近紅外腦功能成像（fNIRS） 在腦認(rèn)知科學(xué)研究中的運(yùn)用

由于 fNIRS 作為一種便攜，無創(chuàng)傷的腦成像技術(shù)，有較好的時(shí)間分辨率和空間分辨率，因此該技術(shù)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于心理學(xué)研究中。其中主要包括對視覺、情緒、注意、記憶，執(zhí)行功能等的神經(jīng)機(jī)制的探索。

1. fNIRS 在基礎(chǔ)心理學(xué)中的運(yùn)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(yīng)用，有 60 余篇公開發(fā)表的研究成果，這些研究分別與腦部經(jīng)典言語區(qū)相關(guān)。fNIRS 的無創(chuàng)傷性、較高的時(shí)間分辨率和空間分辨率以及對被試動(dòng)作的高容忍度，使其成為了言語成像領(lǐng)域的優(yōu)勢技術(shù)。¹1998 年第一次用商用 fNIRS 系統(tǒng)證實(shí)了布洛卡區(qū)在言語過程中的活動(dòng) (Watanabe et al., 1998)。后來研究中用不同的近紅外設(shè)備均能觀察到小 孩、成人以及嬰兒的大腦經(jīng)典言語區(qū)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(shí)了一些重要的爭論，如多通道感知覺的發(fā)展，聽說模式形成的潛在機(jī)制，語言習(xí)得的大腦機(jī)制，以及說話和音樂反應(yīng)的大腦單側(cè)化優(yōu)勢發(fā)展。 

相比于腦電需要導(dǎo)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(chǎn)生較大頭動(dòng)和身體移動(dòng)的情況，近紅外由于其獨(dú)特的測量技術(shù)和手段， 其具有便攜，抗運(yùn)動(dòng)偽跡干擾，舒適等特點(diǎn)，使得近紅外設(shè)備可以應(yīng)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(yàn)并在根本上避免了只能在睡眠狀態(tài)下測量嬰幼兒認(rèn)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(fā)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(dǎo)作用。然而，在發(fā)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(xué)張丹丹老師及其同事使用了功能性近紅外光譜技術(shù)來檢測新生兒的大腦活動(dòng)，實(shí)驗(yàn)時(shí)讓被試被動(dòng)收聽恐懼、憤怒、快樂和中性的語音韻律。結(jié)果發(fā)現(xiàn), 相對于中性情感韻律，恐懼、憤怒、快樂韻律下，右側(cè)顳葉皮層(主要位于顳中回和顳上回)表現(xiàn)出增強(qiáng)的血流動(dòng)力學(xué)響應(yīng), 相對于快樂和中性韻律，右頂葉區(qū)域(大約位于緣上回)表現(xiàn)出對恐懼的高度敏感，而相對應(yīng)的左半球則沒有差異。這些發(fā)現(xiàn)反映了右半腦在新生兒對情感韻律的加工中至關(guān)重要。²

2. fNIRS 在發(fā)展心理學(xué)研究中的運(yùn)用—ex：能力測量 

fNIRS 具有無創(chuàng)性、便攜性的特點(diǎn)，因此 fNIRS 首先被廣泛運(yùn)用于兒科臨床中, 以監(jiān)測高危早產(chǎn)兒童的腦部血氧狀況, 監(jiān)測新生兒的發(fā)展?fàn)顩r。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(jìn)行腦功能成像的研究往往較為困難，導(dǎo)致以兒童尤其是嬰幼兒為對象的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究較少近年來, 隨著 fNIRS 在幼兒神經(jīng)機(jī)制研究中的應(yīng)用。人們將對神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育生長最快的時(shí)期——嬰幼兒階段的人類大腦發(fā)展機(jī)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(rèn)知功能的比較以及認(rèn)知老化的腦功能研究。 

例如一項(xiàng)發(fā)展性閱讀障礙的研究。發(fā)展性閱讀障礙是指兒童智力正常，并且享有均等的教育機(jī)會(huì)，但是閱讀成績顯著落后于其年齡所應(yīng)達(dá)到水平的一種學(xué)習(xí)障礙現(xiàn)象。針對其它功能監(jiān)測技術(shù)對閱讀障礙患者大腦功能進(jìn)行監(jiān)測所得到的不同結(jié)果，設(shè)計(jì)了合適的實(shí)驗(yàn)范式對漢語兒童閱讀障礙患者在進(jìn)行漢字語音和語義加工時(shí)的大腦皮層活動(dòng)進(jìn)行研究，結(jié)果顯示漢語兒童閱讀障礙患者左前額葉大腦皮層活動(dòng)異常，為閱讀障礙的神經(jīng)生理學(xué)研究提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù)。 

圖2 能力測量（GO/NOGO 范式） 

另外一項(xiàng)例子是關(guān)于反應(yīng)抑制能力的，即廣泛使用的 GO/NOGO 范式所進(jìn)行的測量，反應(yīng)抑制，是執(zhí)行功能的一個(gè)重要成份，對做出正確行為的決策，以適應(yīng)任務(wù)變化的要求有重要作用，其功能發(fā)展于兒童早期。行為數(shù)據(jù)表明，到 3 歲時(shí)，孩子已經(jīng)基本掌握評(píng)估響應(yīng)抑制任務(wù)的要求，但要直到 7 歲左右才能表現(xiàn)出能力提高。但是，在這發(fā)育過程中改變的神經(jīng)機(jī)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(yīng)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(xiàn)。我們發(fā)現(xiàn)與成人相比，兒童與抑制相關(guān)的右側(cè)額頂--前額葉激活減少。相反，運(yùn)動(dòng)相關(guān)的激活在年齡組之間沒有差異。我們的研究結(jié)果表明，在 4-6 歲年齡的兒童中，額頂腦成熟在抑制反應(yīng)的認(rèn)知發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用。³

3 fNIRS 在靜息態(tài)及常規(guī)腦科學(xué)中的運(yùn)用 

近年來，fNIRS 也被很好的運(yùn)用于新興熱門認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究中，如靜息狀態(tài)下的腦功能連接。靜息狀態(tài)是指被試者保持清醒、不接收任何外部刺激或執(zhí)行任何高級(jí)功能的狀態(tài)。近年來,人們越來越重視靜息態(tài)下的腦功能研究。靜息狀態(tài)下的腦功能連接是指檢測休息狀態(tài)下的自發(fā)性腦血液動(dòng)力學(xué)波動(dòng)，這能反應(yīng)神經(jīng)元的活動(dòng)。最近的一項(xiàng) fNIRS 研究探索了在靜息狀態(tài)下全腦的血液動(dòng)力學(xué)信號(hào)的時(shí)空關(guān)聯(lián)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在被試大腦中存在一致的區(qū)域之間的互動(dòng)。尤其是感覺運(yùn)動(dòng)皮層和視覺皮層展現(xiàn)了很強(qiáng)的半球內(nèi)相關(guān)。同時(shí)前額葉的活動(dòng)情況呈現(xiàn)很強(qiáng)的多樣化。另一項(xiàng)研究則證明了在感覺運(yùn)動(dòng)區(qū)域基于 fNIRS 的靜息狀態(tài)下腦功能連接的重測穩(wěn)定性。⁴

對于常規(guī)近紅外腦科學(xué)研究，如利用近紅外進(jìn)行兒童說謊、認(rèn)知狀態(tài)、情緒、發(fā)展?fàn)顟B(tài)等研究也越來越多。如使用近紅外測量兒童在進(jìn)行傾聽故事和移情之間的腦區(qū)域激活，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兒童在傾聽故事后發(fā)生移情并引起了內(nèi)側(cè)和雙側(cè)眶額葉皮層（OFC）激活。⁵

4 fNIRS 在自然情景認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)中的運(yùn)用 

因?yàn)槌上窦夹g(shù)本身的特點(diǎn),大部分都是在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行的,對實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有較高的要求,而且對被試的頭部運(yùn)動(dòng)有較為嚴(yán)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(jí)認(rèn)知過程的神經(jīng)機(jī)制, 實(shí)驗(yàn)室的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究結(jié)果具有較高的內(nèi)部效度，但是缺乏較高的生態(tài)效度，用以推論和解釋人們?nèi)粘Ｉ钪械男袨橛欣щy。而在 fNIRS 的研究中，因?yàn)轱B骨對光的散射系數(shù)被認(rèn)為是恒定的, 因此 fNIRS 對被試實(shí)驗(yàn)過程中的動(dòng)作不是特別敏感，故而適合需要?jiǎng)幼鞯恼J(rèn)知過程的神經(jīng)機(jī)制研究。

近年來,研究者采用 fNIRS 研究倫敦塔任務(wù)、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(yōu)良特性，該技術(shù)也越來越被廣泛地應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)神經(jīng)科學(xué)中，研究相對集中于抗阻訓(xùn)練、運(yùn)動(dòng)疲勞和運(yùn)動(dòng)認(rèn)知研究三個(gè)主要方面?？疾爝\(yùn)動(dòng)中大腦皮層的血液動(dòng)力學(xué)特征，有助于揭示運(yùn)動(dòng)中大腦皮層的功能性激活與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系及其機(jī)制，為運(yùn)動(dòng)人群腦功能的檢測、評(píng)價(jià)和調(diào)控提供客觀性指標(biāo)，為科學(xué)地制定鍛煉或訓(xùn)練計(jì)劃、合理安排鍛煉強(qiáng)度和提高鍛煉效果提供實(shí)證依據(jù)。⁷

一項(xiàng)力竭研究發(fā)現(xiàn)，隨著運(yùn)動(dòng)負(fù)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(yùn)動(dòng)強(qiáng)度引發(fā)高強(qiáng)度的局部腦區(qū)神經(jīng)激活，此時(shí)能量需求超過能量供給。因此在力竭運(yùn)動(dòng)中，被激活的腦區(qū)會(huì)發(fā)生能量供求之間的不平衡。⁸

圖 5-3

參考文獻(xiàn)：

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