［60］对存在阅读障碍的患者进行了双耳分听研究，发现此类患者无法将注意力集中至右耳的听觉信息，而程度较重的阅读障碍患者亦难以将注意力集中至左耳的听觉信息；结合神经影像研究发现阅读障碍者左侧额下回区过度活跃，缺乏自控，因此，提出对此类患者的干预措施也许应该重新审视。双耳分听也被用作评估听力受损者的听觉康复效果，lessa等［61］对使用助听器的老年人的听觉认知恢复情况进行评估，发现对于进行过规律性康复训练者，其左半球的功能恢复十分明显，而那些未进行过规律性康复训练者则未必。另外，Robb等［62］发现口吃者在双耳听觉信息强度不对等的情况下，其REA较非口吃者更容易转变为LEA，提示口吃者右侧大脑半球在言语处理中所发挥的作用可能更强。

Carey等［63］将具有较强和较弱语义逻辑的句子分别输送至左耳和右耳，以研究竞争性语句可能产生的中枢干扰；对于听力正常的老年人，这种由双耳分听所引起的中枢干扰表现得较年轻人更为明显，尤其是当竞争性信息来自右侧耳时［64］。双耳分听结合f MRI等影像技术也作为一种常用的研究手段应用于对正常人与认知控制相关的研究中；Westerhausen等［65］最近的研究认为把注意力集中至一侧耳（尤其是左侧耳）对认知控制力要求极高，同时这种对认知控制的程度又与双耳间信号的时域－频域重叠度有关；近年Hjelmervik等［66］应用双耳分听的研究也进一步证实月经周期的激素水平变化对认知控制能力的影响。此外，对于会多种语言者的中枢听觉认知也开始引起研究者的兴趣，Gresele等［67］对单语种和双语种使用人群进行了双耳分听研究，结果发现具有双语能力者的听觉认知控制能力明显要高。

由于行为反应测试容易受到一些主观因素的干扰，Jerger等［44］提出在双耳分听测试的基础上辅以电生理的客观评价能提供更为准确的临床信息（如更准确地反映胼胝体的功能）。对于有中枢听觉感知障碍的患者，在双耳分听模式下所诱发出的电生理反应往往较正常人弱［68，69］，且研究表明至少对于儿童这种诱发电位的记录是可靠且稳定的［70］。利用电生理检测联合双耳分听试验，能够有效地诊断出存在中枢听觉感知缺陷的儿童，尤其是那些双耳间辨听能力下降者（即难以准确复述某一侧耳的听觉信息）［71］。

5 双侧听觉补偿的必要性

人工耳蜗植入是目前对双耳重度到极重度聋患儿唯一有效的听觉补偿方式。在我国，由于各种条件所限，多为单侧人工耳蜗植入；然而，在听觉中枢的发育阶段单侧人工耳蜗会加重听觉中枢发展的非对称性，使得听觉通路及中枢会朝向有听力侧耳进行重组，产生所谓的“听觉偏侧综合征（aural preference syndrome）”，而这一现象对言语发育尤其是口语能力发展所带来的不利影响往往被低估。Sasaki等［72］对双耳听觉（双侧人工耳蜗植入）、双模式听觉（一侧人工耳蜗植入，对侧配戴助听器）和单耳听觉（单侧人工耳蜗植入）者进行了研究，发现前两者的言语识别率显著高于后者，且事件相关电位（event－related potential，ERP）的潜伏期亦显著短于后者。另外，由于能够利用耳间时间差（interaural time difference，ITD）信息，双侧人工耳蜗植入者的声源定位能力显著提高［73］。无论是双耳听觉还是双模式听觉，由于头影效应（head－shadow effect）和加和效应（summation effect）的存在，言语接受阈值显著提高，这意味着对噪声环境的耐受能力增强［74，75］。因此，在许多发达国家，由于考虑到双耳听觉优势，对于双侧重度到极重度聋的儿童，双侧人工耳蜗植入已渐成标准［76］。

对人类中枢听觉认知的研究已走过了一段不短的历程，最开始研究者们认识到语言的处理中枢位于左半球，认为左右大脑半球在功能上具有绝对的分工，之后越来越多的证据提示两侧大脑半球是相互作用、相互联系的。虽然中枢听觉认知存在偏侧性，但在对听觉信息的处理过程中两侧大脑半球在功能上仍是相辅相成的。双耳分听为研究两侧半球对听觉信息的处理模式及相互作用方式提供了一项切实可行的行为反应测试，在心理声学领域得到了广泛应用。听觉信息尤其是有意义的听觉信息（如言语信息）在中枢的处理过程是极其复杂的，目前影像学评估及电生理学测试也越来越多地介入到对中枢听觉认知的研究中来，其详细机制尚待进一步阐明。

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（2015－09－18收稿）

（本文编辑 周涛）

10.3969／j.issn.1006－7299.2016.04.023

时间：2016－6－29 16：14

E339.16

A

1006－7299（2016）04－0409－07

1 深圳市龙华新区中心医院耳鼻咽喉科（深圳 518110）；2 中南大学湘雅一医院放射科； 3 中南大学湘雅二医院耳鼻咽喉头颈外科

网络出版地址：http：／／www.cnki.net／kcms／detail／42.1391.R.20160629.1614.052.html