早期失聪后听觉皮层跨模态参与视觉工作记忆的神经机制研究

Although the auditory cortex has been traditionally considered as a unimodal system involved in processing auditory signals, recent studies have found that these regions respond to other sensory stimuli, especially in individuals with early auditory deprivation. However, some key questions are still not so clearly understood, as how auditory regions engage into non-auditory tasks and deal with non-auditory signals. It impeded the further development of the brain plastic research. Based on our previous finding on the recruitment of auditory cortex in early deafness when processing the visuo-spatial working memory, we further investigate neural mechanisms in cross-modal plasticity of auditory cortex after early deafness during the process of visual working memory. Importantly, we intend to elucidate the reorganized auditory cortex either refers to the high-level cognitive cortex processing visual working memory, or comes to the low-level sensory cortex attending visual information under the modulation of working memory. Additionally, we want to clarify whether the reorganized auditory cortex possess the specificity of spatial or color discrimination. This study may improve our fully understanding of the neural functions of auditory cortex, and further appreciate the influences of auditory deprivation on brain function and structure. And, this study may also contribute to rehabilitation therapy and enhancement of the quality of life for deaf subjects.

传统观点认为听觉皮层是一个只参与处理听觉信号的单模系统，但最新发现该皮层还处理其它感觉刺激，而且跨模态活动在早期听觉剥夺人群更为明显。然而，早期失聪引起听觉皮层如何参与视觉工作记忆，以及听觉区如何处理这些视觉认知信号等关键问题仍未澄清，阻碍脑可塑性研究的深入发展。本课题在前期发现早期失聪人群的听觉皮层能够跨模态处理视空间工作记忆任务的基础上，拟利用多模态MRI、脑电和经颅磁刺激技术以及先进的图像分析方法，系统研究早期失聪引起听觉皮层跨模态重塑参与处理视觉工作记忆的神经机制。重点阐明重塑的听觉皮层是负责处理视觉工作记忆的高级认知皮层还是受到工作记忆调控的处理视觉信号的低级感知皮层。另外，本课题还需阐明重塑的听觉皮层是否具有参与处理空间或颜色信息特异性。该研究有利于全面认识听觉皮层功能，进一步了解听觉剥夺对大脑结构和功能的影响。此类研究将有助于失聪人群的听力康复治疗，不断提高他们的生活质量。

研究背景：传统观点认为听觉皮层是只参与处理听觉信号的单模系统，但最新发现该皮层还处理其它感觉刺激。然而，早期失聪引起听觉皮层是否参与视觉工作记忆，以及发育关键期的感觉经验对脑可塑连接重构的影响等关键问题仍未澄清。因此，本项目研究目的是探究重塑听觉皮层是否参与工作记忆，以及重塑后高级皮层间纤维连接是否发生改变，并以失明脑为模型探讨不同失明年龄对全脑连接的改变情况。.研究对象：本项目共收集40名早期失聪（ED）和50名正常（HC）被试的脑结构和弥散MRI数据。同时，本项目还收集40名先天失明（CB），40名早期失明（EB），40名晚期失明（LB），以及40名HC的脑静息态功能和结构MRI数据。方法：（1）提出一种基于三维纹理特征的个体化脑共变网络构建方法，该方法融合多种三维纹理特征信息，并将利用各脑区纹理相似性特征，构建EB和HC的个体脑结构共变网络，并寻求与工作记忆认知评分的联系；（2）利用公共数据库的弥散数据对突显网络中背侧前扣带回（dACC）和双侧额岛皮层（FIC）间的结构连接进行重建，并探寻重塑后突显网络与工作记忆认知评分的联系；（3）以失明脑为模型，分别对不同失明年龄的全脑皮层厚度和全脑体素的功能连接指标进行分析，并与失明年龄作相关分析。.研究结果和结论：（1）本项目提出基于三维纹理特征的个体化脑共变网络构建方法能够实现人脑结构的拓扑属性表征，所获得脑共变网络可反映出脑结构个体差异。ED组的右侧颞上回节点度出现显著增强，并且该脑区节点度与空间工作记忆反应时间显著正相关；（2）本项目发现突显网络dACC-FIC间存在结构连接模式，且呈现右侧偏侧化趋势。而且，ED组dACC-FIC连接的局部弥散一致性与空间和数字工作记忆反应时间显著正相关；（3）本项目发现所有失明的连接重构空间模式分析显示在同一视觉区域增强和减弱的连接是共存的，失明年龄与模态内及模态间连接的显著相关，提示发育关键期对感觉皮层间功能连接重塑的影响；（4）本项目还发现颞极和内嗅皮层的皮层厚度与失明年龄的关系呈指数非线性，提示视觉经验对非视觉相关皮层的结构重塑存在敏感期。