年龄和噪声相关的语音神经夹带差异

《Neurobiology of Aging》：Age- and noise-related differences in neural entrainment to speech sounds

　　

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  考察了老年成年人语音的脑电神经跟踪（相位锁定值，PLV）。
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  年龄增长与安静条件下对语音过度加强的EEG-PLV相关。
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  背景噪声对老年人语音的EEG-PLV的削弱作用大于年轻人。
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  年龄和听力损失在脑-行为关系中共享大量方差。
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  结果支持衰老的衰退-补偿假设。

引言

日常的听觉需要人们具备在噪声中感知语音（SIN）的能力，这本身就是一个已经十分困难的任务，并且会随着年龄增长而变得更加困难(Heidari et al., 2018)。即使是没有听力损失的老年人（> 65岁），SIN困难也是一个常见的抱怨(Cruickshanks et al., 1998, Nash et al., 2011, Pichora-Fuller et al., 2017)。SIN能力下降与社交孤立、抑郁和痴呆风险之间出现的新联系，凸显了亟需针对与年龄相关的SIN缺陷开展干预措施。然而，目前的行为干预手段尚显不足，助听器也无法充分解决老年人的SIN问题，尤其是考虑到存在SIN困难的老年人对助听辅助技术的接受率较低(Davidson et al., 2022, Reed et al., 2023)。因此，迫切需要理解衰老过程中与SIN相关的下降的神经与行为机制，以便指导针对性干预的发展。

感知SIN的困难可能是老年人群体中最常见的听力学投诉(Kochkin, 2010)。50岁之后，SIN能力呈指数级下降，这是因为影响整个听觉系统从耳蜗到皮层的多种因素，导致感觉和感知的下降(Moore et al., 2014)。中枢听觉系统内的年龄相关变化，包括兴奋/抑制活动的平衡(Caspary et al., 2008, Caspary et al., 1995)以及大规模神经网络的连接性(Martin and Jerger, 2005)，可能解释了老年听者的SIN缺陷(Bidelman et al., 2019b, Bidelman et al., 2014)。

听觉衰老会影响与SIN感知相关的、由互联过程组成的复杂系统，其中包括时间编码。衰老通常与时间处理能力下降相关(Fitzgibbons and Gordon-Salant, 1995, Pichora-Fuller et al., 2007, Pichora-Fuller and Souza, 2003)，部分原因是时间精度的降低(Anderson et al., 2012, Fitzgibbons and Gordon-Salant, 1994, Heidari et al., 2023)。语音感知依赖于听觉系统在多个时间尺度上的时间保真度，以成功编码从声学包络（低频，<50 Hz），到周期性（~50-100 Hz），再到时间精细结构（~0.6-10 kHz）的一系列语音特征(Rosen, 1992)。听觉系统的年龄相关变化会波及在这些时间尺度上对语音的编码；例如，时间精细结构的编码对于SIN感知(Hopkins and Moore, 2009)和皮层对语音的跟踪(Ding et al., 2014)都很重要，但它却会随年龄增长而下降(Hopkins and Moore, 2011)，且与听力损失无关。

分开但相关的是，年龄相关听力损失（ARHL，亦称老年性耳聋）也会影响到时间编码和SIN处理(Dubno et al., 1984, Moore et al., 2014, Smith et al., 2024)。这里我们广义上将ARHL定义为在老年人中观察到的高频听力阈值的年龄相关升高。ARHL还可能由于可听度下降和时间编码能力减弱而独立于年龄之外退化听觉输入(Buss et al., 2004, Hao et al., 2018, Moore, 2016)。衰老与ARHL对语音感知的时间处理以及其神经基底的影响存在重叠，使得二者的效应难以分离(Gordon-Salant and Fitzgibbons, 1993, Lister and Roberts, 2005, Moore, 2016, Peelle et al., 2011)。两者都呈现平行的下降轨迹，并以相似的方式影响SIN处理：降低对时间精细结构线索的获取(Füllgrabe et al., 2015, Hopkins and Moore, 2011)、减少从波动掩蔽器中获得的感知释放(Gifford et al., 2007, Gregan et al., 2013)以及损害流分离(Ezzatian et al., 2015)，尽管这取决于掩蔽器的类型(Schoof and Rosen, 2014)。

然而，在听觉衰老方面，年龄与ARHL可能也是部分可分离的因素，尤其是在低频包络跟踪方面。有趣的是，听力损失实际上可能增强对包络调制的检测能力(Bacon and Gleitman, 1992, Moore and Glasberg, 2001, Wallaert et al., 2017)。然而，对基本幅度包络结构处理的增强并不总能迁移到语音理解中(K?sem et al., 2023)，这表明它实际上可能会扭曲通信信号并抑制识别。独立于年龄之外的感音神经性听力损失，与大脑白质的中枢变化以及周边听觉敏感性的固有下降相关(Tarabichi et al., 2018)。这些周边与中枢的听觉衰退可能导致语音内部表征保真度变差(Bidelman et al., 2019b)。从现有文献来看，可以清楚地看出，年龄本身和ARHL都反映了对于听觉衰老的重叠性贡献，为了全面描述语音与SIN处理的老年性变化，必须对此加以考量。

神经同步，即神经活动与诸如语音包络之类外部刺激的相位锁定，是支撑成功语音感知的一种神经机制(Ding and Simon, 2014, Grose et al., 2009, Vanthornhout et al., 2018)。对语音的神经同步在4-5 Hz附近似乎最强，这也是世界各国语言中被认为的"标称语音速率"(Assaneo and Poeppel, 2018, Ding et al., 2017, Greenberg et al., 2003, He et al., 2023, Momtaz and Bidelman, 2024)。更强的神经语音跟踪与安静环境(Riecke et al., 2018, Vanthornhout et al., 2018)和噪声环境(Ding et al., 2014, Etard and Reichenbach, 2019, Keshavarzi et al., 2020)下的语音理解改善均相关。类似地，语音诱发电位的神经时序缺陷以及对语音包络异常过大的神经跟踪均与较差的行为学语音识别表现相关(Momtaz et al., 2021, Roque et al., 2019, Sidiras et al., 2020)，这凸显了时间编码对SIN感知的重要性。

衰老与ARHL如何影响神经包络跟踪以及SIN的行为感知，目前尚不完全清楚(Criscuolo et al., 2025, Peelle et al., 2010, Sauvé et al., 2019, Sauvé et al., 2022)。一些研究发现，对目标语音增强的神经包络编码对语音理解有益(McClaskey et al., 2019, Petersen et al., 2017, Schmitt et al., 2022)。然而，另一些研究却发现包络跟踪的增强与较差的SIN理解相关，这或许反映了异常的"中枢增益"、抑制作用减弱或语音处理所依赖的大脑网络冗余度增加(Bidelman et al., 2014, Goossens et al., 2018, Millman et al., 2017)。各研究之间目标语音材料、背景噪声类型与可听度的差异，很可能导致了结果的分歧。然而，鉴于诸如节奏提示或神经刺激等干预范式有可能在年轻听者(Erkens et al., 2020, Falk et al., 2017, Guilleminot and Reichenbach, 2022, van Bree et al., 2021, Wilsch et al., 2018)和听力受损成年人(Erkens et al., 2021)中同步改善包络编码与语音感知，因此理解衰老过程中的各种因素如何改变复杂语音信号的神经编码显得尤为重要。

在本研究中，我们采用高密度脑电图，在oddball检测范式中考察了与年龄及噪声相关的皮层语音跟踪差异。我们的数据集包含大量年龄跨度为18-75岁的健康成年人样本，其中既有听力损失者也有无听力损失者（数据集取自以下研究：Bidelman et al., 2019a; Bidelman et al., 2019b; Bidelman et al., 2026; Price and Bidelman, 2021）。语音片段以4.5 Hz的标称语音速率(Assaneo and Poeppel, 2018)在清洁和噪声条件下以连续重复的方式呈现。在这一探索性分析中，我们测量了对连续语音的感知敏感性与神经相位锁定。我们选择将脑电行为测量、语音跟踪测量与QuickSIN相结合，利用超阈听觉的测量指标来评估年龄相关的影响。我们的目标是a)量化年轻组与老年组之间神经-语音同步以及噪声相关的语音处理差异；以及b)确定衰老与听力敏锐度对行为表现及神经-语音同步的相对贡献。

章节摘录

参与者

该数据集由来自我们此前发表的、关于整个生命历程中语音处理和听觉系统功能的脑电图（EEG）研究中汇总的 N = 83名参与者组成(Bidelman et al., 2019a, Bidelman et al., 2019b, Bidelman et al., 2026, Price and Bidelman, 2021)。参与者被分为年轻组（YA; N = 33，年龄范围：18-41岁，平均 ± SD：23.6 ± 4.2岁；男性/女性为16/17）和老年组（OA; N = 50，年龄范围：52-75岁，平均 ± SD：68.6 ± 5.7岁

行为学结果

图3显示了各组在不同刺激条件下的行为学结果。对 d′（图3A）进行的方差分析揭示了组别与条件之间存在交互作用（F(1,81) = 11.72, p = 0.00097, ${\eta }_p^2$ = 0.13）。年轻组（YA）在清洁与噪声条件之间感知敏感性的下降（t(81) = 9.039, p < 0.0001）大于老年组（OA）（t(81) = 2.93, p = 0.0044）。条件的效应同样存在，两组的 d′ 总分在清洁条件下均高于噪声条件（F(1,81) =

讨论

我们使用脑电（EEG）评估了在清洁以及噪声退化听觉条件下，对目标语音的神经同步及识别的年龄相关差异。我们发现：(a) 老年组（OA）在清洁条件与噪声条件之间的行为差异小于年轻组（YA）；(b) OA 在神经语音跟踪上表现出比 YA 更大的噪声相关下降，尽管其对清洁语音的神经跟踪是过度加强的；以及 (c) 年龄解释了行为（但并不解释

利益冲突声明

作者声明，他们不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本论文所报告的工作。

利益冲突声明

作者声明，他们与本论文所描述的研究不存在任何相关或重大的经济利益关系。

作者验证声明

两位作者均已阅读并遵守提交至 Neurobiology of Aging 的稿件伦理标准声明。本手稿已获两位作者批准，且未在其他地方接受审阅。

资金支持

本工作由授予 J.M. 的美国国立卫生研究院（NIA）资助项目支持（1F31AG101836）。

CRediT 作者贡献声明

Gavin M. Bidelman：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法论，调查，资金获取，形式化分析，数据管理，构思。Jessica MacLean：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，可视化，验证，项目管理，方法论，调查，资金获取，形式化分析，数据管理，构思。

Jessica MacLean|Gavin M. Bidelman