Nature子刊丨慧创fNIRS揭示发展语言学新观点

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本文为慧创学术研究部对使用慧创近红外设备进行研究发表的论文的归纳整理，旨在读者更方便地阅读和高效率理解，让fNIRS更好服务于科研和临床各种应用。尽管我们在本文的结构和文字上都做了很大的努力，但仍会有不尽如人意之处。如需获取全文，可点击文末链接或索引DOI编码。

四川师范大学张丹丹教授课题组牵头，使用慧创便携式近红外设备NirSmart以及视频监控系统和多导睡眠仪进行了多模态近红外脑功能成像研究，其成果发表于《Nature Human Behaviour》。研究结果揭示了支撑音素感知和元音辨别的出生后快速发展的神经机制，提供了新生儿大脑额下区和颞上区激活和功能连接增加的证据。通过跟踪与语音获取相关的神经动力学，有利于更好地了解有神经发育障碍风险的新生儿。该发现挑战了当今发展语言学的主流观点，即人类对语音的感知和分辨能力是与生俱来的。这一研究为感觉、运动和体感脑区之间的神经连接是先天的这一假设提供了直接证据，促进了对新生儿音位辨别的相关研究。

01

研究背景

新生儿在出生后几小时内就有明显的语言敏感性和处理复杂言语刺激的能力。我们理解新生儿语言能力的一个重要方面是音素辨别，例如区分元音和音节。新生儿在出生时就能辨别大多数语言中的音素，然后在最初几个月“调整”其母语中使用的特定音素类别。虽然婴儿早期的元音辨别已经被证明，但关于出生后立即进行语音学习的神经机制和动力学研究较少。本研究使用功能性近红外光谱技术(fNIRS)首先评估新生儿出生后3小时内的音素知觉，然后测量在接下来7小时内暴露于前向和后向元音引起的神经可塑性变化。与其它新生儿检测兼容的非侵入性方法，如脑电图(EEG)相比，NIRS具有相对较高的空间分辨率。它的高运动容忍度使它非常适合测试年龄很小的婴儿。

02

研究方法

被试：75例健康足月新生儿（38例，男，胎龄38-41周，平均39.0±0.7周）在出生后1-3小时内（平均=2.1±0.4小时）随机分为实验组(n=25)、主动对照组(n=25)和被动对照组(n=25)。实验程序：实验在中国北京大学第一医院新生儿病房进行。新生儿出生状态稳定后与母亲分开，被运送到专用的检测室。听觉刺激通过放置在新生儿左右耳20厘米处的一对扬声器呈现，声压级为55至60分贝，平均背景噪声强度为30分贝。当新生儿处于安静的警觉状态或自然睡眠状态时进行NIRS记录，在记录过程中哭泣超过2分钟的新生儿被排除在分析之外。分别于实验开始时(T0,基线）、5小时后(T1)和再2小时后(T2)记录fNIRS数据。训练包括暴露在前向和后向的刺激组块下，随机呈现一组自然发音或反向播放的特定元音。在巩固阶段，新生儿被试处于休息状态，没有接受任何刺激。NIRS数据记录：使用NirSmart系统（丹阳慧创），在T0、T1和T2以连续波采集NIRS数据，该系统包括20个激光发射器（平均强度=每波长2 mW）和16个对两个波长（760和850 nm）敏感的光节点（光探测器）。光节点均匀地分布在头皮上，特别是覆盖了颞叶和额叶，并按照国际10/5系统设置在与NIRS-EEG兼容的直径34厘米的帽子（EASYCAP）中。共有52个通道（两半球对称），光源和探测器的平均距离为2.3cm。数据以10Hz的采样率连续记录。

▲实验程序

03

研究结果和结论

氧合血红蛋白浓度幅值分析。实验组在前、后元音条件下氧合血红蛋白[HbO]的差异大于主动对照组，训练后、巩固后评估与训练后、巩固前评估相比差异较大。双侧对称分布在双侧颞上和边缘上(SM)区域最大，在左侧顶下区(IP)稍强。

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▲氧合血红蛋白平均振幅结果

氧合血红蛋白浓度峰值分析。与主动对照组相比，实验组中与前向和后向元音刺激相关的[HbO]峰值潜伏期的差异更大，训练后评估与训练前评估的差异很大，双侧额下区的前向分布最大。

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▲氧合血红蛋白峰值潜伏期结果

功能连通性分析。发现第一被试组对比（被动对照组vs均值（主动对照组，实验组））和第二阶段对比(T1 vs T2)之间显著的两因素交互作用，表明接受听觉训练的两组被试连接强度增加，特别是在睡眠后。在32对通道中，这种交互作用在未经校正的α=0.05时显著，通常涉及左侧额下（IF）区，左侧颞上（ST）区，右侧额下区和右侧颞上区。

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▲功能连接结果

与对照组相比，实验组婴儿在T1时前元音和后元音的血流动力学反应潜伏期较短，在额下区出现最大值。在T2时，神经活动有不同程度的增加，在颞上区和左侧顶下区出现最大值。因此，在出生最初几个小时内，新生儿表现出了对自然音素的快速调整。

本研究揭示了支撑音素感知和元音辨别的出生后快速发展的神经机制，提供了新生儿大脑额下区和颞上区之间激活和功能连接增加的证据，这个网络让人联想到在发展的后期阶段参与发声模仿的网络。

通过跟踪与语音获取相关的神经动力学，有利于更好地了解有神经发育障碍风险的新生儿。然而神经特异化（例如左侧化）是如何将原始的言语习得网络转变为完全可操作的语言感知和产生系统的，还需要进一步研究来揭示。

论文链接：Wu, Y. J., Hou, X., Peng, C., Yu, W., Oppenheim, G. M., Thierry, G., & Zhang, D. (2022). Rapid learning of a phonemic discrimination in the first hours of life. Nature Human Behaviour, 1-11.DOI:10.1038/s41562-022-01355-1https://www.nature.com/articles/s41562-022-01355-1

关于慧创

• 首个获医疗器械证的超100通道近红外脑功能成像设备NirScan
• 首个获医疗器械证的便携式近红外脑功能成像设备NirSmart
• 近红外(fNIRS)国家强制标准唯一企业起草单位（GB9706.271）
• 中国首个“近红外脑功能成像临床应用专家共识”
• 北京航空航天大学科研成果转化
• 含两项国家重点研发计划等多项国家级项目
• 已在301医院、华山医院、华西医院、宣武医院等300余家三甲医院及科研单位示范应用
• 已支撑用户在Nature Human Behaviour等顶级期刊发表SCI论文100余篇
• 获得中国生物医学工程学会最高科技奖“黄家驷生物医学工程奖”
• 2022年8月成立“慧创脑科学医疗装备长三角协同创新中心”
  
• 2022年6月成为清华大学研究生专业实践基地
• 2021年5月成为北京航空航天大学生物与医学工程学院本科生实践基地
• 成立了拥有10余位专业博硕士的学术研究部可对fNIRS临床与科研开展精准的高水平服务

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