瞳孔追踪技术在客观量化老年人听配能中的考虑

张敏 王娇锋 傅蕾 陈洁 保志军 Catherine V.Palmer

大脑认知活动能够通过生理变量反映出来[1，2]。Andreassi[3]指出，当人调用大脑认知储备（如思考）时，以及当精神上体验该配能（effort）使用的过程时，人的身体便形成一个影响呼吸速率、血压、心率、皮肤电导和瞳孔直径等各种可检测反应的“场”。听配能（listening effort）的量化技术就是基于这些可检测的生理反应孕育而生，其中包括瞳孔扩张[4～8]、皮肤电导、皮肤温度[8]、心率和心率变异度[9]、肌电图（elecfro myography，EMG）[8]唾液皮质醇浓度[10]，听觉诱发电位[11～15]和脑血氧水平[16]。生理测量有实时连续性的优点。它能够实时并持续地记录任务诱发听配能当下的机体生理反应，直到任务结束，已逐渐成为认知听力学领域里客观测量听配能变化的重要手段。

Kahneman[4]认为，一个好的生理测量工具应该具备以下3个条件：①对同一任务内不同变量的改变要敏感；②对不同任务要敏感；③对个体间差异要敏感。目前在所有测量配能的生理手段中，瞳孔扩张相对而言是最可靠的指标。

1 瞳孔扩张标示听配能的基本原理

心理活动过程中瞳孔扩张的现象在神经生理学中广为人知。瞳孔直径的变化是对完成任务时投入的配能（effort）的敏感度量。Lururi[17]阐明了认知活动与自主生理活动之间的联系，指出维持大脑皮层最佳唤醒水平的结构位于脑干的网状结构，而不是皮质本身。网状结构的传出纤维往往呈分叉走行，一个分支向上发送到更高的神经结构，如丘脑、尾状体，并终于新皮层；另一个分支则下行与各种运动核神经元发生突触。较高的神经结构对形成意向和计划起至关重要的作用。通过广泛的皮质网状连接，这些结构能够调节网状结构的自主外周系统活动，瞳孔扩张就是其中之一[2]。

瞳孔尺寸由两个虹膜肌肉控制。瞳孔开大肌负责瞳孔的扩张，直接受交感神经系统支配[18]，当交感兴奋时，瞳孔扩张；而瞳孔括约肌导致瞳孔收缩，受副交感神经系统支配，当副交感兴奋时，瞳孔缩小。瞳孔扩张既可以通过激活眼交感神经系统刺激辐射状的瞳孔开大肌，也可以通过抑制动眼副交感神经系统。在任何时刻，瞳孔的大小反映了当下交感神经和副交感神经系统间的动态平衡[219]。交感神经系统的基本职责是根据任务要求进行相关的生理调节以支持任务表现，交感神经能够在个体高度参与认知任务和主动应对挑战的状态下增加活动度[20]，如克服聆听困难。

瞳孔不仅能像其他自主系统那样反映唤醒状态，如当纯音强度升高40 dB时，瞳孔扩张增加0.2 mm，当宽带噪声强度提高40 dB时，瞳孔直径变大0.28 mm[21]，也能够反映认知和情绪处理，如听配能的调用[2，4，22]和愉悦感[23]。Beatty[2]和Karatekin[24]发现，瞳孔大小的紧张性变化（即稳定的、固定频率的背景活动）受唤醒状态、焦虑和应激等常规因素影响；而瞳孔大小的时相性变化（即与任务刺激相关的诱发活动）则与认知任务刺激信号的起始时间锁相。瞳孔的时相性变化和紧张性变化可以是相互独立的。

正常人的瞳孔从1.5～9 mm不等[25]。认知任务诱发的瞳孔变化范围是很窄的，通常不超过0.5 mm[2]，因此，需要精确度高的测量工具捕捉。基于红外眼球追踪拍摄技术的眼动仪能够满足测量需求。目前，许多眼动仪的采样频率可达到240 Hz甚至更高，分辨率能达到0.025 mm[22，26]。任务诱发的时相性瞳孔扩张通常发生在刺激开始后的100～200 ms，峰值出现在刺激开始后的2～3 s，大脑处理完信息后瞳孔迅速复原。由于瞳孔反射峰值出现的延迟，在使用瞳孔测量法时延长观察窗至关重要[2]。

类似于对诱发电位波形数据的处理，连续的瞳孔扩张波形数据也通常采用信号平均和分量提取技术消除背景变化并与诱发事件建立关联。Beatty等[17]建议在瞳孔扩张数据分析时采用关键时间窗内的平均瞳孔扩张值、瞳孔扩张峰值、峰值潜伏期和瞳孔变化的斜率作为因变量。建议采用相对于瞳孔基线的瞳孔扩张绝对值（单位mm），而不是瞳孔扩张百分比（单位%），因为当基线瞳孔直径很小时（如老年人），将瞳孔扩张幅度换算成百分比值会高估瞳孔的实际变化。

在运用瞳孔追踪技术测量听配能时，要注意区分时相性瞳孔反应和紧张性/基线瞳孔直径的影响因素，如光反射。在听觉任务诱发的时相性瞳孔反应中，还要注意区分认知因素和情绪因素作用的结果[25]，如言语清晰度、言语信噪比、言语感情色彩等。通过使用中性信号，控制房间的亮度，要求受试者保持头部固定，往往可以很好地减少上述因素间的相互混杂影响。

2 瞳孔测量法在老年人听配能研究中的应用

迄今，用瞳孔测量法研究老年人听配能的实验并不多。Kuchinsky等[27]在听障老年人中发现，当言语信噪比很低且有语义干扰时，老年人瞳孔扩张峰值幅度会增加，伴随瞳孔峰值潜伏期延长，且任务结束后瞳孔缓慢恢复至基线，提示老年听障者为克服听觉困难会增加听配能，并长时间保持在较高水平以完成听觉任务。Piquado等[28]研究发现，老年人瞳孔与年轻人瞳孔一样对听觉数字记忆任务的长度敏感。数字串越长，瞳孔相对扩张幅度越大，且老年人的瞳孔相对变化幅度大于年轻人，说明聆听和记忆相同长度的数字串时，老年人比年轻人花费更多听配能。但言语语法的复杂程度仅引起年轻人的瞳孔变化。Zekveld等[29]报道，当噪音下言语清晰度增加时，年轻或健听者能够减少（或释放）听配能，表现在瞳孔扩张减少，潜伏期缩短。但年长或听障者没有明显的听配能减少，说明即使在相对容易的听声环境中，年长或听障者仍然需要花费较多的听配能以维持任务表现。

3 增龄对瞳孔测量法的影响

增龄对瞳孔测量的影响主要体现在3个方面[28，30]。第一，老年人瞳孔普遍偏小，且动态范围受限。增龄会导致虹膜血管和虹膜实质的硬化，瞳孔变小，对光反射不灵敏。此外，老年人瞳孔括约肌张力相对增强，也使得瞳孔处于缩小状态。因此，老年人的瞳孔对比较微弱的听配能变化可能没有年轻人的瞳孔那么敏感，在老年人中观察到的某一程度的瞳孔扩张变化可能代表很大的听配能改变，而同样程度的瞳孔扩张变化在年轻人中则代表了微小的听配能变化。如果不考虑这一增龄因素而直接将老年人瞳孔扩张结果与年轻人相比较，结果将出现偏差，甚至与事实相反，得到错误的结论。第二，老年人眼睑趋于下垂。随着年龄的增长，大部分老年人出现眼睑皮肤松弛，皱纹增多，眶膈松弛，眶内脂肪脱出，有时将眼裂和视轴部分遮挡，妨碍眼动仪探测瞳孔，使实验记录中丢失很多宝贵数据，给后续分析造成困难。第三，角膜出现屈光。随着年龄增长，眼球晶状体逐渐硬化、增厚，而且眼部肌肉的调节能力也随之减退，导致变焦能力降低，出现俗称的老花眼或老视。老花眼比近视眼的瞳孔直径普遍要小，如果使用瞳孔变化百分比作为听配能的指标，将出现很大误差。

4 瞳孔测量法应用于老年受试者的建议

虽然老年人生理变化给瞳孔测量增加了难度，但上述问题可以通过改善测试流程、变量计算方法和统计方法得到解决，因而仍可获得高质量数据。对于有眼睑松弛的老年受试者，实验者可以将其注视的电脑屏幕水平调高10～20°，使受试者有意识地抬高上睑，扩大眼裂范围，提高瞳孔的被检测率。但要注意调节角度不能太大，避免因受试者疲劳而增加眨眼的次数，影响数据采集。此外，当眼睛处于大角度仰视时，探测到的瞳孔直径会与眼睛正视时有很大差别。

在瞳孔变量计算方面，当听配能在老年组之间比较时，可以沿用传统的方法，计算相对于静息瞳孔基线的瞳孔直径变化绝对值（即瞳孔扩张绝对值），而不是变化百分比。当听配能在老年组和青年组之间比较时，Piquado等[28]建议在传统方法基础上，增加瞳孔对光动态范围的个体化修正，将任务诱发的瞳孔扩张幅度归一化。让受试者在实验测试间内，注视电脑黑屏10 s，记录瞳孔直径。随后将电脑屏幕亮度调至最大，注视屏幕10 s，记录瞳孔直径。这两者的差值即为个体的瞳孔动态范围。用该动态范围做分母，任务诱发的瞳孔扩张绝对值做分子，该比值即可作为听配能的合理标示，用于老年组和轻年组的听配能比较。

如果实验中没有测量受试者个体的瞳孔动态范围，但又需要做老年组和青年组的比较，在统计学分析时，可以采用增长曲线分析（growth curve analysis）的方法比较瞳孔大小随时间的变化趋势/斜率，而不是比较瞳孔扩张的绝对值。这种方法虽然不能告诉我们在给定时间窗内平均消耗了多少听配能，但能够告诉我们该时间段内听配能的变化趋势（瞳孔曲线走向）和速度（瞳孔曲线斜率），后者在比较任务间或样本组间的听配能时也能提供有价值的信息。

本文介绍了瞳孔测量法在听力学中的应用，讨论了应用瞳孔测量法客观量化老年人听配能的挑战及解决方案。该心理生理学测量技术在青年受试者的听配能研究中已得到广泛应用，而在老年人群中尚未得到普及。希望通过本文的介绍，有更多的听力学研究者能够科学运用瞳孔测量法探索老年人听配能状态和变化规律。