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近紅外腦功能成像技術

技術資料/2020-03-05 11:55/196K

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由于對運動偽跡敏感、電磁干擾敏感、成像過程幽閉等原因,現有的腦功能成像技術,如功能核磁共振成像(fMRI)不適用于兒童(尤其嬰幼兒)等對象,亦不適用于自然情境等高生態效度場景的研究和應用。近紅外腦功能成像(functional near-infrared spectroscopyfNIRS)被認為是一種能滿足以上要求的腦功能成像技術,為腦科學基礎研究和臨床應用提供了全新的觀測手段。

fNIRS基本原理

人體組織中的血氧含量會隨人體代謝活動而變化,血氧含量的變化會引起組織光學特性的變化,而腦組織中的氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白對600-900nm波長的近紅外光吸收率存在差異特性,因此可以使用近紅外光照射人體組織并檢測出射光強,在入射光強已知和出射光強可測的情況下,根據Beer-Lambert 定律,可以實時、直接檢測大腦皮層的血液動力學活動。通過觀測這種血液動力學變化,即通過神經血管耦合規律可以反推大腦的神經活動情況。這就是fNIRS技術的原理。

近20年來,隨著近紅外腦功能成像技術的硬件設備的制造和改進以及數據處理方法的完善,利用近紅外進行各類認知活動的研究層出不窮。現在,fNIRS已經與腦電圖(EEG、ERP)、功能磁共振成像(fMRI)等腦成像技術一樣,成為人類探索大腦奧秘的利器。


神經血管耦合效應

組織中存在豐富的微血管(直徑<1mm,包括毛細血管、微動脈、微靜脈等), 其運輸著的紅細胞攜帶有近紅外光在組織中的主要吸收體:血紅蛋白(這種蛋白起到運輸氧氣的重要作用),近紅外光在穿過微血管后,光強就會減弱,血紅蛋白濃度越高,光強減弱越明顯(在知道入射光強和出射光強的情況下,就可以對血紅蛋白的濃度進行估計,這一規律被總結量化為Beer-Lambert定律)。

通過修正的Beer-Lambert定律,可實現使用NIRS檢測腦組織的血氧參數,腦神經的活躍程度與腦血氧的含量變化程度密切相關。正是因為這種相關性的存在,使得我們可以通過測量局部腦血氧的變化情況來推斷腦神經的活動情況,進而分析人腦在執行任務時各個腦區之間的協同作用。

造成神經血管耦合效應的基本功能單元是神經血管單元。在人腦中,神經元細胞與星形膠質細胞緊密相連,在功能上和血管內皮細胞、血管平滑肌細胞相耦合,以上細胞共同構成一種功能單元,稱為神經血管單元。其主要功能是保持腦內微環境的穩態平衡,防止局部腦組織缺血,以及其他形式的腦損傷。

神經血管耦合主要是指腦皮層神經活動與腦血流(cerebral blood flow,CBF)、血氧響應之間的關系。在外界給予刺激時,與神經元活動有關的突觸釋放引發一系列的信號傳送到附近的血管,導致血管中CBF和血氧信號發生改變。神經血管耦合的定量分析對正常和病理條件下的科學研究也產生重要的影響,正常情況下腦循環調節機制是一個十分復雜的過程,神經活動、膠質細胞、神經遞質、化學分子以及血管中的CBF與血氧,在腦循環中通過一系列的調控完成信息的傳遞。


fNIRS優點

適用范圍廣泛

設備使用方便、易于移動、靈活性強。準備工作簡單,采集裝置易于佩戴,頭型與頭發濃密均不會造成明顯影響。采集過程中不會嚴格限制被試的動作,所以適用范圍廣,從嬰幼兒到老年人都可適用。


運動偽跡不敏感

fNIRS設備對頭部運動不敏感,有多種成熟技術可以識別和有效地糾正運動偽影。適合于在運動任務期間持續高質量采集腦功能信號。


電磁兼容性好

由于光學組件與電磁場幾乎不存在相互干擾,因此fNIRS具有很好的電磁兼容性,適用于多模態成像。可以與腦電、經顱磁刺激、經顱電刺激等手段配合使用。


時空分辨率高

fNIRS測量大腦皮層的血氧情況,厘米級的空間分辨率優于腦電,可以準確定位產生腦部活動的腦區。時間分辨率一般可達到10-100HZ,可實現實時觀察血氧變化的曲線,也方便研究者更好地跟蹤分析數據。



fNIRS應用范圍廣泛

由于fNIRS具有時空分辨率較高、抗干擾能力強、腦功能參數豐富等特點。在近些年得到廣泛關注,已發展成為一種不可或缺的腦功能成像模態,在基礎科研和臨床應用中發揮越來越重要的作用。


科研領域

1.心理學、認知神經科學

fNIRS為知覺、認知、情緒、人格、行為、人際關系、社會關系等提供了全新的研究手段。更低的成本和超高的生態效度,可以更好的滿足科研工作者的使用需求。可實現多臺設備、多個個體的集群成像,使得fNIRS在群體行為神經機制研究中扮演重要的工具角色。


2.運動人體科學

面對運動和自然情境下的腦研究和腦監護,fNIRS由于其原理上的天然優勢,比腦電和功能核磁共振更容易開展。


3.更多拓展中的學科領域

作為較新出現的腦功能成像模態,fNIRS的應用領域也在不斷拓展。如腦機接口、神經營銷、(模擬/真實)駕駛狀態腦監測、神經反饋等領域近幾年不斷有成果產出。


醫療領域

4.精神類和腦功能疾病

fNIRS在抑郁癥、精神分裂癥、多動癥、阿爾茲海默癥等研究與診斷中發揮越來越多的作用。


5.嬰幼兒

由于嬰幼兒的特殊性-難以保持靜止同時無法表達,fMRIEEG等腦成像手段難以在自然狀態下開展工作。fNIRS設備佩戴體驗更佳,不需要被試者太多的配合,對運動也有較強的抗干擾性。為嬰幼兒的監護與診斷提供了新的選擇。


6.腦調控監護和評估

得益于fNIRS對電磁干擾不敏感,fNIRS成為重復經顱磁刺激(rTMS)與經顱直流電刺激(tDCS)等神經調控技術的最佳監控與評估手段。


7.腦功能康復

康復與效果評估通常與大幅度肢體運動、電磁刺激等聯合開展,得益于fNIRS獨特優勢,在中風、腦癱、運動障礙、兒童多動癥、抑郁癥等疾病的康復評估與神經反饋康復治療中發揮越來越大的作用。


fNIRS為腦的研究、診斷、訓練和評估提供了全新的定量手段。相信未來還會在更多的領域與更多的技術結合出新的成果,為更多腦功能技術難題提供新的解決方案。



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