功能近紅外光譜成像技術在大腦認知功能中的應用
2018-12-14 來源：立體定向和功能性神經外科雜誌
作者：北京信息科技大學儀器科學與光電工程學院生物醫學檢測技術與儀器北京實驗室（司娟寧，張文玥，李雅欣，婁小平），北京陸軍總醫院附屬八一腦科醫院神經外科（何江弘）
近年來，隨著科學技術的進步，各種尺度（宏觀、介觀、微觀）的腦成像技術及腦活動幹預技術的不斷湧現，極大推動了腦科學的發展。功能近紅外光譜成像技術（Functional near - infrared spectroscopy，fNIRS），是新近發展起來的一種無創新型光學腦成像技術。其具有無創、便攜、低成本、可長時程連續監測、對適用人群無限制等特點，可以友好的在自然環境下進行腦功能活動的實時監測，為大腦認知功能研究提供了一種新的檢測手段。本文主要對fNIRS技術的基本原理及其在大腦認知功能中的應用進行簡要的綜述。
1.fNIRS技術簡介
fNIRS技術主要利用生物組織在近紅外波長為650nm～950nm的「光學窗」內不同的光學特性，通過測量入射光強及出射光強實現腦活動的檢測。光源發出的光經過頭皮、顱骨、腦脊液以及大腦皮層的吸收、散射後，可通過與光源一定距離的探測器檢測到，近紅外光在組織中傳播的軌跡呈「香蕉形」。早在1977年，Jobsis等人發現近紅外光可以穿透一定厚度的生物組織到達待檢測的部位，可以實時非侵入的檢測組織氧合狀況。該技術興起初期，主要是用於臨床監測組織的血氧狀態。
到上個世紀90年代，許多研究者開始利用fNIRS系統進行大腦功能活動的研究，發現當受試者接收到外界刺激（如：聽覺、運動、視覺等）時，其相應腦區的血氧代謝水平會隨之改變，從而進一步證實了近紅外光可以用於腦功能的活體檢測。以功能磁共振（functional magnetic resonance imaging，fMRI）和腦電（electroencephalography，EEG）為代表的腦成像技術為理解大腦的認知功能提供了有價值的理論基礎。
雖然fMRI具有很高的空間解析度，但其掃描器械龐大、價格昂貴、對運動噪聲敏感、且對被試要求嚴格。另外，雖然EEG具有很高的時間解析度，但由於腦組織的半導體特性，導致腦電信號的空間解析度較低、無法準確的定位激活腦區。這在一定程度上限制了這兩種技術在嬰幼兒、兒童以及老年人的認知功能研究。同時，由於臨床腦疾病通常會伴有顱腦手術引起的金屬修補物植入或由於神經調控帶來的電刺激器植入，使得fMRI和EEG技術無法在這些特殊人群中獲得滿意的數據質量。
相比之下，fNIRS具有較高的時間解析度和適中的空間解析度，其在認知功能研究中具有獨特優勢：①fNIRS能夠實現腦活動的安全無損檢測；②對運動噪聲的容忍力強，對體內含有金屬植入物的患者依然適用；③設備結構緊湊，便攜可移動，可多次重複測量，更利於被試保持自然的認知加工過程，從而更加真實客觀的反映受試者的認知水平；④與fMRI相比，fNIRS具有較高的時間解析度，不僅可以測量脫氧血紅蛋白（HbR），而且還可以測量含氧血紅蛋白（HbO）和總血紅蛋白（HbT）的濃度變化，信息更加豐富，非常適合於實時監測受試者在執行認知任務過程中腦血氧變化的時間空間響應性，具有較高的臨床使用價值和應用前景。近年來，fNIRS已被廣泛應用於認知功能以及神經精神疾病等研究領域當中。
2.fNIRS技術的應用現狀
1）在認知科學中的應用
前額葉皮層負責大腦的記憶、推理、執行、決策等高級認知功能，通過實時的觀測認知任務下該區域血氧濃度的變化情況，可以客觀的反映受試者的認知水平。1993年，Hoshi等人採用fNIRS進行認知功能的研究，發現在任務執行過程中被試的前額葉皮層含氧血紅蛋白濃度升高，而脫氧血紅蛋白濃度降低。隨後，越來越多的研究者開始採用fNIRS技術進行認知功能相關的研究。有研究發現在單詞記憶過程中被試前額葉皮層呈現典型的血氧激活效應，即：含氧血紅蛋白濃度增加伴隨著脫氧血紅蛋白濃度的減弱。且在前兩個記憶編碼過程中前額葉血氧激活程度顯著的高於後續的記憶檢索過程。Herff等人採用fNIRS實時監測前額葉皮層在執行N - back任務中的血氧變化，可以準確的區分受試者的精神負荷。
Plenger等人比較了正常被試與外傷性腦損傷患者（traumatic brain injury，TBI）認知功能差異，採用fNIRS設備實時監測被試在執行Stroop任務時的血氧變化，研究發現，在執行簡單的點色命名任務時，TBI患者組與正常對照組無顯著差異。而在執行複雜不一致任務時，正常受試者雙側額極以及左側頂葉區域的含氧血紅蛋白濃度顯著增加，而TBI組並沒有發現血氧響應的顯著改變，說明TBI組認知效率低下。
有研究報導，言語流暢性任務（verbal fluent task，VFT）和隨意的下頜運動在前額葉皮層的功能激活存在差異，並且右利手受試者左前額葉皮層表現出功能優勢。受試者左側前額葉皮層在口頭閱讀廣度實驗（reading span test，RST）任務中呈現顯著的血氧激活，且激活幅度與RST得分顯著相關。
2）在神經精神疾病中的應用
另外，fNIRS技術也被廣泛應用於神經精神疾病狀態下的認知功能研究。Koike等人研究發現精神分裂症患者前額葉存在減弱的、分布獨特的功能活動，並且任務負荷越高對應的血氧激活強度越大，表明fNIRS技術可以作為一種研究神經精神疾病的有效技術手段。有研究調查了前額葉功能異常與精神分裂症認知損傷程度之間的關係，研究發現精神分裂症患者右側背外側前額葉（dorsolateral prefrontal cortex，DLPFC）、右側側額極（frontopolar，FPC）、雙側（ventrolateral prefrontal cortex，VLPFC）皮層的血氧響應激活程度與認知水平正相關。雙向情感障礙患者在執行工作記憶任務和言語流暢性任務時，出現額葉功能活動的顯著性降低。
Zhu等人研究發現，與正常對照相比，抑鬱症患者在完成倫敦塔（Tower of London，TOL）任務時左側前額葉激活顯著減少，並且TOL 任務的完成度更差。Akiyama等人研究了抑鬱症患者在執行言語流暢性任務中額頂腦區的功能活動，研究發現抑鬱症患者雙側額頂腦區較正常出現顯著的低代謝，並且左側額頂皮層的低代謝可以反映患者抑鬱症狀的恢復程度（如：情緒低落，或失去興趣等）。張玉瑾等首次將fNIRS技術引入到意識障礙患者（disorders of consciousness，DOC）脊髓電刺激（spinal cord stimulation，SCS）療效評估中，研究發現SCS刺激可以引起DOC患者意識相關腦區血氧信息的改變，刺激間隔的長短對於SCS的療效有影響且短刺激間隔的效果相對較好，該研究為臨床醫生術後進行程控參數設計提供了一定的客觀指導。
3）在特殊人群中的應用
fNIRS無創、便攜的優勢，使其在嬰幼兒及兒童的腦發育方面更獨具優勢。Perlman等人採用空間工作記憶任務研究了學齡前兒童前額皮層的認知功能發育情況，研究發現外側前額葉皮層（lateral prefrontal cortex，LPFC）血氧活動的增強，以及任務準確率和響應速度的提高與受試兒童的年齡正相關，表明前額葉皮層的發育與執行功能成熟和完善有關。
有研究發現兒童注意力缺陷多動障礙（Attention deficit/hyperactivity disorder，ADHD）的患兒在不同實驗任務（如Stroop任務、WM 任務、Go/NoGo任務等）下呈現出額葉腦區的低代謝。自閉症譜系障礙（autism spectrum disorder，ASD）兒童在執行認知任務過程中，前額葉腦區的激活強度較正常兒童顯著降低。大腦皮層的血氧響應程度與受試者的年齡相關，隨著年齡的增長可能存在大腦功能可塑性重組。在執行許多認知任務（如：計算任務、Stroop任務、言語流暢性任務等）時，健康老年受試者額葉腦區的血氧激活程度低於年輕受試者，受試者的年齡與前額葉的血氧激活水平負相關。然而，也有研究報導，在執行認知任務時老年受試者前額葉皮層的血氧響應水平高於年輕受試者，這種反常性的功能活動增加可能與代償機制有關。Vermeij等人研究發現，經過一段時間的工作記憶（N-back任務）訓練，健康老年患者前額葉皮層的信息處理效率可以提高，而輕度認知損傷患者並沒有明顯改善。
3.存在的問題及展望
fNIRS探測深度較低，僅可以探測到大腦皮層部位而無法獲得大腦深部核團的信息，且空間解析度有限無法獲得大腦的結構信息。儘管fNIRS技術存在一些不足，總體來說該技術具有較高的時間解析度和相對適中的空間解析度、便攜可移動、具有較高的臨床實用價值和應用前景。尤其是當fMRI及EEG等技術受到顱內金屬植入物或電脈衝影響時，提供了一種良好的技術補充。未來將fNIRS與EEG同步採集，將大大提高技術整合的優勢，尤其是病損腦結構的研究，提供有力的工具。相信經過國內外研究者的不斷努力，fNIRS技術將會在認知神經科學以及臨床醫學中發揮更加重要的作用。
來源：司娟寧,張文玥,李雅欣,婁小平,何江弘.功能近紅外光譜成像技術在大腦認知功能中的應用[J].立體定向和功能性神經外科雜誌,2018(03):189-192.
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