聽覺穩態反應（ASSR）是某種周期性連續刺激模式下，在頭皮上記錄的聽覺及相關神經活動信息。在特定條件下，ASSR 反應比瞬態反應更易引出，具有獨特的臨床應用價值，但目前 ASSR 的產生機制尚存爭議，影響相關應用的推廣和深化。隨著新的處理技術和研究成果的出現，現在認為 ASSR 主要和線性疊加以及頻率挾帶理論有關。根據當前研究進展和我們的工作貢獻，本文特別對此加以梳理和評論，指出高刺激率瞬態信號重建技術可望促進穩態反應產生機制的研究。
引用本文： 譚小丹, 符秋養, 王濤. 聽覺穩態反應產生機制研究進展. 生物醫學工程學雜志, 2017, 34(3): 461-464. doi: 10.7507/1001-5515.201607015 復制
引言
聽覺穩態反應（auditory steady-state response，ASSR）是由短聲、調制聲和拍等快速連續刺激聲誘發的聽覺神經系統電位活動（auditory evoked potential，AEP）[1-3]。相對于聽覺瞬態反應，ASSR 表現為一種周期性和持續性的反應波形，主要特點是幅度不變且相位與刺激信號相位關系穩定。自 1981 年 Galambos 等[4]報道了刺激率為 40 Hz 的 ASSR 共振現象后，ASSR 引起了學者的廣泛關注。此后，研究人員從不同方面對 ASSR 產生機制進行了研究，取得了重要進展，也存在一些相互矛盾的現象。目前對于 ASSR 的產生主要是從線性疊加和頻率挾帶兩種理論加以解釋。
1 線性疊加假說
1981 年 Galambos 等[4]報道了由刺激率為 40 Hz 的刺激誘發的 ASSR 和單個刺激誘發的聽覺誘發中潛伏期反應（middle latency response，MLR）有著同樣的節律，提出 40 Hz ASSR 可能是單個刺激誘發的 MLR 線性疊加而成。如圖 1 所示，第一行表示由周期性瞬態刺激組成的刺激序列。線性疊加理論認為每個刺激都會產生一個瞬態反應，如圖 1 中間部分。這些瞬態反應線性疊加就得到了圖中最下面一行的穩態反應。
圖1
線性疊加假說示意圖
Figure1.
Schematic diagram for linear superposition hypothesis
線性疊加假說一經提出很快就得到了后續研究的支持[5]。例如，10 Hz 刺激率短聲或短純音誘發的瞬態信號都成功合成了 20 Hz 和 40 Hz ASSR；純音刺激的 40 Hz ASSR 也被發現可由瞬態反應線性疊加預測。然而，深入研究發現，這些合成 ASSR 雖然和記錄 ASSR 很像，但總存在誤差。而且，有研究顯示 ASSR 和瞬態反應具有不同的特性。如，Zhang 等[6]研究了 1 Hz 短聲誘發的瞬態反應和 40、60 Hz ASSR，發現 40 和 60 Hz ASSR 的能量顯著相關，但它們和瞬態反應卻沒有顯著關聯；并且刺激強度對 ASSR 有顯著影響，卻沒有顯著影響 MLR。不過，這些研究都有一個共同的特點，即以低刺激率下的瞬態反應為模板。然而瞬態反應是受刺激率影響的。如，反應的幅度一般隨刺激率升高而減小[5]。因此，預測誤差被認為可能是刺激率帶來的。
高刺激率下每個刺激誘發的瞬態反應因為其反應時間長于刺激間隔而產生重疊（如圖 1 所示）。這種基于瞬態反應重疊的觀點，在數學上可以把穩態反應視為瞬態反應和刺激序列的卷積[7]。據此，邁阿密大學 ?zdamar 團隊[8-10]提出一種反卷積方法——連續循環平均去卷積（continuous loop average deconvolution，CLAD），并利用該方法獲取了 40 Hz 刺激率下的瞬態反應。他們在清醒或麻醉狀態下成功預測了 40 Hz ASSR，沒有發現統計誤差。借助于 CLAD 方法，他們[11]還研究了 6.9～26.5 Hz 視網膜電圖穩態反應，發現這些穩態反應也都可以由對應刺激率下的瞬態反應線性疊加而成。采用一種基于高斯函數的高刺激率瞬態反應提取技術，Capilla 等[12]證實 7.7～20 Hz 的視覺穩態反應也可以由對應刺激率的瞬態反應線性疊加而成。這些研究證明了穩態反應和瞬態反應之間確實存在線性疊加關系，但這些瞬態反應須為由誘發穩態反應的刺激產生的瞬態反應。
事實上，節律刺激序列對應的瞬態反應是無法直接觀察和提取到的[7]。基于反卷積方法的高刺激率瞬態反應重建技術必須在節律刺激序列中增加一些抖動，且采取肯定性假設，認為這些抖動不帶來實質性的影響，即抖動刺激序列中的每個刺激產生的反應被認為是一致的。然而這個假設受到了最新研究的質疑。我們實驗室最近提出了一種高刺激率瞬態反應提取技術：多刺激率穩態平均去卷積（multi-rate steady-state average deconvolution，MSAD）[13-14]，并用于獲取 40 Hz 刺激率下的瞬態反應[15-16]。隨后，我們[17]比較了分別由 CLAD 和 MSAD 方法提取的 40 Hz 刺激率瞬態反應，發現它們之間存在顯著的差異。最近，基于最大長序列這一非線性系統研究工具，我們團隊[18]對最大長序列誘發的聽性腦干反應進行初步研究，發現瞬態反應中確實存在由相鄰刺激引起的非線性成分。這些工作說明，雖然經過神經系統復雜的綜合作用，穩態反應或瞬態反應對刺激序列依然具備一定敏感性。為進一步考察刺激率對誘發反應的影響，我們[19]先對 ASSR 和瞬態反應之間的線性關系進行了較大刺激率范圍的仿真研究，即分別采用由 MSAD 和 CLAD 兩種方法提取的瞬態反應線性疊加合成 20～120 Hz（步進 2 Hz）的 ASSR，發現 ASSR 確實在 40 Hz 左右的幅度最大，但是在其他刺激率下卻有較大的差異，并且在一定條件下，不同的瞬態反應可以合成幾乎等同的 ASSR，說明通過去卷積技術重建瞬態反應的不適定性。
另一方面，由于現有高刺激率瞬態反應提取技術還只能獲取穩定狀態下的瞬態反應，所以 Presa-cco 等[8]發現，在 ASSR 的建立過程中，不能用穩定狀態下獲取的瞬態反應線性疊加而成。類似地，Lut-kenhoner 等[20]研究了 20～60 Hz 短聲刺激序列誘發的 ASSR。在刺激序列中部增加的短聲刺激（稱之為干擾刺激）誘發的瞬態反應并不等于含有干擾刺激的刺激序列誘發的反應和不含干擾刺激的刺激序列誘發的反應之間的差值。這些都說明 ASSR 在非穩定狀態時，線性疊加假說還缺乏證據。
2 頻率挾帶假說
神經振蕩活動普遍存在于大腦神經元、神經環路、丘腦-皮質以及皮質-皮質網絡，這些振蕩活動可以用多個神經振蕩元組成的系統來簡單描述。圖 2 展現的是 2 個振蕩元的合成情況，其基本屬性是它們都具有一定的本征振蕩頻率和自我恢復特性（圖 2 第 2、3 行左部）。當有周期性外力（圖 2 第 1 行）驅動時，振蕩元會逐步調整振蕩頻率/相位直至和周期性外力同步（圖 2 第 2、3 行中部和右部）。當多個振蕩元和外力同步時，就會使反應幅度增加形成穩態反應（圖 2 最后一行）。因此，頻率挾帶被認為是穩態反應的可能產生機制[21]。
圖2
頻率挾帶假說示意圖
Figure2.
Schematic diagram for neural entrainment hypothesis
振蕩元和外力的同步應該會受干擾刺激的影響，即干擾刺激可使振蕩去同步化，穩態反應因此受到影響。這得到了一些研究的證實。有研究者在誘發 ASSR 的 40 Hz 短聲刺激串中減少其中的一個刺激，發現由此誘發的 ASSR 在對應缺失刺激的位置出現了一個較長時間的干擾[5]。Ross 等[22-23]在腦磁圖上也發現了類似的現象。他們用 500 Hz 純音的 40 Hz 調幅信號作為刺激。當同時給予一個短噪聲干擾刺激時，ASSR 在干擾刺激的位置出現了 250 ms 左右的幅度衰減。幅度和相位從此衰減恢復的時程與調幅刺激開始時 ASSR 建立時類似，表明短噪聲干擾刺激使丘腦皮質網絡的振蕩去同步化，在干擾刺激消失后，振蕩又再次同步于節律刺激從而恢復穩態反應。
然而，關于頻率挾帶假說，也有研究提出異議。如果穩態反應只是由頻率挾帶產生，則在刺激過程中不應該有能量的增加。但是，Ross 等[23]在 40 Hz 調幅刺激過程中發現了能量的增加，說明 ASSR 的產生可能不僅是持續振蕩的同步，還有新增的同步活動，增加的能量可能是刺激引出的反應。又如，Capilla 等[12]的研究揭示視覺穩態反應中沒有發現頻率挾帶現象。他們分別基于線性疊加和頻率挾帶合成了 7.7～20 Hz 的穩態反應，同時記錄了對應刺激率的穩態反應，通過分析穩態反應的幅度以及峰峰潛伏期隨刺激率的變化情況，發現記錄穩態反應只與線性疊加合成的穩態反應表現相似，而不同于頻率挾帶生成的穩態反應。這些研究顯示頻率挾帶假說還有待進一步完善。
有些學者認為線性疊加和頻率挾帶兩種機制可能并存。由某個頻率刺激引出的穩態反應可能主要由瞬態信號疊加而成，而另一種類型或頻率的刺激引出的穩態反應主要反映了刺激激勵的神經頻率挾帶[24]。事實上，刺激引起的瞬態反應和自我持續的神經振蕩是緊密相關的。Zaehle 等[25]對 1 kHz 純音調幅信號（調制頻率從 20～100 Hz）引出的 ASSR 進行了系統的研究，把 ASSR 的共振峰頻率和刺激信號引出的瞬態 γ 帶反應的頻率進行比較，發現它們的主要頻譜特性密切對應且顯著相關。所以，線性疊加機制并不能否定頻率挾帶機制的存在。
3 總結展望
目前，ASSR 在臨床上主要用于聽力評估，新的研究進展顯示 ASSR 具有非常廣博的應用前景。例如，研究顯示精神病患者的 40 Hz ASSR 表現異常[26]，而最近關于 40 Hz ASSR 藥理學基礎的研究發現 40 Hz ASSR 可能作為皮質門冬氨酸神經傳遞的無創監測手段，有望成為精神疾病治療中的生物指標[27]。另一方面，ASSR 的神經起源目前還沒有統一的認識[28-29]，促使研究人員持續關注 ASSR 的產生機制。
新近發展起來的高刺激率瞬態反應重建技術使線性疊加假說在 40 Hz ASSR 的穩定狀態下得到了進一步的支持，并有望推廣至其它刺激率下的應用。雖然反卷積瞬態反應提取技術采取的是肯定性假設，但通過對該假設的否定可以證明瞬態反應對刺激序列存在一定的敏感性，從而可以用于探索非穩定狀態下 ASSR 的產生機制以揭示 ASSR 本質和促進其應用，為臨床和基礎研究提供一種有效的無創手段。
引言
聽覺穩態反應（auditory steady-state response，ASSR）是由短聲、調制聲和拍等快速連續刺激聲誘發的聽覺神經系統電位活動（auditory evoked potential，AEP）[1-3]。相對于聽覺瞬態反應，ASSR 表現為一種周期性和持續性的反應波形，主要特點是幅度不變且相位與刺激信號相位關系穩定。自 1981 年 Galambos 等[4]報道了刺激率為 40 Hz 的 ASSR 共振現象后，ASSR 引起了學者的廣泛關注。此后，研究人員從不同方面對 ASSR 產生機制進行了研究，取得了重要進展，也存在一些相互矛盾的現象。目前對于 ASSR 的產生主要是從線性疊加和頻率挾帶兩種理論加以解釋。
1 線性疊加假說
1981 年 Galambos 等[4]報道了由刺激率為 40 Hz 的刺激誘發的 ASSR 和單個刺激誘發的聽覺誘發中潛伏期反應（middle latency response，MLR）有著同樣的節律，提出 40 Hz ASSR 可能是單個刺激誘發的 MLR 線性疊加而成。如圖 1 所示，第一行表示由周期性瞬態刺激組成的刺激序列。線性疊加理論認為每個刺激都會產生一個瞬態反應，如圖 1 中間部分。這些瞬態反應線性疊加就得到了圖中最下面一行的穩態反應。
圖1
線性疊加假說示意圖
Figure1.
Schematic diagram for linear superposition hypothesis
線性疊加假說一經提出很快就得到了后續研究的支持[5]。例如，10 Hz 刺激率短聲或短純音誘發的瞬態信號都成功合成了 20 Hz 和 40 Hz ASSR；純音刺激的 40 Hz ASSR 也被發現可由瞬態反應線性疊加預測。然而，深入研究發現，這些合成 ASSR 雖然和記錄 ASSR 很像，但總存在誤差。而且，有研究顯示 ASSR 和瞬態反應具有不同的特性。如，Zhang 等[6]研究了 1 Hz 短聲誘發的瞬態反應和 40、60 Hz ASSR，發現 40 和 60 Hz ASSR 的能量顯著相關，但它們和瞬態反應卻沒有顯著關聯；并且刺激強度對 ASSR 有顯著影響，卻沒有顯著影響 MLR。不過，這些研究都有一個共同的特點，即以低刺激率下的瞬態反應為模板。然而瞬態反應是受刺激率影響的。如，反應的幅度一般隨刺激率升高而減小[5]。因此，預測誤差被認為可能是刺激率帶來的。
高刺激率下每個刺激誘發的瞬態反應因為其反應時間長于刺激間隔而產生重疊（如圖 1 所示）。這種基于瞬態反應重疊的觀點，在數學上可以把穩態反應視為瞬態反應和刺激序列的卷積[7]。據此，邁阿密大學 ?zdamar 團隊[8-10]提出一種反卷積方法——連續循環平均去卷積（continuous loop average deconvolution，CLAD），并利用該方法獲取了 40 Hz 刺激率下的瞬態反應。他們在清醒或麻醉狀態下成功預測了 40 Hz ASSR，沒有發現統計誤差。借助于 CLAD 方法，他們[11]還研究了 6.9～26.5 Hz 視網膜電圖穩態反應，發現這些穩態反應也都可以由對應刺激率下的瞬態反應線性疊加而成。采用一種基于高斯函數的高刺激率瞬態反應提取技術，Capilla 等[12]證實 7.7～20 Hz 的視覺穩態反應也可以由對應刺激率的瞬態反應線性疊加而成。這些研究證明了穩態反應和瞬態反應之間確實存在線性疊加關系，但這些瞬態反應須為由誘發穩態反應的刺激產生的瞬態反應。
事實上，節律刺激序列對應的瞬態反應是無法直接觀察和提取到的[7]。基于反卷積方法的高刺激率瞬態反應重建技術必須在節律刺激序列中增加一些抖動，且采取肯定性假設，認為這些抖動不帶來實質性的影響，即抖動刺激序列中的每個刺激產生的反應被認為是一致的。然而這個假設受到了最新研究的質疑。我們實驗室最近提出了一種高刺激率瞬態反應提取技術：多刺激率穩態平均去卷積（multi-rate steady-state average deconvolution，MSAD）[13-14]，并用于獲取 40 Hz 刺激率下的瞬態反應[15-16]。隨后，我們[17]比較了分別由 CLAD 和 MSAD 方法提取的 40 Hz 刺激率瞬態反應，發現它們之間存在顯著的差異。最近，基于最大長序列這一非線性系統研究工具，我們團隊[18]對最大長序列誘發的聽性腦干反應進行初步研究，發現瞬態反應中確實存在由相鄰刺激引起的非線性成分。這些工作說明，雖然經過神經系統復雜的綜合作用，穩態反應或瞬態反應對刺激序列依然具備一定敏感性。為進一步考察刺激率對誘發反應的影響，我們[19]先對 ASSR 和瞬態反應之間的線性關系進行了較大刺激率范圍的仿真研究，即分別采用由 MSAD 和 CLAD 兩種方法提取的瞬態反應線性疊加合成 20～120 Hz（步進 2 Hz）的 ASSR，發現 ASSR 確實在 40 Hz 左右的幅度最大，但是在其他刺激率下卻有較大的差異，并且在一定條件下，不同的瞬態反應可以合成幾乎等同的 ASSR，說明通過去卷積技術重建瞬態反應的不適定性。
另一方面，由于現有高刺激率瞬態反應提取技術還只能獲取穩定狀態下的瞬態反應，所以 Presa-cco 等[8]發現，在 ASSR 的建立過程中，不能用穩定狀態下獲取的瞬態反應線性疊加而成。類似地，Lut-kenhoner 等[20]研究了 20～60 Hz 短聲刺激序列誘發的 ASSR。在刺激序列中部增加的短聲刺激（稱之為干擾刺激）誘發的瞬態反應并不等于含有干擾刺激的刺激序列誘發的反應和不含干擾刺激的刺激序列誘發的反應之間的差值。這些都說明 ASSR 在非穩定狀態時，線性疊加假說還缺乏證據。
2 頻率挾帶假說
神經振蕩活動普遍存在于大腦神經元、神經環路、丘腦-皮質以及皮質-皮質網絡，這些振蕩活動可以用多個神經振蕩元組成的系統來簡單描述。圖 2 展現的是 2 個振蕩元的合成情況，其基本屬性是它們都具有一定的本征振蕩頻率和自我恢復特性（圖 2 第 2、3 行左部）。當有周期性外力（圖 2 第 1 行）驅動時，振蕩元會逐步調整振蕩頻率/相位直至和周期性外力同步（圖 2 第 2、3 行中部和右部）。當多個振蕩元和外力同步時，就會使反應幅度增加形成穩態反應（圖 2 最后一行）。因此，頻率挾帶被認為是穩態反應的可能產生機制[21]。
圖2
頻率挾帶假說示意圖
Figure2.
Schematic diagram for neural entrainment hypothesis
振蕩元和外力的同步應該會受干擾刺激的影響，即干擾刺激可使振蕩去同步化，穩態反應因此受到影響。這得到了一些研究的證實。有研究者在誘發 ASSR 的 40 Hz 短聲刺激串中減少其中的一個刺激，發現由此誘發的 ASSR 在對應缺失刺激的位置出現了一個較長時間的干擾[5]。Ross 等[22-23]在腦磁圖上也發現了類似的現象。他們用 500 Hz 純音的 40 Hz 調幅信號作為刺激。當同時給予一個短噪聲干擾刺激時，ASSR 在干擾刺激的位置出現了 250 ms 左右的幅度衰減。幅度和相位從此衰減恢復的時程與調幅刺激開始時 ASSR 建立時類似，表明短噪聲干擾刺激使丘腦皮質網絡的振蕩去同步化，在干擾刺激消失后，振蕩又再次同步于節律刺激從而恢復穩態反應。
然而，關于頻率挾帶假說，也有研究提出異議。如果穩態反應只是由頻率挾帶產生，則在刺激過程中不應該有能量的增加。但是，Ross 等[23]在 40 Hz 調幅刺激過程中發現了能量的增加，說明 ASSR 的產生可能不僅是持續振蕩的同步，還有新增的同步活動，增加的能量可能是刺激引出的反應。又如，Capilla 等[12]的研究揭示視覺穩態反應中沒有發現頻率挾帶現象。他們分別基于線性疊加和頻率挾帶合成了 7.7～20 Hz 的穩態反應，同時記錄了對應刺激率的穩態反應，通過分析穩態反應的幅度以及峰峰潛伏期隨刺激率的變化情況，發現記錄穩態反應只與線性疊加合成的穩態反應表現相似，而不同于頻率挾帶生成的穩態反應。這些研究顯示頻率挾帶假說還有待進一步完善。
有些學者認為線性疊加和頻率挾帶兩種機制可能并存。由某個頻率刺激引出的穩態反應可能主要由瞬態信號疊加而成，而另一種類型或頻率的刺激引出的穩態反應主要反映了刺激激勵的神經頻率挾帶[24]。事實上，刺激引起的瞬態反應和自我持續的神經振蕩是緊密相關的。Zaehle 等[25]對 1 kHz 純音調幅信號（調制頻率從 20～100 Hz）引出的 ASSR 進行了系統的研究，把 ASSR 的共振峰頻率和刺激信號引出的瞬態 γ 帶反應的頻率進行比較，發現它們的主要頻譜特性密切對應且顯著相關。所以，線性疊加機制并不能否定頻率挾帶機制的存在。
3 總結展望
目前，ASSR 在臨床上主要用于聽力評估，新的研究進展顯示 ASSR 具有非常廣博的應用前景。例如，研究顯示精神病患者的 40 Hz ASSR 表現異常[26]，而最近關于 40 Hz ASSR 藥理學基礎的研究發現 40 Hz ASSR 可能作為皮質門冬氨酸神經傳遞的無創監測手段，有望成為精神疾病治療中的生物指標[27]。另一方面，ASSR 的神經起源目前還沒有統一的認識[28-29]，促使研究人員持續關注 ASSR 的產生機制。
新近發展起來的高刺激率瞬態反應重建技術使線性疊加假說在 40 Hz ASSR 的穩定狀態下得到了進一步的支持，并有望推廣至其它刺激率下的應用。雖然反卷積瞬態反應提取技術采取的是肯定性假設，但通過對該假設的否定可以證明瞬態反應對刺激序列存在一定的敏感性，從而可以用于探索非穩定狀態下 ASSR 的產生機制以揭示 ASSR 本質和促進其應用，為臨床和基礎研究提供一種有效的無創手段。
