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近紅外腦功能成像(fNIRS) 在腦認知科學研究中的運用

時間:2022-06-21 編輯:瀚翔醫療 瀏覽數:1251

由于 fNIRS 作為一種便攜,無創傷的腦成像技術,有較好的時間分辨率和空間分辨率,因此該技術已經被廣泛的應用于心理學研究中。其中主要包括對視覺、情緒、注意、記憶,執行功能等的神經機制的探索。


1. fNIRS 在基礎心理學中的運用—ex:嬰幼兒語言研究 


近二十年來 fNIRS 在嬰兒和成人的言語成像研究中取得了廣泛的應用,有 60 余篇公開發表的研究成果,這些研究分別與腦部經典言語區相關。fNIRS 的無創傷性、較高的時間分辨率和空間分辨率以及對被試動作的高容忍度,使其成為了言語成像領域的優勢技術。11998 年第一次用商用 fNIRS 系統證實了布洛卡區在言語過程中的活動 (Watanabe et al., 1998)。后來研究中用不同的近紅外設備均能觀察到小 孩、成人以及嬰兒的大腦經典言語區的皮層激活。用一系列聲音(如:人造聲音、 音樂以及說話聲)作為對嬰幼兒的聽覺刺激,證實了一些重要的爭論,如多通道感知覺的發展,聽說模式形成的潛在機制,語言習得的大腦機制,以及說話和音樂反應的大腦單側化優勢發展。 


相比于腦電需要導電糊改變其阻抗的處理方式,以及腦電和核磁需要盡量保證被試不產生較大頭動和身體移動的情況,近紅外由于其獨特的測量技術和手段, 其具有便攜,抗運動偽跡干擾,舒適等特點,使得近紅外設備可以應用于嬰幼兒 的測量中,嬰幼兒彈性帽和探頭能帶來更舒適的體驗并在根本上避免了只能在睡眠狀態下測量嬰幼兒認知的限制。 



圖 1 嬰幼兒語言研究 


比如在幼兒上的近紅外研究:在發展早期,情感通過聲音傳遞比通過面部和身體姿勢等其他載體傳遞對嬰兒的行為具有更重要的引導作用。然而,在發展的最初階段,大腦情感韻律的加工尚不清楚。為了幫助解決此問題,深圳大學張丹丹老師及其同事使用了功能性近紅外光譜技術來檢測新生兒的大腦活動,實驗時讓被試被動收聽恐懼、憤怒、快樂和中性的語音韻律。結果發現, 相對于中性情感韻律,恐懼、憤怒、快樂韻律下,右側顳葉皮層(主要位于顳中回和顳上回)表現出增強的血流動力學響應, 相對于快樂和中性韻律,右頂葉區域(大約位于緣上回)表現出對恐懼的高度敏感,而相對應的左半球則沒有差異。這些發現反映了右半腦在新生兒對情感韻律的加工中至關重要。2


2. fNIRS 在發展心理學研究中的運用—ex:能力測量 


fNIRS 具有無創性、便攜性的特點,因此 fNIRS 首先被廣泛運用于兒科臨床中, 以監測高危早產兒童的腦部血氧狀況, 監測新生兒的發展狀況。由于兒童特別是嬰幼兒的自我控制能力較差,因此對兒童進行腦功能成像的研究往往較為困難,導致以兒童尤其是嬰幼兒為對象的認知神經科學研究較少近年來, 隨著 fNIRS 在幼兒神經機制研究中的應用。人們將對神經系統發育生長最快的時期——嬰幼兒階段的人類大腦發展機制有更為深入地了解。 


此外,fNIRS 還廣泛用于不同年齡段人群認知功能的比較以及認知老化的腦功能研究。 


例如一項發展性閱讀障礙的研究。發展性閱讀障礙是指兒童智力正常,并且享有均等的教育機會,但是閱讀成績顯著落后于其年齡所應達到水平的一種學習障礙現象。針對其它功能監測技術對閱讀障礙患者大腦功能進行監測所得到的不同結果,設計了合適的實驗范式對漢語兒童閱讀障礙患者在進行漢字語音和語義加工時的大腦皮層活動進行研究,結果顯示漢語兒童閱讀障礙患者左前額葉大腦皮層活動異常,為閱讀障礙的神經生理學研究提供了實驗證據。 


圖2 能力測量(GO/NOGO 范式) 


另外一項例子是關于反應抑制能力的,即廣泛使用的 GO/NOGO 范式所進行的測量,反應抑制,是執行功能的一個重要成份,對做出正確行為的決策,以適應任務變化的要求有重要作用,其功能發展于兒童早期。行為數據表明,到 3 歲時,孩子已經基本掌握評估響應抑制任務的要求,但要直到 7 歲左右才能表現出能力提高。但是,在這發育過程中改變的神經機制尚不清楚。在本研究中,研究者通過在近紅外(fNIRS)腦成像過程中應用“GO/NOGO”范式,測量了 4 至 6 歲兒童的腦激活模式和行為表現。我們發現與成人相比,兒童與抑制相關的右側額頂--前額葉激活減少。相反,運動相關的激活在年齡組之間沒有差異。我們的研究結果表明,在 4-6 歲年齡的兒童中,額頂腦成熟在抑制反應的認知發展中起著至關重要的作用。3


3 fNIRS 在靜息態及常規腦科學中的運用 


近年來,fNIRS 也被很好的運用于新興熱門認知神經科學研究中,如靜息狀態下的腦功能連接。靜息狀態是指被試者保持清醒、不接收任何外部刺激或執行任何高級功能的狀態。近年來,人們越來越重視靜息態下的腦功能研究。靜息狀態下的腦功能連接是指檢測休息狀態下的自發性腦血液動力學波動,這能反應神經元的活動。最近的一項 fNIRS 研究探索了在靜息狀態下全腦的血液動力學信號的時空關聯,結果發現在被試大腦中存在一致的區域之間的互動。尤其是感覺運動皮層和視覺皮層展現了很強的半球內相關。同時前額葉的活動情況呈現很強的多樣化。另一項研究則證明了在感覺運動區域基于 fNIRS 的靜息狀態下腦功能連接的重測穩定性。4


對于常規近紅外腦科學研究,如利用近紅外進行兒童說謊、認知狀態、情緒、發展狀態等研究也越來越多。如使用近紅外測量兒童在進行傾聽故事和移情之間的腦區域激活,結果發現兒童在傾聽故事后發生移情并引起了內側和雙側眶額葉皮層(OFC)激活。5


4 fNIRS 在自然情景認知神經科學中的運用 


因為成像技術本身的特點,大部分都是在實驗室條件下進行的,對實驗設計有較高的要求,而且對被試的頭部運動有較為嚴格的限定。加之所使用的儀器較為龐大, 因此很難在自然情境下研究高級認知過程的神經機制, 實驗室的認知神經科學研究結果具有較高的內部效度,但是缺乏較高的生態效度,用以推論和解釋人們日常生活中的行為有困難。而在 fNIRS 的研究中,因為顱骨對光的散射系數被認為是恒定的, 因此 fNIRS 對被試實驗過程中的動作不是特別敏感,故而適合需要動作的認知過程的神經機制研究。


近年來,研究者采用 fNIRS 研究倫敦塔任務、睡眠和彈鋼琴等自然情境下大腦前額葉的變化。6 此外由于 fNIRS 的這些優良特性,該技術也越來越被廣泛地應用在運動神經科學中,研究相對集中于抗阻訓練、運動疲勞和運動認知研究三個主要方面??疾爝\動中大腦皮層的血液動力學特征,有助于揭示運動中大腦皮層的功能性激活與運動的關系及其機制,為運動人群腦功能的檢測、評價和調控提供客觀性指標,為科學地制定鍛煉或訓練計劃、合理安排鍛煉強度和提高鍛煉效果提供實證依據。7


一項力竭研究發現,隨著運動負荷的增加,大腦含氧量增加,而肌肉氧化卻逐漸降低,二者形成了鮮明對比。高運動強度引發高強度的局部腦區神經激活,此時能量需求超過能量供給。因此在力竭運動中,被激活的腦區會發生能量供求之間的不平衡。8


圖 5-3


參考文獻:

1. Valentina Quaresima,et al. A brief review on the use of functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) for language imaging studies in human newborns and adults[J]. Brain Lang, 2012, 121(2):79-89. IF=2.382

2. Dandan Zhang, et al. Discrimination of emotional prosodies in human neonates: A pilot fNIRS study[J]. Neurosci Lett, 2017, 658:62-66. IF=3.044 

3. Jan Mehnert, et al. Developmental changes in brain activation and functional connectivity during response inhibition in the early childhood brain[J]. Brain Dev, 2013, 35(10):894-904. IF=1.961 

4. Simone Cutini,et al. Functional near infrared optical imaging in cognitive neuroscience: an introductory review[J]. J. Near Infrared Spectrosc, 2012, 20: 75-92 . 

5. Tila Tabea Brink, et al. The role of orbitofrontal cortex in processing empathy stories in 4- to 8-year-old children[J]. Front Psychol, 2011, 2:80. IF=2.990 

6. Keiji Hashimoto, et al. Examination by near-infrared spectroscopy for evaluation of piano performance as a frontal lobe activation task[J]. Eur Neurol, 2006; 55(1):16-21. IF=1.712 

7. 蔣長好等.近紅外光譜技術在運動腦功能研究中的應用[J].生物物理學報, 2011, 26(11). 

8. Marta I R Pereira, et al. A brief review of the use of near infrared spectroscopy with particular interest in resistance exercise[J]. Sports Med, 2007;37(7):615-24. IF=11.131