本文介绍了一种用于功能性近红外光谱成像（fNIRS）的数据采集与分析方法。fNIRS 是一种新兴的无创脑成像技术，广泛应用于认知神经科学领域，尤其适用于儿童大脑发育的研究。该方法为数据获取与分析提供了通用标准，对数据解读和科学发现至关重要。
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摘要
摘要
目前，全球范围内正在开展大量功能性近红外光谱成像（fNIRS）研究，探索大脑皮层激活与高级认知过程（如语言1,2,3,4,5,6,7,8,9,10、记忆11和注意12）之间的关系，研究对象涵盖具有典型和非典型认知特征的成人、儿童及婴儿3,4,13,14,15,16,17,18,1920,21,22。当前将fNIRS应用于认知神经科学所面临的主要挑战在于，实现数据的系统性分析，以确保结果具有普遍可解释性23,24,25,26，从而推动关于人类高级认知功能组织模式及其神经机制的重要科学问题的深入研究。
现有的神经影像技术在时间分辨率或空间分辨率方面均存在不足。事件相关电位和脑磁图（ERP和MEG）具有优异的时间分辨率，而正电子发射断层扫描和功能性磁共振成像（PET和fMRI）则具有更优的空间分辨率。功能性近红外光谱成像（fNIRS）利用近红外波段（700–1000 nm）的非电离光，其中氧合血红蛋白在680 nm处被优先吸收，脱氧血红蛋白在830 nm处被优先吸收（例如，此处所示的fNIRS Hitachi ETG-400系统正是内置了这些特定波长），因此特别适用于高级认知功能的研究。fNIRS兼具良好的时间分辨率（约5秒）和空间分辨率（约4厘米深度），无需使用辐射，且不要求受试者处于封闭结构中27,28。受试者可在普通座椅上舒适地坐着（成人、儿童），甚至可坐在母亲膝上（婴儿），同时对其大脑皮层活动进行检测。值得注意的是，NIRS设备具有独特的便携性（大小相当于台式计算机）、几乎无噪音，且可容忍受试者的轻微动作。这一特性在人类语言的神经科学研究中尤为突出，因为语言研究的关键组成部分必然包括言语产生时的口部运动或手语中的手部动作。
血流动力学反应的定位方式是通过一组激光发射器和探测器实现的。发射器发射已知强度的非电离光，而探测器则检测从皮层表面反射回来的光量。光学探头之间的距离越近，空间分辨率越高；而光学探头之间距离越远，则穿透深度越大。对于fNIRS Hitachi ETG-4000系统，为达到最佳的穿透深度与分辨率，光学探头阵列的间距设置为2 cm。
我们的目标是展示我们获取和分析功能性近红外光谱（fNIRS）数据的方法，以帮助标准化该领域，并使全球不同的fNIRS实验室具备共同的研究基础。
方案
第1部分：受试者到达实验室前的准备工作
- 确保实验室内无多余物品，以免分散参与者的注意力。
- 在 fNIRS Hitachi ETG-4000 系统上设置并加载实验方案。
- 设置实验范式。实验范式可使用不同的呈现软件进行编程，包括 Eprime、Presentation、Psyscope 或基于 Matlab 的心理学工具箱。本文中我们使用基于 Matlab 的心理学工具箱。
- 时间同步对于数据分析至关重要，因此实验范式必须与数据采集精确同步。fNIRS Hitachi ETG-4000 具备触发功能，可实现实验范式触发数据采集，或反之。请测试从 fNIRS Hitachi ETG-4000 向呈现程序发送触发信号。触发可通过并行端口、串行端口或 USB 端口实现。本文中我们展示通过并行端口进行触发。
- 在开始 fNIRS 研究之前，必须对参与者进行背景筛查。在 Petitto 实验室，我们通过让参与者或其家长填写适合研究的标准化问卷来完成背景筛查29。
参与者到达
- 必须以专业的方式进行实验并对待受试者。在实验开始前，受试者或其父母/法定监护人必须签署知情同意书。必须感谢受试者花费时间参与这些重要而富有意义的实验。
- 让受试者舒适地坐在近红外光谱（fNIRS）测试室附近。婴儿受试者可坐在父母的膝上。
第二部分：放置光学探头并使用10-20系统
实现数据一致解读的分析方法中的另一个组成部分是fNIRS记录方案的标准化。这包括探头放置、受试者体位以及刺激呈现软件的触发。通过使用10–20系统3,4,30，可实现探头在神经解剖学上的准确定位，并确认感兴趣区域（ROIs）。此外，通过将Polhemus Fast trak系统的三维追踪信息叠加到受试者的解剖MRI共配准扫描图像上，进一步验证了探头阵列的立体定位，其中在每个探头位置均放置了维生素E胶囊3,4。最佳的受试者体位是让受试者舒适地坐在可调节倾斜角度的椅子上，光纤松垂悬挂，不与身体或椅子接触。
- 使用卷尺测量以下头部尺寸，并将数据记录在参与者的数据表上：
- 鼻根点至枕外隆凸绕头周长
- 鼻根点至枕外隆凸经头顶长度
- 耳至耳经头顶宽度
- 可使用医用胶带标记特定目标位置。在本实验中，我们将标记 Fp、T3/T4、F8/F7 位置
- 根据实验目的，将探头阵列放置在参与者头部，并将特定探头固定于国际 10-20 系统的相应位置。
第4部分：测试Optode阵列
- 日立ETG-4000图形用户界面（GUI）介绍及探头测试。
- 信号检测：将光极放置于受试者头皮后，需检测信号质量。若某光极信号不清晰，研究人员应轻轻拨开光极与头皮接触处的头发。必要时可用酒精棉片擦拭光极。
第5部分：运行实验。
- 实验过程中必须始终有至少两名实验人员在场；一人观察 fNIRS Hitachi ETG-4000 的实时读数，另一人观察受试者。强烈建议使用对准受试者的视频摄像机，以便进行事后观察。fNIRS Hitachi ETG-4000 的优势在于视频与 fNIRS 信号可实现同步和共注册。需保存包含所有相关信息及生成文件的日志。
- 构建实验性血流动力学范式已有成熟方法，主要包括区组设计（Block design）和事件相关设计（Event-related designs）。如需更全面的描述，请参见近期的综述论文31。
第6部分：分析
所有数据采集完毕后，向参与者致谢其付出的时间和参与意愿，并让其离开实验室。由于分析不在 fNIRS Hitachi ETG-4000 上进行，而是将数据导出至分析计算机进行处理。
- 从 μV 转换为血红蛋白浓度。由于原始衰减值是以激光强度的衰减（以 μV 为单位测量）形式采集的，因此必须将这些值转换为含氧和脱氧血红蛋白的浓度值。该转换通过使用修正的比尔-朗伯方程实现。
- 修正的比尔-朗伯方程的应用分为两个步骤。在假设散射在整个光程中保持恒定的前提下，首先通过比较任务期间的光强光学密度（Itask）与信号的计算基线（Ibaseline），计算每个波长的衰减量（ΔAλ(t)）。然后利用每个波长和采样时间点（t）的 ΔA 值求解修正的比尔-朗伯方程。
公式 1 
公式 2 
λ1∈deoxy、λ1∈oxy、λ2∈deoxy 和 λ2∈oxy 是消光系数的常数，用于测量光在组织中单位浓度和距离下因吸收而损失的比例。由此得到的 Cdeoxy 和 Coxy 值分别表示每个 t 时刻脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白的浓度。
第7部分：代表性结果
典型的血流动力学反应具有若干明显特征。在氧合血红蛋白反应中，首先会出现一个特征性的下降。当神经元区域被激活并消耗可用氧气时，便会发生这一下降。随着血流量增加，携带氧合血红蛋白，氧合血红蛋白反应迅速上升，超过初始基线水平，达到稳态水平。当该区域不再被激活时，氧合血红蛋白反应在接下来的12至15秒内逐渐衰减，并缓慢回落至基线水平。在血流动力学反应恢复到初始基线水平之前，有时会出现一个低于基线的反冲。
结果不佳通常表现为探测器未在头皮上正确就位或存在过度移动。这类噪声被称为“Flatling”，在信号中表现为微伏值达到饱和，多个不同通道的含氧和脱氧血红蛋白反应以协调的方式同步变化。
演示：摇动光纤。
统计分析：可对每位参与者在每项任务中每个通道提取出的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白数值进行常规统计分析，包括t检验、方差分析（ANOVA）、相关性分析等。
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讨论
本研究展示了利用一种新型的非侵入性功能性近红外光谱（fNIRS）脑成像技术，研究人类大脑功能与认知及感知之间的关系。fNIRS脑成像技术可能代表了非侵入性脑成像的未来发展方向，尤其适用于婴儿和儿童群体，未来有望广泛应用于科研实验室、医生诊所及学校系统中，使临床医生能够将有关大脑的基础科学发现应用于临床实践。
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作获得了对 L.A.P.（项目负责人）的资助：
美国国立卫生研究院 R21 HD50558 项目，授予时间 2005–07；美国
美国卫生研究所 R01 HD045822，授予时间 2004-09；丹娜基金会资助，
2004-06年获得；加拿大创新基金会（“CFI”资助），已获资助
2008–2012年；安大略研究基金拨款，2008–2012年授予。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| ETG-4000 | Hitachi | ||
| Matlab | Mathworks | 心理学工具箱 |
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重印与许可
