使用全头光学探头阵列和短距离通道同步采集 fMRI 与 fNIRS 测量数据

对同一受试者同时采集 fMRI 和 fNIRS 信号极为重要，因为这使我们能够将 fNIRS 信号与作为神经影像学金标准的 fMRI 信号进行对齐。fNIRS 是一种仍在发展的方法，无法到达较深的脑部结构，因此 fMRI 记录有助于我们更深入地理解 fNIRS 信号。

以往尝试从同一位受试者大脑中同时记录fNIRS和fMRI信号需要进行两次记录会话。然而，这两次会话意味着受试者会反复看到和听到相同的刺激，这可能会改变大脑的响应方式。尽管在本方案中，fMRI和fNIRS信号仅在典型成年人中进行了对齐，但我们希望当前的方案未来也可扩展应用于临床和发育人群的测试。

例如，在采集可能存在神经心理缺陷的个体数据时，这一点尤为重要，因为我们将能够以最高置信度解读fNIRS信号。我们相信，fNIRS与fMRI的同步记录对于理解特殊人群及儿童的大脑神经网络将具有特别重要的意义。毫无疑问，同步采集fMRI和fNIRS信号具有挑战性，但我们已逐步解决了所有问题，并确信本方案将使其他实验室能够采集相同类型的数据。

主要挑战之一很可能是确保受试者在扫描仪中感到舒适，尤其是在佩戴全头fNIRS帽时。本操作流程将由本实验室的实验室主管Virginia Chambers进行演示。在受试者签署必要的知情同意书并接收任务指导后，请引导其在控制室内就座于椅子上。

将软质卷尺围绕前额一周，在后脑最宽处通过并回到起点。根据测得的头围选择最接近的 fNIRS 帽子尺寸。

牢固握住短距离探测器探头的底座，并将其沿穿过fNIRS帽网眼的衬圈部分滑动。确保短距离探测器的电缆朝向帽的后方，以留出清晰的面部区域。接下来，请受试者像戴冬季帽子一样，将帽沿头顶冠部向下拉，并将下颌带调整至舒适的程度并固定。

系紧背部绑带。确认帽具已牢固固定，且探头插座紧贴头部。然后根据10/20系统的位置，粘贴绿色贴纸以标记关键的解剖标志点。

使用卷尺将头皮各点与帽上的对应点对称对齐。确保从CZ点到耳前点、枕外隆凸点和鼻根点的距离相等。指导受试者保持静止不动，以建立其头部的三维模型。

然后在平板电脑或 iPad 上启动结构扫描应用程序。确保关闭高分辨率彩色成像、红外自动曝光以及改进的追踪功能。将受试者置于正中央位置，确保其整个头部位于屏幕上的 3D 方框内，且肩膀在画面中仅轻微可见。

使用3D扫描仪围绕受试者走动，以扫描头部形状和光学探头。完成整个扫描后，按下屏幕右侧的按钮以启动3D重建。检查重建图像的清晰度和细节水平，确保光学探头和绿色标记贴片的位置准确无误。

出于安全与隐私考虑，将3D扫描数据保存至符合HIPAA保护标准的服务器上。3D模型完成后，取下绿色贴纸，并提示受试者将耳塞插入耳中。在扫描室内，确保20通道头部线圈已放置于扫描仪中。

在 MRI 头线圈底部放置一个泡沫枕头，以支撑受试者头部的上部。指导受试者舒适地坐在扫描仪检查床上。用一只手稳住光极橡胶垫圈，同时使用 MRI 安全的涂抹工具将垫圈中部的头发拨开。

然后施加稳固的压力，将光极固定在衬套中。指导受试者缓慢而小心地躺下。调整光纤束，确保受试者的头部在头部线圈内处于舒适的位置。

根据波导电缆的位置，升起扫描仪床。在受试者腿部下方放置一个软垫以确保舒适。将呼吸带缠绕在受试者腰部。

指导受试者佩戴降噪耳机，确保其不会干扰 fNIRS 探头的放置。将脉搏血氧仪置于受试者的左手食指上。如果实验任务中使用了按钮盒，则指导受试者用优势手握住按钮盒。

明确说明如何使用按钮盒。将挤压球或按钮报警器放置在受试者的非优势手上，并指导参与者如何使用。通过要求参与者按压按钮来测试报警器是否正常工作。

将受试者向扫描仪孔内推进几英寸以调整头部位置。放置头部线圈的上部组件。接着，将麦克风和反射镜插入线圈对应的插槽中。

握住光纤，缓慢将受试者推入扫描仪孔内。在扫描仪的计算机上，选择研究所需的相关结构和功能序列。通过定位像确认受试者头部在扫描仪孔内的位置是否正确，确保成像范围完全覆盖从头部顶部至小脑的区域。

通过头部线圈镜确认受试者能够看到计算机屏幕，并运行初始结构扫描。受试者水平的fNIRS数据显示，在闪烁棋盘格任务期间，双侧视觉皮层区域的激活程度较试验间期升高。脑活动的时间轨迹显示，在呈现闪烁棋盘格时，HBO信号增加，而在试验间期则下降。

在闪烁棋盘格刺激期间对HBO数据的可视化显示，在单个被试水平上，视觉皮层区域出现双侧激活。单个被试的fMRI数据显示，在闪烁棋盘格刺激期间，初级和次级视觉皮层的BOLD信号反应强于试次间期。在皮层下水平，丘脑的外侧膝状体核出现激活增强。本实验方案的关键挑战之一是确保被试能够在扫描仪中舒适地保持静息状态，而这主要取决于fNIRS系统所配备的光学探头类型。

该方案可进行调整，以从特定兴趣区域及多种实验范式中采集数据。我们还提供了关于如何在临床和发育人群研究中使用该方案的具体建议。