功能性近红外光谱技术用于记录社交互动过程中的大脑活动

摘要

来源： Reindl, V., 等. 使用功能性近红外光谱进行超扫描实验。J. Vis. Exp. (2019)

本视频演示了使用功能性近红外光谱成像技术（fNIRS）在社交互动过程中测量大脑活动的方法。参与者执行一项协调性任务，该任务可增强前额叶皮层的活动——这一脑区对社交行为至关重要，同时系统检测由于血液氧合变化引起的光吸收改变。通过分析参与者之间大脑活动的同步性，该研究评估了社交互动背后的神经动态机制。

方案

所有涉及人类受试者的操作均按照机构、国家及国际层面的人类福祉相关指南进行，并已通过当地机构审查委员会的审核。

1. 受试者到达前的准备工作

1. 准备近红外光谱（NIRS）帽。
   1. 选择与受试者头围相同或略大的帽罩尺寸。
   2. 在每顶原始脑电图（EEG）帽的前额区域切割15个直径约为15 mm的孔，呈3行×5列的水平网格排列。确保各孔之间在任意方向上的间距为30 mm，中间一列的孔位于前额正中央， 即， 鼻梁上方，且底排位于眉毛上方。
   3. 为使帽具更舒适并尽量减少压痕，在探头插孔之间以及边缘处的支架网格内侧粘贴软质泡沫材料（例如，粘性窗户密封胶带或类似的扁平泡沫橡胶材料）。必要时可使用双面胶带或缝纫线固定。
   4. 将一个空的3x5探针支架网格安装到每个改装后的EEG帽上，使支架网格本身位于帽的内侧，支架插孔插入孔洞中。
      注意：近红外光谱测量系统配有两套独立的探头，每位受试者使用一套探头。
   5. 轻轻地将探针插入网格上相应的支架插孔中，使每个探针仅第一个凸缘插入插孔内，插入时会发出一声咔嗒声。
   6. 在近红外光谱测量系统中打开探头组监控窗口，选择两个探头组，每个探头组以 3×5 网格排列，分别用于参与实验的儿童和成人。确保两个帽套上的探头布局与探头组窗口中的布局相对应即， 相应发射探头和接收探头编号的相同位置。
2. 准备实验。
   1. 启动近红外光谱测量系统，并在测量前30分钟打开激光二极管，使系统达到稳定的运行温度。
   2. 在近红外光谱测量系统中设置所有必要选项。确保设备已设定为事件相关测量模式，并启用用于接收来自实验范式的触发信号的RS232串行输入。
      注意： 该实验是对崔氏设计的一种范式的改进版本 等，使用非商业版心理物理学工具箱扩展程序（Psychophysics Toolbox Extensions，版本 3.0.11）编写。
   3. 通过启动作为心理物理学工具箱扩展程序基础的技术计算软件，并将当前目录设置为实验范式所保存的文件夹，来准备实验范式。
   4. 在计算机屏幕前放置两个下巴托，以防止实验过程中头部移动。

2. 受试者到达实验室

1. 准备受试者。
   1. 向参与者展示并讲解实验装置，包括近红外光谱测量系统。务必确保参与者不要直接注视近红外光谱测量系统的激光束，因为这可能对眼睛造成伤害。
   2. 让参与者并排坐在计算机屏幕前。调节下巴托的高度，使两位参与者均能舒适就座。
   3. 指导参与者，并进行合作性与竞争性游戏的练习试验。如有必要，在练习试验期间可补充说明。
   4. 根据10-20系统，在每位受试者头部测量并标记Fpz点，该点位于鼻根点（nasion）与枕外隆凸点（inion）之间距离的10%处。
   5. 将带有探头的帽套小心地戴在受试者头部，此时激光应保持关闭。首先将帽套前部（包括探头网格）置于受试者前额，然后将帽套后部向下拉至颈部方向。确保最底行的中间探头位于Fpz位置，且中间探头列沿矢状参考线对齐。
   6. 将光纤束放置在近红外光谱测量系统附带的支架臂上，使其自然下垂，不与受试者或椅子接触，且不对帽套产生牵拉。使用额外的支架（例如如有需要，为第二位参与者准备一个改良的麦克风支架或类似装置。
   7. 将每个探头进一步推入其插孔，直到探头外壳顶部中央的小白色凸起部分可见为止。
      注意：当探头尖端接触受试者头皮时，鼻部会立即被一个螺旋弹簧装置向上推动。
   8. 再次打开激光，通过点击近红外光谱测量系统探头监测窗口中的“自动增益”按钮来测试信号质量。
   9. 如果某个通道的信号不足（即， 如果标记为黄色），请轻轻将头发拨到周围探头尖端的下方。如有必要，可将探头进一步推入其插孔，但需确保受试者的舒适度。检查信号质量是否有所改善（即， 再次点击自动增益按钮，该通道现在将以绿色标记。
   10. 如果步骤 2.1.9 未能改善信号，应调整信号强度。若信号过强（即， 如果通道显示为红色），则通过反复点击近红外光谱测量系统探头集监控窗口中相应探头的符号，将信号强度调整为低信号强度。如果信号不足（即， 如果通道显示为黄色，则通过反复点击相应探针的符号，将信号强度调整为高信号强度。
2. 运行实验
   1. 当练习试验结束后无问题且信号质量良好时，开始实验范式。
   2. 用毛巾盖住参与者的双手，使其无法看到各自游戏伙伴的手部动作。
   3. 实验结束后，保存数据，并通过点击“Text File Out”按钮将原始光强度数据导出为文本文件。在近红外光谱测量系统中不要应用任何滤波器。
   4. 用乙醇清洁所有必要的器材（探头、探头架、下颌托）。用温和的洗涤剂以轻柔模式清洗托帽。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
配备探头组和探头固定网格的近红外光谱测量系统	Hitachi Medical Corporation, 东京, 日本	ETG-4000 光学成像系统	本研究方案需额外配备一套成人探头组，以实现总共52个通道的测量，以及两个3x5探头固定网格。
原始脑电帽	EASYCAP GmbH, Herrsching, 德国	C-SCMS-56; C-SCMS-58	实验人员需在脑电帽上为近红外探头预留孔位。应选择与受试者头围相同或略大的尺寸。
技术计算软件	The MathWorks, Inc., Natick, MA	MATLAB R2014a（或更高版本）	作为Psychophysics Toolbox扩展程序（刺激呈现）、SPM for fNIRS工具箱（fNIRS数据分析）和ASToolbox（WTC计算）的基础平台。