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0431-81702023
光学工程
解析近红外光学成像在发展心理学研究中的运用
从第一次近红外光学成像运用于婴儿的脑功能成像研究到现在已经有十多年了。未来10年NIRS不断的改良和应用将会对我们了解发展的大脑做出重大的贡献。我们相信fNIRS会在我们现在对于发展的大脑的皮层活动的了解与成 人大脑功能之间架起一个重要的桥梁。同时,现在的大量的前言语阶段婴儿行为研究绝大多数应用的是注视时间范式,很大一部分发展的认知神经研究的水平还比较低。fNIRS允许我们解释在人类早期发展中皮层活动定位和行为反应之间的关系。此外,NIRS系统并不昂贵,也还比较便携,能够允许婴儿坐在父母的膝上一定程度的活动,而且更重要的是血液动力学的空间定位结果可以跟成 人的脑功能fMRI数据进行比较。fNIRS是理想的研究婴儿的工具。
  神经活动产生于神经元细胞的电传导活动。在神经元活动的新陈代谢中,神经元细胞会发生一些改变,氧消耗会显著的增加,附进的脑血流量和氧提供也会增加。一个典型的成 人皮层神经活动的血液动力学反应是血流中的含氧血红蛋白的增加和一个不那么显著的去氧血红蛋白的减少,这些导致了血流中总血红蛋白的增加。神经影像学方法分为两种:一种是脑活动直接激活的观察(EEG、MEG);另一种是随之发生的血液动力学反应(PET、fMRI、fNIRS)。
  这些技术都是建立在成年被试身上的,运用于婴儿被试要么是有一些严格的限制因素,要么干脆就不能够运用,也有一些运用这些技术研究婴儿的文章公开发表过,①但是这些研究一般都是限制在睡着的、昏昏欲睡的年幼婴儿被试身上。许多年来,研究清醒婴儿的脑功能成像的首要选择是EEG,这是一种非介入式的技术,拥有很高的时间分辨率,但是空间分辨率非常低。fNIRS的出现提供了研究婴儿脑功能成像的一种新的选择。
  运用NIRS研究婴儿的脑功能活动是一个增长很快的领域。自1998年以来论文的数量每年以5倍于上年的速度增长。但是早期的fNIRS研究关注的是对于基本刺激的大脑皮层的激活区域,如语音知觉的听觉区,或者是高频闪光的视觉区,直到最近以来,研究者们才开始关注对一些复杂刺激的多种脑区的的激活。此外,越来越多的研究者开始关注清醒婴儿的编码问题,如客体加工、社会交往、生物运动加工、运动观察、人脸加工。在这些研究中,fNIRS被用来定位一些特殊皮层的血液动力学反应,如颞上沟(注视、生物运动加工),眶额皮层(母亲面孔、情绪感知),感觉运动区(动作观察),前额皮质(客体永恒性),枕颞皮层(动态对象)。定位激活的皮层区域,允许被试轻微运动,这是用fNIRS研究人类早期发展的大脑最显著的特点。
  1 近红外光学成像:基本原则和方法
  这项光学技术中,光线从发射器中发射出来,经过皮肤、颅骨、下面的脑组织反射回接收器。②光线(波长在650nm-1000nm)的衰减即取决于组织对光线的吸收,也取决于光的散射效应。此外,含氧血红蛋白和去氧血红蛋白对于近红外光线的吸收有不同的特性,这样,血氧水平就可以被测量了。假设散射是恒定的,那么测量出来的近红外光线衰减的改变值就能够用来计算含氧血红蛋白(HbO2)、去氧血红蛋白(HHb)、总血红蛋白(HbT=HbO2+HHb)的值了。了解完组织中的光学路径,HbO2、 HHb 、HbT可以用molar为单位表达出来。这种血氧蛋白的改变可以用来标记大脑血流的变化,因此它可以为研究脑功能提供一个新方法。③
  先前的研究指出,NIRS得到的血液动力学参数和fMRI得到的BOLD(血氧依赖水平)是相似的。值得注意的是,不同于fMRI的BOLD数据,fNIRS可以分别测量HbO2和HHb的浓度数据。
  2 婴儿fNIRS研究的发展和应用
  婴儿fNIRS研究相对于以成 人为被试的研究会有更高的剔除率。剔除的这部分其中大概有40%是不符合要求的数据。这很大一部分可以归因于设计这样一个方法是困难的,它要求将一个复合的发射-接收器探头戴到婴儿头上,并且要既有效又舒适。因此,很多的时间跟精力被
  用在改进NIRS上,为使它成为婴儿研究的有效工具。一个能够用于婴儿研究的NIRS头套要求是它必须舒适,轻巧,能够在很短的时间内安置完毕,必须提供在每一个通道提供稳定的光学测量数据。不像成 人实验那样,在婴儿头上停止实验调整头套,然后再开始实验是不可能的。头套必须能够稳固的固定在头上,婴儿任何的移动都不会改变发射-接收器束带的位置,这样可以排除光学信号中的运动伪迹。头套上一系列的通道必须被一个半刚性的结构包围,还要有一些柔韧性使之能够贴合头部,同时,每个发射器和接收器之间还要维持一个固定的间隔距离。脆弱的光纤从头套出来的时候要远离婴儿的面部和他能够用手够到的距离。在戴头套的过程中,婴儿不能过分的捣乱(这会导致他们不想开始实验),在记录数据的过程中,头套不能显眼,以避免婴儿在实验的过程中分心。
  在未来,fNIRS一个可能的研究领域是调查个体间的差异,举个例子来说,它也许可以帮助确诊婴儿身上一些典型和非典型的症状,看他是否有可能患上孤独症这种发展异常的疾病,从而对诊断和治疗提供一些贡献。这种临床研究的样本量通常会很小,因此头套的最优化设计就显得尤为重要,这样才能得到完整的光学数据,并且使剔除的数据尽量变得更少。
  参考文献
  [1] Imada, T., Zhang, Y., Cheour,M., Taulu, S., Ahonen, A., Kuhl, P.K., 2006. Infant speech perception activates Broca’s area: a developmental magnetoencephalography study. Neuroreport 17:957–962.
  [2] Elwell, C.E., 1995. A Practical Users Guide to Near Infrared Spectroscopy. Hamma-matsu Photonics, UK.
  [3] Delpy, D.T., Cope, M., 1997. Quanti?cation in tissue near-infrared spectroscopy.Philos. Trans. R. Soc. Lond. B: Biol. Sci. 352,649–659.

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