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近红外脑功能成像技术

技术资料/2020-03-05 11:55/196K

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由于对运动伪迹敏感、电磁干扰敏感、成像过程幽闭等原因,现有的脑功能成像技术,如功能核磁共振成像(fMRI)不适用于儿童(尤其婴幼儿)等对象,亦不适用于自然情境等高生态效度场景的研究和应用。近红外脑功能成像(functional near-infrared spectroscopyfNIRS)被认为是一种能满足以上要求的脑功能成像技术,为脑科学基础研究和临床应用提供了全新的观测手段。

fNIRS基本原理

人体组织中的血氧含量会随人体代谢活动而变化,血氧含量的变化会引起组织光学特性的变化,而脑组织中的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白对600-900nm波长的近红外光吸收率存在差异特性,因此可以使用近红外光照射人体组织并检测出射光强,在入射光强已知和出射光强可测的情况下,根据Beer-Lambert 定律,可以实时、直接检测大脑皮层的血液动力学活动。通过观测这种血液动力学变化,即通过神经血管耦合规律可以反推大脑的神经活动情况。这就是fNIRS技术的原理。

近20年来,随着近红外脑功能成像技术的硬件设备的制造和改进以及数据处理方法的完善,利用近红外进行各类认知活动的研究层出不穷。现在,fNIRS已经与脑电图(EEG、ERP)、功能磁共振成像(fMRI)等脑成像技术一样,成为人类探索大脑奥秘的利器。


神经血管耦合效应

组织中存在丰富的微血管(直径<1mm,包括毛细血管、微动脉、微静脉等), 其运输着的红细胞携带有近红外光在组织中的主要吸收体:血红蛋白(这种蛋白起到运输氧气的重要作用),近红外光在穿过微血管后,光强就会减弱,血红蛋白浓度越高,光强减弱越明显(在知道入射光强和出射光强的情况下,就可以对血红蛋白的浓度进行估计,这一规律被总结量化为Beer-Lambert定律)。

通过修正的Beer-Lambert定律,可实现使用NIRS检测脑组织的血氧参数,脑神经的活跃程度与脑血氧的含量变化程度密切相关。正是因为这种相关性的存在,使得我们可以通过测量局部脑血氧的变化情况来推断脑神经的活动情况,进而分析人脑在执行任务时各个脑区之间的协同作用。

造成神经血管耦合效应的基本功能单元是神经血管单元。在人脑中,神经元细胞与星形胶质细胞紧密相连,在功能上和血管内皮细胞、血管平滑肌细胞相耦合,以上细胞共同构成一种功能单元,称为神经血管单元。其主要功能是保持脑内微环境的稳态平衡,防止局部脑组织缺血,以及其他形式的脑损伤。

神经血管耦合主要是指脑皮层神经活动与脑血流(cerebral blood flow,CBF)、血氧响应之间的关系。在外界给予刺激时,与神经元活动有关的突触释放引发一系列的信号传送到附近的血管,导致血管中CBF和血氧信号发生改变。神经血管耦合的定量分析对正常和病理条件下的科学研究也产生重要的影响,正常情况下脑循环调节机制是一个十分复杂的过程,神经活动、胶质细胞、神经递质、化学分子以及血管中的CBF与血氧,在脑循环中通过一系列的调控完成信息的传递。


fNIRS优点

适用范围广泛

设备使用方便、易于移动、灵活性强。准备工作简单,采集装置易于佩戴,头型与头发浓密均不会造成明显影响。采集过程中不会严格限制被试的动作,所以适用范围广,从婴幼儿到老年人都可适用。


运动伪迹不敏感

fNIRS设备对头部运动不敏感,有多种成熟技术可以识别和有效地纠正运动伪影。适合于在运动任务期间持续高质量采集脑功能信号。


电磁兼容性好

由于光学组件与电磁场几乎不存在相互干扰,因此fNIRS具有很好的电磁兼容性,适用于多模态成像。可以与脑电、经颅磁刺激、经颅电刺激等手段配合使用。


时空分辨率高

fNIRS测量大脑皮层的血氧情况,厘米级的空间分辨率优于脑电,可以准确定位产生脑部活动的脑区。时间分辨率一般可达到10-100HZ,可实现实时观察血氧变化的曲线,也方便研究者更好地跟踪分析数据。



fNIRS应用范围广泛

由于fNIRS具有时空分辨率较高、抗干扰能力强、脑功能参数丰富等特点。在近些年得到广泛关注,已发展成为一种不可或缺的脑功能成像模态,在基础科研和临床应用中发挥越来越重要的作用。


科研领域

1.心理学、认知神经科学

fNIRS为知觉、认知、情绪、人格、行为、人际关系、社会关系等提供了全新的研究手段。更低的成本和超高的生态效度,可以更好的满足科研工作者的使用需求。可实现多台设备、多个个体的集群成像,使得fNIRS在群体行为神经机制研究中扮演重要的工具角色。


2.运动人体科学

面对运动和自然情境下的脑研究和脑监护,fNIRS由于其原理上的天然优势,比脑电和功能核磁共振更容易开展。


3.更多拓展中的学科领域

作为较新出现的脑功能成像模态,fNIRS的应用领域也在不断拓展。如脑机接口、神经营销、(模拟/真实)驾驶状态脑监测、神经反馈等领域近几年不断有成果产出。


医疗领域

4.精神类和脑功能疾病

fNIRS在抑郁症、精神分裂症、多动症、阿尔兹海默症等研究与诊断中发挥越来越多的作用。


5.婴幼儿

由于婴幼儿的特殊性-难以保持静止同时无法表达,fMRIEEG等脑成像手段难以在自然状态下开展工作。fNIRS设备佩戴体验更佳,不需要被试者太多的配合,对运动也有较强的抗干扰性。为婴幼儿的监护与诊断提供了新的选择。


6.脑调控监护和评估

得益于fNIRS对电磁干扰不敏感,fNIRS成为重复经颅磁刺激(rTMS)与经颅直流电刺激(tDCS)等神经调控技术的最佳监控与评估手段。


7.脑功能康复

康复与效果评估通常与大幅度肢体运动、电磁刺激等联合开展,得益于fNIRS独特优势,在中风、脑瘫、运动障碍、儿童多动症、抑郁症等疾病的康复评估与神经反馈康复治疗中发挥越来越大的作用。


fNIRS为脑的研究、诊断、训练和评估提供了全新的定量手段。相信未来还会在更多的领域与更多的技术结合出新的成果,为更多脑功能技术难题提供新的解决方案。



参考文献

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