EEG‑fNIRS 揭示年龄相关性听力损失的脑失代偿机制

研究背景
年龄相关性听力损失（age‑related hearing loss, ARHL）主要表现为高频听力减退与言语识别能力受损，可引发沟通障碍、抑郁以及认知功能下降，同时被视作痴呆最具可干预性的风险因素。

面对外周听觉输入信号减弱，大脑并非被动接受这一改变。已有研究表明，健康老年人可通过增强额叶皮层活动实现功能 “补位”：调用更多大脑皮层资源完成高难度听觉任务，以此维持言语理解能力，这一现象即衰老大脑的“神经资源代偿利用假说”。在言语加工的双通路模型中，背侧通路承担言语的感觉‑运动整合功能；言语运动系统会针对发音动作产生自上而下的预测信号，并反馈至感觉‑运动交互界面，与传入的听觉表征完成匹配，进而调控、促进言语信息加工。但仍有待解答的是：当听力损害不断加重时，ARHL 老年群体是否仍能保留这套自上而下的代偿机制？介导该过程的神经调控机制又是什么？

论文概要
首都医科大学附属北京同仁医院、北京市耳鼻咽喉科研究所、耳鼻咽喉头颈外科教育部重点实验室（首都医科大学）的团队，在《GeroScience》发表了题为 "Impact of age-related hearing loss on decompensation of left DLPFC during speech perception in noise: a combined EEG-fNIRS study" 的研究论文。研究采用同步脑电（EEG）与功能性近红外光谱（fNIRS）技术，在噪声言语识别任务中考察了 theta 频段神经振荡与额叶皮层同步血流动力学的变化，揭示了老年听损者左侧背外侧前额叶皮层（DLPFC）在言语加工中出现"失代偿"，且这一失代偿涉及额顶整合网络。
 

论文信息

研究方法
1. 研究对象
本研究共纳入78名老年受试者，依据世界卫生组织（WHO）听力分级标准，采用Melison听力计完成纯音测听，按照0.25‑4 kHz双耳平均纯音听阈（PTA）划分为3组，每组26人：正常听力组（NH，PTA ≤25 dB，平均年龄65.4±2.8岁，男性12名）、轻度听力损失组、中‑重度听力损失组。纯音测听覆盖0.25、0.5、1、2、4、8 kHz共6个频率。

所有被试均为右利手普通话母语者，学历高中及以上；排除外耳病变、助听器/人工耳蜗佩戴史、神经精神疾病、影响认知与运动功能的躯体疾病及相关药物使用史。采用MoCA、MMSE评估整体认知水平，GDS、UCLA孤独量表分别测评抑郁、孤独情绪。三组人口学、认知及情绪基线匹配，仅听力水平存在组间差异，以此控制混杂变量，保证组间差异归因于听力损失本身。

2. 言语刺激与实验范式
言语素材来源于普通话噪声中听力测试（MHINT），包含24套句表，每句10个汉语词汇，采用男声对话语调。设置安静、信噪比5 dB、信噪比0 dB三种实验条件，背景噪声为语谱噪声（SSN），言语与噪声频率范围100 Hz‑8 kHz，全部句子完成A计权均方根电平均衡。

图1 言语刺激与同步 EEG-fNIRS 任务流程

A 实验评估用的言语刺激B EEG 与 fNIRS 通道配置，红色代表 fNIRS 发射光源，蓝色代表探测器，绿色代表 EEG 通道，黑色虚线区分颞叶、顶叶、额叶感兴趣区C fNIRS 光极与通道在皮层区域的位置D 刺激的伪随机 block 设计

行为学测试：每种条件随机呈现5次，被试复述听到内容，以正确识别词语数量作为言语识别得分。

同步EEG‑fNIRS任务采用组块（block）伪随机设计，15个任务块与休息块交替，每个任务块40 s，各信噪比条件伪随机顺序呈现，避免同一条件连续出现，每种条件重复5轮。实验流程为先采集3 min静息数据，再开展约10 min被动聆听任务；扬声器放置于被试正前方1 m、耳平齐高度，言语刺激强度65 dB，在本底噪声＜30 dB的隔声室内开展实验。

3. fNIRS与EEG数据采集
fNIRS：设备配置24个光源、24个探测器，布放于额叶、顶叶、颞叶头皮，源‑探测器间距3 cm，共63个通道。采用730 nm、808 nm、850 nm三种波长，采样率11 Hz，感兴趣区（ROI）选取言语双通路相关脑区，涵盖Broca区、Wernicke区、左侧颞中回（MTG）、左侧背外侧前额叶（DLPFC）及其右半球同源脑区。

EEG与fNIRS通过同步盒实现信号同步；采用32通道Ag/AgCl无磁电极帽（10‑20系统），采样率1000 Hz。

结果呈现
噪声环境言语识别行为结果
双因素方差分析（3组×3种SNR条件）结果显示，言语识别得分存在组别、SNR条件的主效应以及二者交互效应。简单效应分析表明，在5 dB SNR、0 dB SNR噪声条件下三组言语识别得分差异显著，安静条件下组间差异无统计学意义；事后检验提示，中‑重度听力损失组（MS_HI）言语识别能力显著劣于听力正常组（NH）与轻度听力损失组（M_HI）。相关分析表明，听力损失严重程度与噪声环境下言语识别得分呈负相关，高频听力损伤（4 kHz、8 kHz）与言语识别成绩相关性尤为突出。
 

图2 三组听阈与言语识别分对比

A 各频率纯音听阈的组均值，误差棒为标准差（SD），灰色区域代表轻度听损与中重度听损范围， 表示三组听力水平差异显著B 安静及 5、0 dB SNR 条件下的言语识别分组均值，误差棒范围为最大最小值C–D 5、0 dB SNR 条件下言语感知分与听损严重度的相关

前额叶代偿性皮层激活随听力损失降低
fNIRS结果显示，SNR条件对左侧背外侧前额叶（DLPFC）、Broca区激活存在显著主效应。听力正常老年人在噪声条件下可上调左侧DLPFC与Broca区皮层激活水平，表现出额叶介导的脑代偿；该代偿模式在听力损失人群中消失。听力损失组别对左侧DLPFC、右侧颞中回（MTG）激活存在显著主效应：噪声条件下，随着听力损失程度加重，左侧DLPFC激活水平显著下降，右侧MTG激活也呈下降趋势。
 

图3 组水平 t 统计图与 beta 值比较

A 左侧大脑皮层B 右侧大脑皮层；右栏为左侧 DLPFC（C）、左侧 Broca 区（D）、右侧 MTG（E）在三种实验条件下的 beta 值变化

相关分析进一步证实，噪声条件下左侧DLPFC激活强度与4 kHz、8 kHz高频听阈呈显著负相关，右侧MTG激活未观察到此相关性。
 

图4  左侧 DLPFC 活动与听力水平的关系。A 5 dB SNR 条件下 beta 值与听阈的相关；B 0 dB SNR 条件下的相关

左前额θ频段振荡功率随听力损失衰减
时频分析确定θ（4‑8 Hz）为噪声下言语识别任务关键响应频段。对左前额F7、F3、Fp3电极θ功率统计发现，听力损失组别主效应显著；噪声条件中，NH组θ功率显著高于M_HI、MS_HI组。θ频段功率与高频听阈呈负相关，高频听力阈值越高，左前额θ振荡功率越低。

图5 左前额皮层的 theta 振荡特征

A 由全脑电极获得的 theta 功率分布组均值（单位 μV²）B 三种实验条件下左前额 theta 功率的变化C–D 5、0 dB SNR 条件下 theta 功率值与听阈（4 kHz 和 8 kHz 处 PTA）的相关

θ频段额顶功能连接受损
θ频段相位锁定值（PLV）分析结果显示，听力正常组全脑功能连接整体强于中‑重度听损组；经NBS校正后可见，NH组左侧额叶‑顶叶间θ频段功能连接显著高于MS_HI组，同一被试组内不同信噪比条件下网络连接水平无明显差异，提示ARHL会造成额顶自上而下调控网络的相位同步性下降。
 

图6 额顶网络的连接特征

第一、二列为 NH 组与 MS_HI 组在三种任务条件下 29 个全脑电极的 PLV 矩阵，暖色代表电极对之间连接越强；红色方框标出 NH 组在所有任务条件下都一致强于 MS_HI 组的区域；第三列为两组之间显著（NBS 校正）的连接，边色深浅代表 T 值大小

总结与展望
本研究整合行为学、脑血流动力学与神经振荡结果发现：听力减退会造成老年人噪声环境下言语识别能力下降，该现象与高频听力损伤密切相关；健康老年人可依靠左侧DLPFC激活实现脑代偿，而年龄相关性听力损失（ARHL）老年人该代偿效应消失，同时伴随左前额θ振荡功率降低、中‑重度听损人群额顶网络（F3‑顶区）功能连接减弱。上述结果表明，健康老年人可借助自上而下听觉‑运动整合，调动代偿性注意资源保障言语理解；但ARHL老年人会发生以左侧DLPFC为核心的额顶整合网络失代偿。θ振荡是自上而下认知控制的重要载体，额顶网络可通过该机制增强目标听觉信号、抑制背景噪声，网络功能连接受损则会直接削弱这一调控作用。本研究还提示，F3电极对应脑区（左侧DLPFC）有望成为干预ARHL人群噪声言语功能障碍的潜在靶点。

本研究仍存在一定局限性：
1.属于横断面研究，尚不能确立听力损失与脑代偿改变之间的因果关系，有待结合纵向队列及敏感认知测验进一步验证；
2.仅设置3个信噪比梯度，后续可增加更多信噪比条件，细化噪声对神经激活与认知资源分配的影响规律；
3.实验未设置纯噪声对照条件，未来可补充该范式，区分听损人群针对言语刺激的特异性神经响应。

原文信息及链接
Wang S, Liu Y, Kou N, et al. Impact of age-related hearing loss on decompensation of left DLPFC during speech perception in noise: a combined EEG-fNIRS study[J]. Geroscience, 2025, 47(2): 2119-2134.

https://doi.org/10.1007/s11357-024-01393-9

作者及单位介绍
论文由 Songjian Wang、Yi Liu、Nuonan Kou、Younuo Chen、Tong Liu、Yuan Wang 与通讯作者 Shuo Wang 共同完成，团队来自首都医科大学附属北京同仁医院、北京市耳鼻咽喉科研究所以及耳鼻咽喉头颈外科教育部重点实验室（首都医科大学）。研究方向聚焦于老年听力损失、噪声中言语感知与言语加工的脑机制。本研究得到首都卫生发展科研专项（2024-1-1091）、高层次公共卫生技术人才建设培养计划（学科骨干-02-42）、国家自然科学基金（81870715、82301300）及首都医科大学附属北京同仁医院科研基金（PYZ23102）的资助。

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