Name: 近红外光谱技术在婴儿，儿童及成人的认知功能探索 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2009-07-28T16:25:00.000+00:00
Duration: 12 min 40 s
Description: 了解功能性近红外光谱技术用于认知神经科学研究，通过监测脑血流和血氧变化来测量神经活动。该方法适用于婴儿、儿童及成人的大脑发育研究，为数据采集与分析提供标准化流程。

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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。

第1部分：受试者到达实验室前的准备工作
<ol>
<li>确保实验室内无多余物品，以免分散参与者的注意力。</li>
<li>在 fNIRS Hitachi ETG-4000 系统上设置并加载实验方案。</li>
<li>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。</li>
<li>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。</li>
<li>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。</li>
</ol>
参与者到达
<ol start="6">
<li>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。</li>
<li>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。</li>
</ol>
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。
<ol>
<li>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：
<ul>
<li>鼻根点至枕外隆凸绕头周长</li>
<li>鼻根点至枕外隆凸经头顶长度</li>
<li>耳至耳经头顶宽度</li>
</ul>
</li>
<li>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</li>
<li>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。</li>
</ol>
第4部分：测试Optode阵列
<ol>
<li>日立ETG-4000图形用户界面（GUI）介绍及探头测试。</li>
<li>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。</li>
</ol>
第5部分：运行实验。
<ol>
<li>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。</li>
<li>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。</li>
</ol>
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。
<ol>
<li>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。</li>
<li>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。
<table border="0">
<tbody>
<tr>
<td>公式 1<img style="float:left;" src="/files/ftp_upload/1268/eq1.jpg" alt="瞬态吸收分析中使用的光学密度变化公式 ΔAλ(t)=log₁₀(Itask/Ibaseline)。" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="equation 1"></td>
<td>公式 2<img style="float:left;" src="/files/ftp_upload/1268/eq2.jpg" alt="瞬态吸收光谱分析中的静态平衡矩阵方程示意图。" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="equation 2"></td>
</tr>
</tbody>
</table>
</li>
</ol>
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。

<ol><li>Quaresima, V. J. Biomed. Opt. 10, 11012-11012 (2005).</li>
<li>Watanabe, E. Neurosci. Lett. 256, 49-52 (1998).</li>
<li>Kovelman, I. NeuroImage. 39, 1457-1471 (2008).</li>
<li>Kovelman, I. Brain and Language. , (2008).</li>
<li>Bortfeld, H. Developmental Neuropsychology. 34, 52-65 (2009).</li>
<li>Petitto, L. A. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aPetitto%2C+LA+%22The+Cambridge+Companion+to+Chomsky%22">The Cambridge Companion to Chomsky</a>. , Cambridge University Press. England. (2005).</li>
<li>Berens, M. S. Society for Research in Child Development, , (2009).</li>
<li>White, K. S. Cognitive Neuroscience Society Annual Meeting, , (2008).</li>
<li>Dubins, M. Cognitive Neuroscience Conference, , (2009).</li>
<li>Dubins, M. H. Society for Research in Child Development. , (2009).</li>
<li>Dubins, M. H. NeuroImage. , (2009).</li>
<li>Ehlis, A. C. J. Biol. Psychol. 69, 315-331 (2005).</li>
<li>Petitto, L. A. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aPetitto%2C+LA+%22The+Educated+Brain%22">The Educated Brain</a>. Fischer, K., Battro, A. , Cambridge University Press. England. (2008).</li>
<li>Pena, M. Proc Natl. Acad. Sci. U. S. A.. 100, 11702-11705 (2003).</li>
<li>Baird, A. A. NeuroImage. 16, 1120-1125 (2002).</li>
<li>Taga, G. Proc. Nat.l Acad. Sci. U. S. A. 100, 10722-10727 (2003).</li>
<li>Wilcox, T. Dev. Science. 11, 361-370 (2008).</li>
<li>Otsuka, Y. NeuroImage. 34, 399-406 (2007).</li>
<li>Watanabe, H. NeuroImage. 43, 346-357 (2008).</li>
<li>Kameyama, M. NeuroImage. 29, 172-184 (2006).</li>
<li>Arai, H. Brain. Cogn.. 61, 189-194 (2006).</li>
<li>Grignon, S. Cognitive and Behavioral Neurology. 21, 41-45 (2008).</li>
<li>Boas, D. A. Neuroimage. 23, S275-S288 (2004).</li>
<li>Aslin, R. N., Mehler, J. J. of Biomed. Opt.. , 1-3 (2005).</li>
<li>Plichta, M. M. NeuroImage. 35, 625-634 (2007).</li>
<li>Schroeter, M. L. NeuroImage. 21, 283-290 (2004).</li>
<li>Jobsis, F. F. Science. 198, 1264-1267 (1977).</li>
<li>Villringer, A., Chance, B. Trends Neurosci. 20, 435-442 (1997).</li>
<li>Kovelman, I. Bilingualism: Language & Cognition. 11, 203-223 (2008).</li>
<li>Jasper, H. Electroenceph. Clin. Neurophysiol. 10, 370-371 (1958).</li>
<li>Amaro, E. Brain Cogn. 60, 220-232 (2006).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

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。

<table><tbody><tr><td>ETG-4000</td><td>Hitachi</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Matlab</td><td>Mathworks</td><td></td><td>心理学工具箱</td></tr></tbody></table>

利用近红外光谱技术探究婴儿、儿童及成人的认知功能

Exploring Cognitive Functions in Babies, Children &amp; Adults with Near Infrared Spectroscopy

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。

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。

功能性近红外光谱成像（fNIRS）研究的迅速发展，致力于探究皮层激活与高级认知过程（如……）之间的关系。

功能近红外光谱成像（functional near infrared spectroscopy）或 fNIRS 是一种通过将放置在受试者头部的近红外激光光源-探测器对（即光学探头，optodes）来测量与大脑神经活动相关的血流动力学反应的方法。当特定脑区的神经元活动增强时，其耗氧量也随之增加，进而促使更多血液流入该活跃脑区。由于含氧血与脱氧血具有不同的光学吸收特性，放置在颅骨外侧的光学探头可监测这些细微变化。这些变化与大脑的底层活动相关，而光源与探测器之间光子的概率分布呈香蕉形状。光源与探测器之间的距离越近，空间分辨率越高；距离越远，则穿透深度越大。大家好，我是来自多伦多大学心理学系Laura Ann Petito教授的认知神经科学与护士脑成像实验室以及Gene语言、双语与儿童发展实验室的Yuli Coman。大家好，我是Laura Ann Petito博士。今天，Petito博士、Mark Linsky、Melody Barens和我将共同演示使用功能性近红外光谱技术进行数据采集与分析的方法。我们在实验室中采用此方法来研究婴儿、儿童和成人的语言与大脑发育。现在让我们开始。在参与者到达之前，准备好将用于研究的房间。移除可能对受试者造成干扰的无关物品。房间准备就绪后，在F Ns 日立ETG 4,000系统上设置并加载实验方案，该系统类似于功能性磁共振成像（FMRI），用于评估血流动力学反应。也就是说，它能够评估与当前任务相关脑区的血流情况。与功能性磁共振成像（fMRI）相比，功能性近红外光谱技术（fNIRS）具有诸多优势。例如，该技术安静、便携，且无需将受试者限制在狭窄的管道内。重要的是，该系统使我们能够观察清醒且处于自然行为状态的婴儿和幼儿。F N 的时间分辨率与功能性磁共振成像（FMRI）相当，且其采样率更高。Hitachi ETG 4000 以每秒 10 次的频率进行采样。因此，f nears 是通过血流动力学反应测量脑活动的最佳方法。实验范式可使用不同的呈现软件进行编程，但在本研究中我们将使用 ePrime。由于时间精度对数据分析至关重要，实验范式必须做到精确计时。在数据采集过程中，EF 护士 Hitachi ETG 4,000 系统具备触发功能，可实现实验范式触发数据采集，或由数据采集触发实验范式。本文将展示如何通过并行端口进行触发。此外，也可使用串行端口或 USB 端口来测试由 F Ners Hitachi ETG 4,000 系统对呈现程序进行触发。测试完成后，即可准备迎接受试者的到来。在实验开始之前，受试者本人、其父母或法定监护人必须签署知情同意书。随后进行语言评估测试。签署知情同意书后，让受试者坐在F NS测试系统附近。受试者的体位对于标准化F Ns记录流程至关重要。为了确保数据解读的一致性，最佳体位是让成年受试者或年龄较大的儿童舒适地坐在椅子上。婴儿和幼儿最好坐在母亲的腿上。就位后，即可进行光刺激器的放置。准确的光刺激器放置对于标准化F Ns记录方案而言，与受试者的体位同样重要。为了准确定位探针的神经解剖位置并确认目标区域，我们采用国际10-20系统进行电极放置，并将演示适用于成人的操作流程。相同的流程适用于所有年龄段，包括婴儿、儿童和成人。开始时，使用卷尺进行以下头部测量，并将结果记录在受试者的数据表上。首先，测量并记录鼻根点至枕外隆突的距离。接着，测量并记录头顶正中线上自耳廓至对侧耳廓的距离。此后进行测量并记录，可使用手术胶带标记特定目标位置。在本实验中，我们将标记 FPz、T3、T4 以及 F8、F7 位置。最后，根据实验目的，将光学阵列放置在受试者头部的特定位置，并通过10-20系统定位点进行固定，目前这些位置已用外科胶带标出。确保光纤松垂悬挂，不与受试者身体或座椅发生接触。在对儿童和婴儿进行操作时，建议播放卡通片，并安排额外人员以安抚和吸引儿童注意力。在探头放置过程中，务必拍摄探头位置的数码照片，以便进一步验证探头在受试者颅骨上的立体定位。通过Polhemus Fast Trak系统获取受试者的三维追踪信息，并将其叠加到受试者的解剖MRI共配准扫描图像上，该MRI扫描时在每个探头位置均放置了维生素E胶囊作为标记。一旦将光学探头放置于受试者头皮上，即进行信号质量测试。如果光学传感器信号不清晰，例如出现平直线，则表明光学传感器与头皮连接不良。可轻轻清除光学传感器与头皮接触处的毛发。必要时，可用酒精棉片擦拭光学传感器。在确认所有光遗传设备信号清晰后，实验开始。至少需要两名实验人员在测试过程中始终在场。一个用于观察日立ETG-4000的F近红外实时读数，另一个用于观察受试者。我们强烈建议使用摄像机对准受试者，以便在实验后进行行为观察。在本实验中，您将听到声音“ba”和“da”。因此，每次你听到“da”时，请用食指按下这个按钮。ba BB da BB。好的。你将注视屏幕，并看到一些词语。其中一些是真实存在的词，而另一些则是虚构的词，你只需朗读出所看到的词即可。明白了吗？好的。现在我将开始：When Zero away shade cold。一项 fMRI 研究可采用视觉或听觉实验范式。该系统完全静音，因此非常适用于听觉实验。受试者应保持头部和躯干静止，但这并不妨碍其进行口头或手动反应。所有数据采集完毕后，将光学探头从受试者身上移除。感谢参与者所付出的时间及其参与意愿，随后参与者离开实验室。由Hitachi ETG 4,000采集的数据被导出至另一台计算机进行数据分析。Hitachi ETG 4,000通过测量近红外光的散射和吸收情况，计算氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白浓度的变化，以此作为神经活动的指标。因此，以微伏为单位测得的原始衰减值必须转换为含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的数值。使用修正的比尔-朗伯方程，请参见我们的书面方案，以获取这些方程应用的详细说明。典型的血流动力学反应会在含氧血红蛋白反应中产生若干明显特征。首先，会出现一个特征性的下降。当某一神经元区域被激活并消耗可用氧气时，由于血流增加并携带氧合血红蛋白，氧合血红蛋白反应迅速超过初始基线水平，达到稳态水平，此时即出现该下降。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，有时会出现低于基线的负向波动。相比之下，非典型或不良结果通常是由于探头未正确贴合头皮或受试者运动过多所致。氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的响应呈协调性变化。通过晃动光纤可以证明这一点。我们刚刚向您展示了如何使用功能性近红外光谱技术来研究婴儿、儿童和成人的语言发展。该方法由多伦多大学的Lauren Petito博士及其研究团队在此开发。进行此操作时，需牢记以下四点。第一，确保房间整洁有序，以免分散参与者的注意力。第二，确保在参与者到达前计算机系统正常运行。第三，使用10-20系统确保电极位置正确。第四，探索信号伪迹并正确分析您的数据。如果使用得当，NER系统将帮助您揭示人类大脑的奥秘。如果您有任何疑问，请随时与我联系。多伦多大学 Laura am Petito。感谢观看，祝您的实验顺利成功。

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