两个小孩

听配能测量方法的研究现状

2021-03-31 12:58:53 来源: 中国听力语言康复科学杂志字体[ ]

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认知听力学是研究人类听觉与认知相互联系的跨学科新领域。近20年来,听力学家逐渐认识到听觉能力和认知的重要联系,美国听力学家、神经科学家组织成立听觉认知科学学会并于2007年召开了第一次会议,标志着认知听力学逐渐兴起。国际听力学家一直强调“We hear with our ears, but we listen with our brains”。目前各种先进的助听干预手段已经能为大部分听损人群解决“听到(hearing)”这一基本需求,而仅依靠听力学检查显然无法评估听损人群“聆听(listen)”的状态。因此,需要一种整合认知功能和听功能的评价体系以评估聆听状态及康复效果,帮助听损人群在复杂的环境中更好地聆听。在这一背景下,听力学家基于多种认知理论模型提出“listening effort”概念,国内学者将其翻译为听配能(或听努力度),指人们在执行听觉任务过程中,主观支配调动的各种认知资源,如注意力、工作记忆等。目前关于听配能的研究主要集中在如何建立完整的理论模型以及如何测量听配能。听配能主要的测量方法可以分为三大类,行为学测试、生理学测试以及问卷评估与量表测试。


1 认知行为学测试


认知功能(cognitive function)是指人脑加工、储存信息,进而获取知识、应用知识的能力,认知功能主要包括5个维度,分别是执行处理(工作记忆、抑制控制、认知灵活性)、加工速度、注意力(警觉、定位、执行控制)、智力(晶体智力、流体智力)、记忆(长时记忆、短时记忆)。

在认知相关邻域可以用来评估听配能的行为学测试主要关注3个维度:工作记忆(working memory)、注意力(attention)和加工速度(speed of processing),这三者之间相互联系。首先,工作记忆的容量是有限的,但在执行复杂任务时可以分配容量用于加工和存储信息(如多任务时的语言理解或聆听)。其次,几乎所有的认知活动在分配容量的过程中都会涉及注意力,如执行单任务时的选择性注意(selective attention)或执行多任务时的分配性注意(divided attention)。假设一个任务所需的记忆容量需求或注意力不断增加,那么任务处理速度也会随之下降,执行任务的错误率也会增加。总之,在这一框架下,研究者在设计听配能行为测试时,可以根据需要评估的维度对已有的实验范式或模型进行演化。

1.1 工作记忆评估

工作记忆由Baddeley等于1974年提出,指短时处理加工信息和储存信息容量有限的记忆系统。Case等提出了工作记忆的资源共享模型,该模型认为每个人都拥有一个总加工空间,它可以被分为操作空间和短时存储空间,工作记忆任务需要同时进行操作和存储,被试需要在总加工空间有限的情况下进行空间分配。语言理解的过程需要工作记忆参与,Ronnberg等将工作记忆与语言理解联系起来,提出语言理解易度模型(ease of language understanding model,ELU),该模型从工作记忆的角度解释了语言理解过程中听配能的机制。

工作记忆最常见的测量手段是广度测试,Daneman等开发的双任务范式的阅读广度测试 (reading span task)最早被用来测量工作记忆,目前经改良已出现多个版本,其中聆听广度测试(listening span task)被用于测量听觉任务相关的工作记忆。测试时被试需要听一组句子,并记下句子结尾的词语,复述每个句子最后的词语,能够复述的最大词数代表了聆听广度。在工作记忆容量有限的条件下,最终测出的聆听广度可以用来标识听配能,分配给聆听的容量越多,则剩余记忆的容量就越少,聆听广度也越小。对于老年人或儿童,测试的内容可以变为长度不等的几组数字,被试需要完整复述一组数字,相较于数字广度测试,聆听句子不仅考量了信息储存能力,还侧重于信息理解能力。Smith等开发了一套新的测试方法-单词听觉识别与回忆测试(the word auditory recognition and recall measure,WARRM),该方法可以同时测得言语识别率和聆听广度。

此外,N-back范式的测试也常被用于评估工作记忆,N-back范式要求参与者对当前的听觉刺激与之前第n(通常n=1,2,3)个刺激相比较后作出反应,且强调保持、更新、辨别和再认。听觉刺激难度增加会使工作记忆负荷增加,在总工作记忆容量不变的情况下,分配给当前刺激的可用资源就会减少,进而导致参与者对当前刺激的误判。

1.2 注意力评估

注意力是一个复杂且涉及多领域的认知概念,在不同的注意过程中,又可分为选择性注意、持续注意、分配性注意、注意力调节等。在听配能测试中,需要关注的是选择性注意(即被试选择性注意目标刺激并忽略干扰刺激)和分配性注意(即被试完成多任务时如何分配注意力给每个任务)。分配性注意的研究主要依赖于双任务范式的实验,它基于Kahneman的认知资源池理论,鉴于注意力容量有限,假设随着更多容量分配给一项任务,另一项任务所分配的容量将减少。相比单独执行主要任务,同时执行主要任务和次要任务时,为了保证主要任务的优先级,次要任务的完成度必然下降,这种结果差异就可以当作从次要任务分配给主要任务的注意力容量(图1)。


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Gosseli等利用噪声下言语测听(主要任务)和振触觉识别试验(次要任务)对健听老年人和年轻人进行测试,在固定信噪比的双任务模式下,老年人的言语识别率和振触觉识别率均较年轻人低,且和自身单任务模式下相比正确率也明显下降,即使调整信噪比使两组人群言语识别阈(speech recogniton threshold, SRT)相同,老年人振触觉试验的正确率也较年轻人下降。在听觉条件相同的情境下,老年人需要花费更多的认知资源。双任务实验中的主要任务一般为听觉实验,而次要任务可以设计为视觉相关试验或逻辑判断试验等,今后的研究将集中在验证何种类型的次要任务对听配能测试更有意义。

1.3 加工速度评估

加工速度指以合理的准确率执行认知任务的最快速度,完成任务所花费的时间与分配给该任务的认知容量有关。从感官刺激的接受阶段到信息处理的响应阶段均会影响加工速度。反应时间(response time)是最常用的量化加工速度的指标。在多任务的背景下,听觉任务和非听觉任务的反应时间延长可以看作是分配给聆听的认知资源增加。当听觉任务测试结果已达到天花板效应时,通过测量反应时间也可以观察到背景噪声、语义的复杂程度对被试聆听过程的影响。


2 生理学测试


Kahneman开创性地提出任何认知加工负荷的生理学指标必须满足3个条件:(1)必须对任务内加工负荷的变化敏感;(2)必须对任务间加工负荷的变化敏感;(3)必须对个体间加工负荷的差异敏感。听配能的生理学测试方法主要基于两方面,即执行任务时大脑活动和自主神经系统兴奋。基于大脑活动的测试有事件相关电位(ERPs),脑电图(EEG)和功能核磁(fMRI),ERP和EEG具有极佳的时间分辨率,而fMRI能提供更精确的空间信息。基于自主神经系统兴奋的测试主要关注瞳孔直径、心脏反应、皮肤电传导以及激素水平。

2.1 事件相关电位

事件相关电位可以反映神经活动与刺激信息的时间相位信息。在听觉事件相关电位中,P3a成分的波幅与聆听者的注意力和努力程度密切相关。反映无意识的注意力转移以及大脑对新颖刺激的加工处理过程。噪声下言语测听时,随着信噪比下降,年轻人和老年人均会表现出P3a的波幅及其晚正电位的波幅增加。P300的幅值与当前任务分配到的注意力有关,但听觉疲劳会引起注意力下降,继而出现P300幅值下降。N400与词汇提取有关,词汇提取难度主要受词频、上下文的语义影响,任何使词汇提取难度增大的因素都会使N400波幅增大。

2.2 脑电图

EEG显示神经元突触后电位投射到头皮的宏观电位,借助计算机得到脑电功率随频率变化的频谱图,可以显示出α、β频段快波活动和θ、δ频段慢波活动的分布与变化情况。α波与感官形式(如视觉、听觉)和认知任务(如工作记忆、注意力、决策)均有广泛联系。α波在听觉领域起着与其他感觉和运动邻域相似的作用,即抑制与目的无关的认知活动,进入注意力集中或预备状态。α波增强意味着认知负荷增加。竞争条件下,随着声信号减弱,α波活动增强,提示α波活动不仅与需要存储的信息有关,还与感知觉刺激减弱有关,信息量的过载或声学信息质量的降低都能在相同的时间-频率范围内引起α波能量的增强。颅内脑电记录已证实θ波对工作记忆至关重要,大脑在执行认知任务时信息在脑区间流动,不同区域导联间相位相干性可以评价认知过程中信息交流的程度,而导联内相位相干性代表脑电活动的同步性,可以反映大脑对重复刺激任务保持响应的能力。在涉及言语工作记忆的认知任务中,随着提取存储信息的需求增加,额叶中线的θ波能量增加,额叶与顶叶、额叶与颞叶的相干性增强。

2.3 功能核磁(fMRI)

fMRI是基于神经元活动对局部氧耗量和脑血流量影响程度不匹配所导致的以脱氧血红蛋白的磁敏感效应为基础的MRI技术,可实时监测大脑功能活动时相应的血氧水平改变,进而间接反映神经元的能量消耗。fMRI评估听配能关注的感兴趣区主要集中在与听觉认知活动相关的脑网络。扣带回网络具有监控并修正当前行为的优化功能,研究者利用fMRI技术观察到,当接受

噪声下言语测听时,随着测试难度增加,扣带回网络的活跃逐渐增强,表明该区域正在消耗能量,随着扣带回网络的能量消耗增加,被试下一次测试的正确率也会增高。在噪声环境中,老年人的听觉处理能力下降,功能核磁显示其听觉皮层的激活也减弱,但与工作记忆和注意力相关的额叶和楔前叶活跃更加明显,这反映了大脑皮层在认知资源分配过程中的补偿机制。声学信息的丰富程度不仅能帮助我们理解语言,还能提供说话者年龄、性别、情感等更多信息,语言理解主要由双侧颞叶为核心的网络支持,声学信息丰富的句子会引起该区域显著活跃,然而在处理声学信息不丰富的句子时,额叶皮质、扣带回-岛盖网络、运动前区皮质等非核心区会有更大程度的激活,这表明听者正在招募额外的认知资源来弥补声学信息不足带来的影响。

2.4 瞳孔测量

瞳孔直径的大小一直被认为是认知加工负荷的指标。瞳孔直径对执行认知任务起始的瞬间以及执行过程中努力的程度均非常敏感,其生理学原理是执行认知任务时蓝斑核的活跃导致瞳孔扩大。在被试执行听觉任务期间佩戴瞳孔测量仪监测瞳孔变化,记录瞳孔变化的指标主要有瞳孔直径的基线水平,峰值(peak pupil dilation, PPD)及平均扩大程度(mean dilation, MD)。PPD常被用表示执行任务时认知负荷达到最大的状态,MD表示执行任务时认知负荷的持续状态。瞳孔测量有较好的时间分辨率,能监测听觉任务的全部时程,其测试方法简单快捷,不易受到电场、磁场环境干扰,配戴人工耳蜗及助听器也可测试。瞳孔的反应受到多种因素的影响,某些影响因素会使瞳孔测量结果误差过大,如环境亮度,眼科疾病、药物或咖啡因,还有一些影响因素可以与瞳孔测量结合,丰富瞳孔测量的研究价值,如声强、内在动机、年龄、助听方式、情感、听觉刺激或任务的种类。对于不同的感官模式,单纯听觉刺激和视听联合刺激比单纯视觉刺激引出的瞳孔扩张更明显。早期研究表明,同一听力水平下,刺激信号的言语可懂度越低,瞳孔扩大越明显,但最近有研究证实,瞳孔直径与言语可懂度呈倒“U”型关系,即言语可懂度非常低时瞳孔变化不明显,表明聆听者会因为任务太难而放弃投入更多的认知资源。Zekveld发现当刺激信号的信噪比相同时,掩蔽类型也会对瞳孔反应有影响,言语噪声比稳态噪声引出的瞳孔扩大更明显,但Ohlenforst等并未观察到两种掩蔽类型下瞳孔直径的差异。此外,语速越快,句法越复杂、罕见词汇和容易引起歧义的词汇越多,更容易引起瞳孔扩大。带有强烈情感色彩的声音会引起更明显的瞳孔直径扩张。瞳孔反应对聆听者的内在精神活动也很敏感,Koelewijn等观察到,当给予金钱奖励时,瞳孔扩大峰值在高额奖励的条件下显著大于低额奖励,这反映内在动机对认知资源分配的影响。瞳孔测量也被用于听疲劳的研究,重复执行听觉任务引起疲劳时,随着相同刺激重复次数的增加,瞳孔直径逐渐变小。

2.5 心脏反应

与听配能测量相关的两个心脏指标是心率变异性(heart rate variablity, HRV)和心室射血前期(pre-rejection period, PEP)。HRV反映心跳周期心率差异的变化情况,即正常心动周期中R-R间期的微小差异。通常情况下,交感神经兴奋时,心率增加,心率变异性降低,迷走神经兴奋时,心率减慢,心率变异性增加。HRV可以从时域和频域两方面分析,其中时域指标包括:总体标准差(standard deviation of normal-to-normal, SDNN)、均值标准差(standard deviation of averaged normal-tonormal,SDANN)和差值均方根(root of the mean square of sullessive differences, RMSSD)等,频域指标包括:高频功率(hign frequency, HF)和低频功率(low frequency,CF)。RMSSD和HF-HRV主要反映副交感神经兴奋,而SDNN和LF-HRV受到交感神经和副交感神经共同调节。当听觉任务认知需求增加时,交感神经兴奋,与副交感神经密切相关的RMSSD和HF-HRV下降,这种变化在涉及到注意力和记忆力的认知任务中得到证明,低HRV表明被试正经历心理事件或处于压力之下。HF-HRV可以受到呼吸作用的影响,特别是在呼吸速率较低时,因此,记录HF-HRV的同时还需要测量横膈膜水平处的呼吸。此外,HF-HRV还被证明与情绪调节和执行功能有关。PEP指的是左心室舒张开始与主动脉瓣开放之间的时间间隔,它是心肌收缩力的直接指标—心脏收缩越强,PEP越短。由于心肌收缩力主要由交感神经活动决定,所以PEP的变化反映了心肌交感神经活动的变化。目前已有大量实验通过测量HRV观察认知负荷,但PEP应用较少。

2.6 激素水平

持续地努力聆听会引起自主神经系统中交感神经的兴奋,随之出现内分泌系统的活跃,包括交感神经-肾上腺髓质(SAM)轴和下丘脑-垂体-肾上腺(HPA)轴,两条通路分别引起儿茶酚胺和皮质醇浓度的变化。因此,一些生物标志物如嗜铬粒蛋白A(CgA,儿茶酚胺的共分泌物)和唾液中皮质醇的浓度可以间接反映自主神经活动,但目前仅有少量研究关注听觉任务中的激素水平变化。Jahncke等发现当执行需要保持注意力和记忆的任务时,噪声环境下听损人群体内的皮质醇浓度和儿茶酚胺浓度升高。此外,研究者对听损儿童全天的皮质醇水平进行研究,长期随访表明,听力损失儿童可能存在HPA轴活动失调,其特征是觉醒时唾液皮质醇水平升高,从觉醒到清醒后30 min皮质醇增加幅度减小。这种皮质醇分泌的模式与成人倦怠后出现的情况一致,这间接表明听损儿童每天经历着累积的压力和听力疲劳,可能会使他们拥有更高的警觉性,需要迅速动员能量为新的一天做准备。由于体内激素水平受多种疾病及昼夜节律的影响,所以部分听力学家对激素水平评估听配能仍持有不同意见。

2.7 皮肤电传导

皮肤电传导测试主要测量皮肤表面的电活动,反映执行任务时交感神经兴奋引起皮肤汗腺分泌的液体量。测试时将两个Ag/AgCl (银/氯化银)电极贴附于受试者非惯用手的鱼际肌和小鱼际肌,测试全程需要手掌朝上并尽量减少活动。皮肤电传导测试已被用于证明与定向注意力,努力程度,记忆,动机和情绪反应有关。在噪声下言语测听中,听损人群的皮肤电传导能力较正常听力人群显著增加;即使给健听人群增加任务难度,皮肤电传导能力也会增加,这表明皮肤电传导在评估听配能方面也有潜在价值。


3 问卷评估与量表测试


聆听的费力程度是一个主观感受,众多前来门诊就诊的听损人群也会主动报告自己在聆听过程中的自我感觉。因此,研究者可以通过问卷评估和量表测试来判断患者在聆听时的努力程度、疲劳程度等。视觉模拟量表(visual analugue scale, VAS)是最常见的自测方式,Lee开发的疲劳评估量表(visual analogue scalefatigue,VAS-F)包含两个亚表,分别评估疲劳状态和目前的精力(如是否觉得困倦?极度困倦打10分,完全不困倦打0分)。美国国家航空航天任务负荷指数用于评估工作时的努力程度,包括6个项目(心理需求、身体需求、时间需求、感知表现、努力和挫折),在完成听力任务后被试根据问题给自己打分(如:你在完成任务的过程中有多匆忙?1分代表完全不匆忙,20分代表非常匆忙),得分越高说明付出努力越多。NFR量表(need for recovery scale,NFR)包含11个项目,用于评估工作的疲劳程度,NFR量表得分越高,疲劳程度越显著。言语、空间和音质听觉量表(speech, spatial, and qualities of hearing scale, SSQ)也可以从不同方面了解被试的聆听感受。目前也有单位自主开发听疲劳问卷等方法评估听配能。


4 总结


日常生活的聆听环境复杂,不仅需要面对各种类型的背景噪声干扰,还需要动用记忆、注意等各种认知资源,这些都不能仅依靠言语识别测试中的正确率来反映,两个言语识别率相同的人付出的努力有可能不同。听配能这一概念的提出帮助听力学工作者更好的理解听觉与认知的关系,它将作为评估听功能的另一维度。认知资源的分配取决于认知需求(使完成任务更加困难的因素)、注意过程、内在动机与疲劳程度,影响认知需求的外部因素包括信噪比、语义复杂程度等,内部因素包括听力水平、认知水平、聆听经验等。因此,在控制混杂因素的前提下,听配能的测试可以用来研究各种声信号、掩蔽类型、信噪比对聆听状态的影响,也可用于评估人工耳蜗、助听器等干预措施的康复效果,以及压力、情绪、奖惩等精神活动对听觉任务的影响。目前已有很多研究同时用多种测试方法评估听配能,Ohlenforst等通过行为测试和瞳孔测量评估助听器降噪功能对听配能的影响,结果表明在行为测试结果没有差异的情况下,瞳孔直径仍然能准确反映听配能的变化。研究发现无论是任务类型还是聆听环境都会对瞳孔测量和主观问卷结果产生影响,但两种测试结果并无相关性。利用瞳孔测量、脑电图、皮肤导电测试和问卷量表的对听配能进行多维度研究表明,皮肤导电测试和视觉模拟量表的可靠性最差,且几种测量方式并没有明显的相关性。这些研究提示听配能的测量并不存在所谓的“金标准”,听配能是多维度的,其测量方法也应该是多维度的。笔者通过pubmed以“listening effort”为关键词检索2010年1月1日年~2020年6月30日听配能相关文献,共得到284篇英文文献,排除综述、分析、社论等,符合条件的文献共218篇,合计使用各种听配能测试方法249次( 图2)。总之,问卷量表测试最直观的体现被试聆听努力程度,凭借其方便快捷、可操作性强的优势,该类测试应用最广泛(图2),但受个体理解问卷内容差异的影响较大。行为测试可以模拟现实生活中真实的场景,生理学测试可以客观、精确地反映执行任务时生理活动的时间信息和空间信息,但这两类测试受到个体参与程度和动机的影响较大。在选择听配能的测量方法时,更应该关注任务的性质以及引起认知需求增加的因素。


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今后听配能方法学的研究将集中在如何根据测试目的、目标人群将这些测试方法恰当的组合,如何验证并规范这些测试方法以便能应用于临床实践,帮助听损患者在有限的认知资源下更好的聆听。


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