Name: 使用 fNIRS 的块设计瑜伽体式练习期间前额叶皮层活动的静息态连接和神经影像学 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2025-06-24T15:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 56 s
Description: 了解使用功能性近红外光谱技术测量瑜伽体式期间前额叶皮层活动的方法。本研究通过fNIRS实时监测大脑功能，揭示运动干预对神经机制的影响。

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作者衷心感谢CONAHCYT提供的财政支持，其中包括为首作者提供的奖学金以及用于购置fNIRS设备的资金。作者还向参与研究的志愿者们致以诚挚的谢意，他们的参与对本研究的成功至关重要。M. Goodrick 感谢CONAHCYT通过编号CVU 1241565的奖学金提供的支持。E. Guevara 感谢CONAHCYT前沿科学项目20884提供的支持。

M. Goodrick 是一家瑜伽馆 Karmuka Yoga 的负责人。其余作者均无利益冲突需要声明。

本研究采用功能性近红外光谱成像（fNIRS）评估在结构化瑜伽体式练习过程中前额皮层（PFC）的活动，重点阐述了真实世界神经影像研究中的关键方法学考量及技术进展。关键实验方案要素包括fNIRS探头的精确定位，采用最佳源-探测器间距（3.0 cm）以及确保探头与头皮之间的良好耦合，以保障信号采集的准确性。采用随机区组设计，交替进行主动体式（B、C、D）与基础体式（A），并借助瑜伽绳提供支撑，以减少受试者疲劳并确保数据采集的一致性。通过使用短间距通道（1.0 cm间距）降低浅层血流动力学干扰，从而提高测量精度。为分离神经信号并减轻在基于运动的研究中常见的运动伪影，采用了广义线性模型（GLM）和时域典型相关分析（TCCA）滤波方法。
对传感器位置和信号质量的实时监测使得能够立即进行调整，以防止因头发或耦合不良导致的信号衰减。尽管采取了这些预防措施，仍存在残余的运动伪影，凸显了信号校正算法和硬件进一步改进的必要性。
该方法的主要局限性在于其对运动伪影的敏感性，尽管采用了TCCA滤波和短分离通道回归，仍导致了数据的变异性。可采用其他替代方...

瑜伽是一种古老的印度实践，通过结合体位法（asana）、呼吸练习（pranayama）、冥想以及伦理原则，促进整体身心健康的全面发展。近年来，随着越来越多的科学研究支持，瑜伽作为心理健康状况的辅助干预手段日益受到认可。大量研究表明，规律的瑜伽练习能显著减轻焦虑、抑郁和压力症状，同时改善情绪、情绪调节能力以及整体心理韧性1,2,3。荟萃分析和随机对照试验进一步证实了瑜伽作为抑郁症和创伤后应激障碍辅助治疗的有效性，相关证据还表明其可提升生活质量与认知功能4,5,6,7,8。
尽管已有令人鼓舞的证据支持，但基于运动的瑜伽练习（尤其是身体姿势（asana））背后的神经机制仍不清楚9,10。这一知识空白阻碍了将瑜伽整合到神经认知干预模型中的努力。本研究的目的是实时探讨与瑜伽体式练习相关的大脑活动，从而促进对基于运动的冥想练习如何影响皮层功能的机制性理解。
为实现这一目标，我们采用了功能性近红外光谱技术（fNIRS），这是一种无创、便携的神经影像技术，可测量大脑皮层的血流动力学反应11。选择fNIRS的依据在于其能够在接近自然状态的直立运动过程中监测脑活动——而传统的成像方法（如fMRI或PET）要求受试者处于静止状态并置身于人工环境中，无法实现此类研究12。与这些方法相比，fNIRS具有多项优势：它无噪音、对运动干扰具有耐受性，并支持在真实环境中研究生态效度高的任务13。因此，该技术已被广泛应用于运动学习、认知负荷、婴儿发育、步态与平衡以及正念训练等领域的研究，能够可靠地揭示静态和动态条件下前额叶皮层的活动特征14,15,16,17,18。fNIRS在自然情境下的应用，尤其是在运动过程中的使用，为研究具身认知以及整合性健康干预的神经基础开辟了新的途径。
然而，很少有研究将该技术专门应用于瑜伽体式，更少有研究在一次完整的课程时间过程中——从练习前、练习中到练习后——使用具有人群代表性的样本进行考察。为解决这一问题，本研究采用基于区组设计的实验方案，利用功能性近红外光谱技术（fNIRS）检测在结构化瑜伽体式序列练习前、练习中和练习后的皮层活动及静息态功能连接。研究在自然情境下开展，纳入了27名来自墨西哥的以西班牙语为母语的参与者，从而填补了关于瑜伽对西班牙语拉丁人群影响研究的重要空白。参与者年龄介于18至65岁之间，包括男性和女性，瑜伽练习经验范围广泛，从完全初学者到拥有长达15年规律练习经验的练习者均有代表。所有参与者均报告无严重心理或生理疾病，能够顺利完成23分钟的瑜伽课程。患有严重精神疾病或影响活动能力的躯体疾病者被排除在外。尽管未对高血压或糖尿病等特定医学病症进行筛查，但在课程开始前已明确告知参与者，若感到身体不适或不适，可随时中止练习。事先约定，任何未完成的课程数据将不纳入分析。
在最初的30名参与者中，无人因瑜伽练习期间不适而退出。然而，由于可能由硬件干扰或技术软件故障导致的信号噪声过大，其中3人被排除在最终分析之外。本研究通过纳入人口学上多样化且具代表性的样本，并实现可耐受运动的实时成像，提高了研究结果的生态效度和可推广性。对于希望探究基于运动的冥想实践神经动态的研究人员和临床医生而言，该方法在认知神经科学、康复科学以及整合心理健康研究的应用中可能尤为相关。

<table><tbody><tr><td>3-D 数字化仪</td><td>Artinis Medical</td><td>DGT-456</td><td>用于放置帽电极和区域定位</td></tr><tr><td>Brite MKII fNIRS 设备</td><td>Artinis Medical</td><td>BR-MK2</td><td>用于前额叶皮层数据采集的便携式 fNIRS 仪器</td></tr><tr><td>Harmony 瑜伽垫 3/16&amp;rdquo; (5mm) 厚 68&quot; (173cm)</td><td>Jade</td><td>HAR368</td><td>练习体式的稳定表面</td></tr><tr><td>HOMER 3 软件</td><td>波士顿大学神经光子学中心（开源）</td><td>Homer v1.54</td><td>用于 fNIRS 数据预处理</td></tr><tr><td>Origin(Pro) 软件</td><td>OriginLab</td><td>ORG-2023</td><td>数据的统计分析</td></tr><tr><td>Oxysoft 软件</td><td>Artinis Medical</td><td>OXY-001</td><td>实时信号采集</td></tr><tr><td>Piola 棉质 12mm 绳索</td><td>Tarpsupplies</td><td>N/A</td><td>壁挂式瑜伽绳系统的组成部分</td></tr><tr><td>PowerPoint 演示文稿设置</td><td>Microsoft</td><td>N/A</td><td>用于教学视觉展示</td></tr><tr><td>不锈钢挂钩</td><td>Homheal</td><td>liuxi-050</td><td>壁挂式瑜伽绳系统的组成部分</td></tr><tr><td>壁挂式瑜伽绳系统</td><td>定制</td><td>N/A</td><td>辅助完成瑜伽体位</td></tr></tbody></table>

使用功能性近红外光谱技术研究分段式瑜伽体式练习期间前额叶皮层活动的静息态功能连接与神经影像

Resting-State Connectivity and Neuroimaging of Prefrontal Cortex Activity During a Block-Design Yoga Asana Practice Using fNIRS

本研究旨在利用功能性近红外光谱（fNIRS）移动神经成像技术，检测瑜伽体式（身体姿势）练习前、练习中及练习后前额叶皮层（PFC）活动的变化。共有27名健康成年人参与了一项采用区组设计的23分钟瑜伽体式训练。在训练序列前后，参与者分别完成了两次各6分钟、无任务的静息状态。使用置于颅骨额区的fNIRS设备持续记录PFC活动。训练内容包括一种对照姿势与三种主动姿势交替进行。每种主动姿势保持30秒，随后进行25至30秒的对照姿势间隔，整个序列重复8次。该区组设计共产生25次对照姿势间隔和每种主动姿势各24次重复。分析过程包括对原始fNIRS数据进行预处理，以计算氧合血红蛋白（HbO）和脱氧血红蛋白（HbR）浓度，校正运动伪影，并采用经Bonferroni校正的方差分析（ANOVA）进行统计评估。连接性分析考察了前额叶皮层内的半球间和半球内相关性。总之，本研究展示了fNIRS在真实世界、基于运动情境中的应用价值，并为瑜伽体式的神经效应提供了科学见解。

对激活通道的初步分析显示，对照姿势A与姿势B和C之间存在显著差异（图5A-B）。随后使用Origin(Pro) 2018版软件包对各通道估计的血流动力学响应函数（HRF）的平均HbO值进行单因素重复测量方差分析，以评估其统计学差异。正态性假设通过Shapiro-Wilk检验进行评估。
使用多通道功能性近红外光谱（fNIRS）时，由于需要从多个通道收集数据，因此必须进行大量统计检验。这自然会增加I类错误的发生概率，即由于比较次数较多，至少一个真实的零假设可能被错误地拒绝46。为解决此问题，本研究采用Bonferroni校正进行事后成对比较，以校正多重比较，显著性阈值设定为 p &lt; 0.05。Bonferroni校正根据所进行的检验次数调整显著性阈值，以控制整体错误率（FWER）。尽管Bonferroni方法以过于保守著称，可能导致II类错误率升高或遗漏真实效应，但在本研究中是合适的。我们的主要关注点是避免...

本研究采用功能性近红外光谱技术（fNIRS）测量27名成年人在进行23分钟区块设计的瑜伽体式序列期间前额叶皮层的活动。在练习前后均记录了静息态功能连接。研究结果突显了fNIRS在基于运动的研究中的有效性，并为瑜伽体式的影响提供了神经科学层面的见解。

本研究旨在利用功能性近红外光谱（fNIRS）移动神经影像技术，检测前额叶皮层（PFC）的活动变化……

本研究采用功能性近红外光谱技术（fNIRS）探索在四种常见的瑜伽体式练习过程中是否能够测量大脑活动，旨在理解瑜伽对前额叶皮层的神经影响。该研究通过使用移动式神经成像技术在运动过程中测量脑功能，填补了目前关于瑜伽体式如何影响大脑活动这一研究领域的空白，而此前此类研究受限较多。与功能性磁共振成像（fMRI）和脑电图（EEG）仅能用于静态、受控环境不同，fNIRS 的一个重要优势在于能够在运动中以及自然环境中实现大脑活动的测量。本实验室将开发功能性近红外光谱成像（fNIRS）方法，用于在多种真实世界场景中测量认知负荷和治疗效果，包括阅读障碍治疗、基于瑜伽的抑郁症干预、医学培训以及制造业装配任务。[旁白] 首先，使用便携式功能性近红外光谱（fNIRS）设备采集数据。根据制造商提供的双侧前额叶皮层布局，将光源和探测器放置在帽具的相应位置。为实现最佳皮层信号检测，保持光源与探测器间距为3.0厘米。设置两个间距为1.0厘米的短距离通道，通过回归分析去除头皮血流等表层信号，从而分离出皮层血流动力学响应。接下来，选择四种基础的哈他瑜伽体式用于本研究，这些体式构成拜日式（Surya Namaskar）的核心动作，因其被广泛练习，且可评估倒置体位和背部伸展动作。使用PowerPoint设计实验呈现方案，为参与者提供视觉和听觉引导。确保每张幻灯片显示一个体式的照片及其西班牙语名称，并在括号中标注其梵文名称。在演示过程中，以随机顺序每30秒循环切换体式B、C和D，同时口头报出体式名称。在主动体式之间随机穿插基线体式，以平衡序列顺序，减少练习效应或习惯化影响。为便于数据管理与一致性，通过调整图像分辨率和文本样式对所有视觉材料进行标准化处理，并使用西班牙语和梵文标注每个体式名称。在开始前，确保每位参与者均能清晰看到演示屏幕。随后介绍主动体式与基线体式，描述其视觉特征和身体对齐方式。准备实验空间，在参与者前方放置瑜伽垫、墙面固定绳索系统以及清晰可见的演示屏幕。确认屏幕可视且不阻碍动作。接着校准fNIRS系统，检查电池电量、功能状态及软件兼容性。根据国际10-20系统将光极（optodes）定位在参与者头皮上，并根据头型和头发密度进行调整。通过蓝牙将fNIRS帽具连接至采集软件，以在练习前后的静息状态及整个瑜伽体式练习过程中实时监测信号采集情况。使用系统界面验证信噪比和头皮耦合指数等信号质量参数。让参与者保持坐姿，确认其双脚平放地面，双手置于膝上，背部有支撑。开始前询问其是否舒适。然后使用下颌带固定光极帽，并用竹签分开头发以确保光极与头皮直接接触。在帽具固定且参与者保持坐姿后，指导其闭眼放松，开始为期六分钟的体式前静息状态测量。在此期间以25赫兹频率采集fNIRS数据。通过采集软件的DAQ模块评估信号质量。为尽量减少运动干扰，指导参与者不要移动眉毛、触碰面部，并避免在静息期间入睡。测量结束后，询问参与者是否意外入睡，以验证数据准确性。完成第一次静息状态测量后，移开椅子。让参与者站立，并确认信号保持稳定。指导其跟随预设的自动播放演示程序，程序将按设定提示体式变化。在演示运行期间提供口头指导。使用采集软件中的事件标注功能，手动记录标记为A、B、C和D的体式事件，为每次转换添加时间戳，以便后续数据分析。主动练习阶段结束后，检查所有体式标记是否准确对应幻灯片切换，确保数据标注正确。在帽具仍固定且信号质量确认无误后，指导参与者再次坐下。然后开始体式后闭眼静息状态测量，持续六分钟。体式练习结束后等待2至5分钟，确保系统校准完成且信号清晰，再开始体式后静息测量。提醒参与者避免移动并保持清醒，如同之前的静息阶段，随后开始体式后静息测量。对活跃通道的初步分析显示，对照体式A与体式B和C之间存在显著差异。在所有测量通道中，体式B相对于基线体式A引发了显著更高的氧合血红蛋白（HbO）响应。体式C相对于基线体式A也导致HbO响应显著升高。与基线体式相比，三种主动瑜伽体式均观察到前额叶皮层活动显著增强，尤其在右半球更为明显。体式B在右侧下部和内侧前额叶皮层诱导了最大的神经激活。体式C引起双侧前额叶皮层激活。体式D仅在一个通道中表现出氧合血红蛋白浓度的中等程度显著升高，提示其对前额叶皮层活动的影响在三个体式中最小。静息态功能连接性分析显示，瑜伽体式练习后主要在左侧内侧前额叶皮层的连接性下降，该区域与默认模式网络相关。

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使用 fNIRS 的块设计瑜伽体式练习期间前额叶皮层活动的静息态连接和神经影像学

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