助听器使用者费力聆听过程中耳运动系统的肌电反应

《Frontiers in Neuroscience》：Electromyographic responses of the auriculomotor system during effortful listening in hearing aid users

　　

摘要
背景：人类的耳肌可能仍会表现出与复杂模式下的听觉注意和费力聆听相关的活动增加。由于对耳运动系统的研究主要在正常听力参与者中进行，本研究调查了助听器使用者在挑战性聆听条件下耳肌的肌电（EMG）信号，以评估其未来作为感知聆听努力测量指标的潜在用途。
方法：研究人员指示24名经验丰富的双耳助听器使用者（平均年龄约64岁）注意一个目标播客，该播客要么在安静（SIQ）中呈现，要么在空间分布的噪声背景前呈现。如果存在噪声，助听器的专用降噪功能要么关闭（NR-off），要么开启（NR-on），这产生了三种任务难度或条件：SIQ、NR-on和NR-off。研究人员记录了两块耳肌，即上耳肌（SAM）和后耳肌（PAM），以及皱眉肌（面部肌肉的一部分）的EMG。
结果：感知聆听努力从SIQ到NR-on再到NR-off显著增加，表明这三种条件呈现了不同的任务难度。PAM活动与感知聆听努力相似（NR-off期间最高，NR-on期间中等，SIQ期间最低），但仅在NR-off和SIQ之间观察到统计显著性（p = 0.013）。皱眉肌的活动在存在噪声时随时间显著增加，无论降噪算法如何，但在SIQ期间保持较低水平。虽然研究人员未观察到任务难度对SAM的显著影响，但意外地发现SAM活动存在强烈的时间依赖性下降，这可能是一个严重的混杂因素。
结论：这项初步研究表明，在助听器使用者群体中，耳肌的活动在高要求聆听任务中增加，但由于意外的时间漂移，有必要采用修改后的方案和更大的参与者群体重复该研究。

**论文解读：助听器使用者费力聆听过程中耳运动系统的肌电反应**

**研究背景与问题**
人类仍保留着每耳九块耳肌，但其将耳廓重新定向至特定声源的显性功能已在过去2500万年间退化为痕迹状态。然而，近期研究表明，耳肌的肌电（EMG）信号依赖于声学信号的空间位置，并可能反映个体的自愿听觉注意。这种“神经化石”包含快速瞬态响应和持续分量，后者在参与者关注空间中特定说话者而忽略同时存在的空间分离干扰者时，使耳肌EMG活动出现侧化。此外，耳肌活动在费力聆听条件下可能增加，因为耳廓的重新定向或重塑曾有助于流分离，从而降低感知聆听努力。然而，先前研究主要在正常听力年轻参与者中进行，且未涉及助听器使用者。助听器使用者在噪声环境中常面临更高聆听努力，而专用降噪算法可降低这种努力。因此，本研究旨在评估费力聆听对助听器使用者耳运动系统的影响，探讨耳肌EMG信号是否可作为客观聆听努力指标，并检验降噪算法是否能调节这些反应。该研究发表在《Frontiers in Neuroscience》。

**研究设计与方法**
研究人员从德国圣温德尔的Auris H?rcenter GmbH助听器验配店客户数据库中招募24名双侧助听器使用者（15男，9女，平均年龄66.17±7.70岁，平均助听器经验6年），均具有至少一年使用经验。参与者坐在验配室中，周围等距放置8个扬声器（距离1米，间隔45°）。目标播客（由女性、无方言德语讲述）始终从0°扬声器以58 dBA播放；噪声从所有8个扬声器以每通道51 dBA（总60 dBA，信噪比-2 dB）播放。三种条件：安静（SIQ）、降噪关闭（NR-off）、降噪开启（NR-on）。降噪算法为Phonak Audeo I90-SPHERE助听器中的“Spheric Speech Clarity”深度神经网络（400万参数，基于2200万声音样本训练）。EMG记录：被动Ag/AgCl电极，g.USBamp放大器（4.8 kHz采样），记录双侧上耳肌（SAM）、后耳肌（PAM）和皱眉肌（CORR）。信号经10–500 Hz带通滤波、50 Hz陷波滤波，分段为1秒窗计算能量，去除超过均值±3标准差的伪迹（平均去除率：SAM 1.204%，PAM 0.809%，CORR 0.862%）。数据按条件和时间（每条件分为3个90秒段）进行Box-Cox变换后，采用线性混合模型（固定效应：条件、时间、性别；随机效应：参与者截距和条件斜率）分析。主观测量使用Friedman检验和Conover事后检验。

**研究结果**
**3.1 主观测量**
主观聆听努力评分（1–7分）和分心度（1–10分）在条件间均显著不同（均p<0.001）。NR-off最高（5.917，7.167），NR-on中等（4.542，5.396），SIQ最低（1.792，2.563）。所有配对比较均显著（p<0.001）。呈现顺序无显著影响。

**3.2 肌电测量**
**上耳肌（SAM）**：条件主效应不显著（F(2,22)=3.107，p=0.065），但呈现顺序主效应显著（F(2,22)=4.103，p=0.031），显示第一次试验后活动显著下降（原始值从0.975降至0.692和0.754）。时间、性别及交互作用不显著。进一步分析表明，SAM活动在第一试验内显著下降，并在后续试验中保持低水平，且在男性参与者中更为明显（女性参与者活动有所恢复）。
**后耳肌（PAM）**：条件主效应显著（F(2,22)=5.268，p=0.014），NR-off活动（原始值1.168）显著高于SIQ（0.896）（p=0.013），NR-on（0.998）与两者无显著差异。时间、性别及交互作用不显著，呈现顺序也无显著效应。
**皱眉肌（CORR）**：时间主效应显著（F(2,131.996)=19.473，p<0.001），活动从第一段到第二、三段显著增加；条件与时间交互作用显著（F(4,131.996)=3.07，p=0.019），仅在NR-off和NR-on条件下出现时间依赖增加，SIQ下无变化；性别主效应显著（F(1,22)=6.15，p=0.021），男性活动更高。在第三段，NR-off和NR-on活动均显著高于SIQ（p=0.048和p=0.02）。呈现顺序分析显示，CORR活动在第一试验内单调增加，随后保持高水平。
**相关性分析**：按呈现顺序排列时，SAM与CORR高度负相关（R=-0.96，p<0.001）；按条件排列时，PAM与CORR正相关（R=0.83，p=0.006）。

**讨论与结论**
主观测量证实了条件间聆听努力的显著差异，降噪算法有效降低了感知努力。PAM活动与主观模式一致，但统计上仅区分了最困难和最轻松条件，未能显示降噪算法的显著效果，这可能与PAM作为“空间指示器”的敏感性有关，其在空间分布式噪声条件下更活跃，而SIQ缺乏空间线索。SAM活动未受条件影响，但存在强烈的首次试验时间依赖性下降，主要出现在男性参与者中，这可能掩盖了努力相关效应，原因可能包括空间声源对SAM的抑制、姿势紧张或疲劳，以及皱眉肌的潜在交叉干扰。皱眉肌活动在噪声条件下随时间增加，但未区分NR-off与NR-on，提示可能存在天花板效应，且其反应可能是一般性任务努力指标而非听觉特异性。总体而言，本研究初步表明助听器使用者的耳肌活动在高要求聆听任务中增加，但需在更大样本中采用改进方案（如加入休息间隔、控制电极位置）以确认结果，并进一步探索性别差异及时间漂移的机制。

**研究结论**
本研究考察了三种不同任务难度条件下助听器使用者的耳肌活动对费力聆听的反应。通过添加真实的空间分布式噪声增加任务难度，并通过激活降噪算法达到中等难度。感知聆听努力和分心度因噪声加入而显著增加，且降噪算法可将其降至明显的中等水平。PAM活动总体上遵循这一模式：NR-off最高，SIQ最低，但PAM活动不够敏感，无法发现降噪算法的显著效果。皱眉肌活动在NR-off和NR-on条件下显著增加，达到与SIQ显著不同的水平，但两者之间无差异，这可能与感知聆听努力相关（存在天花板效应），但也可能是任务相关努力的一般性指标。SAM活动未受实验条件影响，但在实验过程中观察到了强烈且持续的活动下降（主要在男性参与者中），这可能掩盖了潜在的努力相关效应。总体而言，虽然部分结果对耳肌作为助听器使用者费力聆听客观指标的潜在未来用途令人鼓舞，但重要因素如实验的声学背景、基线漂移、疲劳效应和面部肌肉污染需要更仔细地考虑，因为它们可能解释与Schroeer等人（2025a）相比的一些意外结果。