近紅外光譜技術(shù)及其在腦高級(jí)認(rèn)知研究中的應(yīng)用

劉 潔

（鄭州大學(xué) 教育系，河南 鄭州 450001）

1 前言

現(xiàn)有的腦功能成像技術(shù)由于設(shè)備龐大、偽跡影響較大、造價(jià)較高等原因，不適用于研究以?xún)和?、老人及特殊人群為研究?duì)象的腦功能成像，也不利于研究日常工作、生活等自然情境下的高級(jí)神經(jīng)活動(dòng)的認(rèn)知過(guò)程.然而近幾十年來(lái)新興的近紅外光譜技術(shù)（fNIRIS）是一種能補(bǔ)充上述腦功能成像技術(shù)的不足，同時(shí)也是一種能為認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究提供新視角的技術(shù)，普遍被認(rèn)為具有良好的發(fā)展前景.該技術(shù)具有價(jià)錢(qián)便宜、容易攜帶和移動(dòng)、沒(méi)有噪音污染、對(duì)被試無(wú)創(chuàng)和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中被試動(dòng)作不影響實(shí)驗(yàn)效果等優(yōu)點(diǎn).本文主要介紹近紅外光譜技術(shù)的基本原理；縱觀該技術(shù)在自然情境下，如何研究語(yǔ)言、記憶、閱讀等人腦的高級(jí)認(rèn)知；并討論近紅外光譜技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和不足.

2 近紅外光譜技術(shù)的基本原理

2.1 近紅外光譜技術(shù)的生理學(xué)原理

近紅外光譜技術(shù)以生物組織光學(xué)特性為基礎(chǔ)，結(jié)合光在組織中的傳播規(guī)律，探究在生物組織中經(jīng)過(guò)散射、吸收等一系列過(guò)程后的出射光攜帶的生化信息，研究目標(biāo)是找到生物組織中的吸收色團(tuán)，如氧合血紅蛋白（HbO2）、脫氧血紅蛋白（Hb）等濃度的定量測(cè)量方法，為臨床和研究提供方便可靠的監(jiān)測(cè)指標(biāo).近紅外光譜技術(shù)旨在探求組織表面下數(shù)毫米的組織光學(xué)特性.在生物組織中,光子會(huì)歷經(jīng)數(shù)千次的彈性散射事件與數(shù)次源于吸收發(fā)色團(tuán)的吸收事件,而兩種組織中主要的吸收發(fā)色團(tuán)為HbO2和Hb,二者在600nm到900nm的光譜范圍中擁有截然不同的吸收光譜.近紅外光譜技術(shù)可以依據(jù)對(duì)所測(cè)量的HbO2和Hb濃度準(zhǔn)確定位測(cè)量點(diǎn)所在位置的局部腦活動(dòng)，這樣就可以根據(jù)在進(jìn)行認(rèn)知活動(dòng)時(shí)HbO2和Hb的濃度相對(duì)變化，推知那些腦區(qū)參與認(rèn)知活動(dòng)，及這些腦區(qū)之間的關(guān)系.所以，研究人員可利用近紅外光譜技術(shù)研究腦高級(jí)認(rèn)知活動(dòng)的神經(jīng)機(jī)制.

2.2 近紅外光譜技術(shù)的測(cè)量指標(biāo)

近紅外光譜技術(shù)能測(cè)兩種濃度變化：一種是測(cè)量腦認(rèn)知活動(dòng)過(guò)程中相關(guān)腦區(qū)中脫氧血紅蛋白濃度以及氧合血紅蛋白的濃度發(fā)生的變化趨勢(shì)；還有一種則是測(cè)量腦認(rèn)知活動(dòng)過(guò)程中腦區(qū)總血紅蛋白濃度變化.研究人員在統(tǒng)計(jì)相關(guān)指標(biāo)時(shí)常常使用的是氧合血紅蛋白指數(shù)、脫氧血紅蛋白指數(shù)以及總血紅蛋白指數(shù)這三種數(shù)據(jù).[1]

2.3 近紅外光譜技術(shù)的儀器構(gòu)成

腦功能近紅外光譜檢測(cè)系統(tǒng)主要由柔性探頭、測(cè)控模塊和計(jì)算機(jī)3個(gè)部分組成.測(cè)控模塊由計(jì)算機(jī)事先設(shè)定的時(shí)鐘控制頻率.近紅外光是從柔性探頭上的四個(gè)光源發(fā)出的，光源是利用時(shí)分復(fù)用技術(shù)由光源驅(qū)動(dòng)單元依次點(diǎn)亮的.儀器工作時(shí)，特定波長(zhǎng)的近紅外光照射在待測(cè)生物組織上，光信號(hào)經(jīng)過(guò)生物組織衰減后被探測(cè)器接收，然后在探測(cè)器中進(jìn)行光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換和信號(hào)的放大.經(jīng)過(guò)信號(hào)放大、濾波等處理前端模擬信號(hào)經(jīng)USB接口輸入到計(jì)算機(jī)中.然后由計(jì)算機(jī)即時(shí)對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出血氧濃度隨組織活動(dòng)的變化并呈現(xiàn)在界面上，由此可推測(cè)出相關(guān)組織區(qū)域的活動(dòng)強(qiáng)弱.[2]

3 近紅外光譜技術(shù)在高級(jí)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究中的運(yùn)用

3.1 近紅外光譜技術(shù)在工作記憶研究中的應(yīng)用

華中科技大學(xué)生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)展開(kāi)了關(guān)于各種腦功能的研究.如采用n-back作業(yè)范式研究工作記憶中大腦前額葉的活動(dòng)情況.我們都知道，工作記憶的作用在于初步加工和短暫存儲(chǔ)被激活信息，以備進(jìn)入長(zhǎng)時(shí)記憶或提取等，其對(duì)完成學(xué)習(xí)、語(yǔ)言理解及問(wèn)題解決等腦的高級(jí)認(rèn)知活動(dòng)十分重要.由于工作記憶的中央執(zhí)行系統(tǒng)中的信息執(zhí)行控制過(guò)程十分難理解，內(nèi)容包括計(jì)劃、注意、任務(wù)及監(jiān)督管理等各種認(rèn)知成分，這些不同功能很難在大腦功能的影像中嚴(yán)格分開(kāi).研究利用fNIRIS系統(tǒng)，采用言語(yǔ)性n-back作業(yè)范式，監(jiān)測(cè)被試在執(zhí)行言語(yǔ)性n-back任務(wù)時(shí)前額葉皮層的激活情況，并分析被試行為表現(xiàn)及腦激活數(shù)據(jù).[3]另外他們還研制了一種更實(shí)用的三波長(zhǎng)近紅外腦功能光學(xué)成像系統(tǒng)，從而考察被試行為表現(xiàn)及前額葉的工作記憶負(fù)荷效應(yīng)，進(jìn)而研究較高記憶任務(wù)條件下，被試前額葉腦區(qū)激活情況對(duì)其行為表現(xiàn)的影響.一系列的研究結(jié)果表明，被試前額葉的工作記憶負(fù)荷效應(yīng)顯著：前額葉皮層激活腦區(qū)具有典型的激活模式，被試的錯(cuò)誤判斷引起額外的前額葉皮層激活；前額葉皮層活動(dòng)的功能側(cè)化現(xiàn)象顯著，記憶負(fù)荷越大，側(cè)化指數(shù)越??；較高記憶負(fù)荷下，被試激活腦區(qū)活動(dòng)程度與其行為參數(shù)之間存在著規(guī)律性聯(lián)系.隨著近紅外光譜技術(shù)的發(fā)展及其在工作記憶方面的研究應(yīng)用，利用近紅外光譜技術(shù)得到的研究結(jié)果必將為工作記憶的腦機(jī)制的研究提供更加科學(xué)可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為不斷加深對(duì)工作記憶的認(rèn)知加工過(guò)程的研究做出更多的貢獻(xiàn).

3.2 近紅外光譜技術(shù)在自然情境下認(rèn)知過(guò)程研究中的應(yīng)用

由于近紅外光譜技術(shù)的設(shè)備較小，輕便，能進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的重復(fù)測(cè)量，并且被試實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的動(dòng)作對(duì)腦成像影響不是特別明顯，因此適合研究自然情境下認(rèn)知過(guò)程的神經(jīng)機(jī)制.如Nagamitsu等人采用近紅外光譜技術(shù)研究被試在觀看視頻游戲時(shí)大腦局部血容量，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要求被試玩巧妙的游戲.實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在玩游戲過(guò)程中五個(gè)成人被試中有四個(gè)被試的大腦雙側(cè)前額葉的總血紅蛋白濃度上升顯著；七個(gè)兒童被試中有兩個(gè)被試大腦雙側(cè)前額葉的總血紅蛋白濃度顯著下降.研究結(jié)果表明，大腦前額區(qū)氧合血紅蛋白和雙側(cè)運(yùn)動(dòng)區(qū)氧合血紅蛋白的濃度呈顯著正相關(guān)[4].近年來(lái)，研究者不斷采用fNIRIS研究大腦前額葉在睡眠、和倫敦塔任務(wù)等自然情境中的變化，取得了一系列重要的結(jié)果.并且研究者還將此技術(shù)用于研究模擬駕駛、電子游戲、教育及咨詢(xún)情境中的大腦的認(rèn)知活動(dòng)研究.近年來(lái)，近紅外在便攜、無(wú)傷害性等方面的發(fā)展成熟，為在自然情境中研究大腦認(rèn)知活動(dòng)機(jī)制提供了有效的技術(shù)手段.隨著近紅外光譜技術(shù)的廣泛應(yīng)用，日常生活狀態(tài)下人們認(rèn)知過(guò)程的神經(jīng)機(jī)制將越來(lái)越能被腦功能成像的結(jié)果所解釋[5].

3.3 近紅外光譜技術(shù)在發(fā)展性閱讀障礙研究中的應(yīng)用

發(fā)展性閱讀障礙是一種較常見(jiàn)的學(xué)習(xí)障礙現(xiàn)象.發(fā)展性閱讀障礙的兒童通常有與正常兒童水平相當(dāng)?shù)闹橇?，他們享有共同的教育機(jī)會(huì)，但是前者的閱讀水平顯著落后于后者.以往研究中，其它功能監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)閱讀障礙兒童大腦功能進(jìn)行監(jiān)測(cè)所得到的結(jié)果各有不同.鑒于此研究者采用fNIRIS設(shè)計(jì)了恰當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)范式，以漢語(yǔ)閱讀障礙兒童為研究對(duì)象，研究其大腦皮層活動(dòng)在進(jìn)行漢字語(yǔ)音和語(yǔ)義加工時(shí)與正常兒童的差異.研究結(jié)果表明漢語(yǔ)閱讀障礙兒童在執(zhí)行漢字閱讀任務(wù)時(shí)，左前額葉皮層中血容增加的區(qū)域明顯小于正常兒童，且血容增加的幅度較正常兒童低.實(shí)驗(yàn)結(jié)果為閱讀障礙的神經(jīng)生理學(xué)研究提供了可靠證據(jù).[6]

目前隨著光電技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，近紅外光譜技術(shù)在大腦功能活動(dòng)的監(jiān)測(cè)上得到了進(jìn)一步的發(fā)展.不僅如此，在研究嬰兒大腦方面，由于其大腦發(fā)育尚未完全、體積較小、幾何結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、光學(xué)特性參數(shù)也比成人腦有規(guī)律，便于研究，因此近紅外光譜技術(shù)在研究對(duì)嬰兒大腦的發(fā)育與發(fā)展方面也十分有效.另外一些研究者使用近紅外光譜術(shù)研究語(yǔ)音識(shí)別時(shí)被試皮層的活動(dòng)，都得到了一些重要的發(fā)現(xiàn).

4 近紅外光譜技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與不足

4.1 近紅外光譜技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

在現(xiàn)有的腦功能成像技術(shù)中，腦電技術(shù)（EEG）和事件相關(guān)電位技術(shù)（ERP）雖然有著較高的時(shí)間分辨率，但是它們的空間分辨率卻較低，并且溯源分析困難.而fMRI和PET等雖然空間分辨率能夠滿(mǎn)足需要，可是它們又滿(mǎn)足不了對(duì)時(shí)間分辨率的要求.但是近紅外光譜技術(shù)卻能兩者兼顧，基本能滿(mǎn)足研究者對(duì)時(shí)間分辨率和空間分辨率的要求.另外近紅外光譜技術(shù)還有靈活、易用、成本低和沒(méi)有侵入性的優(yōu)點(diǎn)，不僅能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)腦區(qū)認(rèn)知活動(dòng)在自然情境中的情況，還可以同時(shí)與EEG、fMRI、PET等其他腦功能成像技術(shù)研究手段進(jìn)行測(cè)量，并且互不干擾.還能用于對(duì)大量被試進(jìn)行反復(fù)多次實(shí)驗(yàn).近年來(lái)在近紅外光譜技術(shù)已廣泛應(yīng)用于認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域[7].

4.2 近紅外光譜技術(shù)的不足

作為一種剛剛發(fā)展起來(lái)的腦功能成像技術(shù)，近紅外光譜技術(shù)存在許多的不足有待改進(jìn).主要不足是定位能力較差，不能覆蓋全腦，探測(cè)深度有限.同時(shí)近紅外光譜技術(shù)在空間分辨率方面還不夠完善，因此大多數(shù)研究者采用近紅外光譜技術(shù)時(shí)只報(bào)告血氧的變化，通常不報(bào)告空間分辨率.這些不足還有待在今后的研究中改進(jìn).

5 結(jié)語(yǔ)與展望

在近幾十年里，近紅外光譜技術(shù)在研究大腦高級(jí)認(rèn)知神經(jīng)機(jī)制中顯示出越來(lái)越明顯的優(yōu)勢(shì)，采用近紅外光譜技術(shù)研究的實(shí)驗(yàn)報(bào)告也越來(lái)越多的發(fā)表在很多高水平的雜志上.近紅外光譜技術(shù)開(kāi)辟了大腦研究的新領(lǐng)域和腦功能成像研究的新方向，必將使人們深入的了解大腦功能.近年來(lái)功能性近紅外光譜技術(shù)已經(jīng)取得了美國(guó)藥物和食品管理局的認(rèn)證，并且已在新生兒語(yǔ)言加工的研究、語(yǔ)言和認(rèn)知發(fā)展、認(rèn)知切換能力等各個(gè)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域中得到了普遍的應(yīng)用[8].當(dāng)然近紅外光譜技術(shù)還有待進(jìn)一步的發(fā)展與完善，但隨著這項(xiàng)新技術(shù)的不斷改進(jìn)，其在心理學(xué)各領(lǐng)域的研究將會(huì)不斷加深，應(yīng)用范圍也將會(huì)不斷擴(kuò)大，近紅外光譜技術(shù)在腦功能研究領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值將不可估量.

〔1〕劉寶根,周兢,李菲菲.腦功能成像的新方法—功能性近紅外光譜技術(shù)(FN IRS).心理科學(xué),2011，34(4):943-949.

〔2〕楊炯炯,曾紹群,駱清銘,管林初,匡培梓,龔輝，等.左前額葉參與非相關(guān)詞對(duì)的語(yǔ)義編碼過(guò)程一來(lái)自光學(xué)成像的佐證.心理學(xué)報(bào),2001，33(l)：48-54.

〔3〕Minagawa-Kawai Y, Matsuoka S, Dan I,et al.(2009).Prefrontalactivation associated with social attachment:facial-emotion recognition in mothers and infants[J].Cereb Cortex,19(2):284-292

〔4〕Naganlitsu,S.,Nagano,M.,Yarnashita,Y.,Takashima,S.,&M atsuishi,T.(2006).Prefontal cerebral blood volume pattems while playing video games a near -infrared spectroscopy study.Brain and develo .28(5),315-321.

〔5〕Dale A.M.,Liu A.K.,Fischl B.R.,et al..(2000).Dynamic statistical parametric mapping:combining fMRI and MEG for high-resolution imaging of cortical activity.Neuron,26(1):55-56.

〔6〕Grossmann T.(2010).The development of emotion perception in face and voice during infancy[J].Restor Neurol Neurosci,28(2):219-236.

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〔8〕Carlsson J, Lagercrantz H, Olson L,etal.(2008).Activation of the right fronto-temporal cortex during maternal facial recognition in young infants[J].Acta Paediatr,97(9):1221-1225.