劉彥碩

摘 要 本文介紹了一種新型的能夠運(yùn)用于探索嬰兒腦發(fā)育的腦部成像技術(shù)——近紅外光學(xué)成像。系統(tǒng)介紹了此項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展歷史、運(yùn)用的原理和方法以及它在嬰兒發(fā)展中的研究和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 近紅外光學(xué)成像 嬰兒 發(fā)展

中圖分類(lèi)號(hào)：B844文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

The Use of fNIRS in the Developmental Psychology Study

LIU Yanshuo

(Education Department in Zhejiang Normal University, Jinhua, Zhejiang 321004)

Abstract This article introduces a new image technology which can be used to study the infants' brain. We particularly describe the history, the method and the principle of this technology. We also introduce the use of this technology in the study of infants.

Key words fNIRS; infant; development

0 引言

從第一次近紅外光學(xué)成像運(yùn)用于嬰兒的腦功能成像研究到現(xiàn)在已經(jīng)有十多年了。未來(lái)10年NIRS不斷的改良和應(yīng)用將會(huì)對(duì)我們了解發(fā)展的大腦做出重大的貢獻(xiàn)。我們相信fNIRS會(huì)在我們現(xiàn)在對(duì)于發(fā)展的大腦的皮層活動(dòng)的了解與成人大腦功能之間架起一個(gè)重要的橋梁。同時(shí)，現(xiàn)在的大量的前言語(yǔ)階段嬰兒行為研究絕大多數(shù)應(yīng)用的是注視時(shí)間范式，很大一部分發(fā)展的認(rèn)知神經(jīng)研究的水平還比較低。fNIRS允許我們解釋在人類(lèi)早期發(fā)展中皮層活動(dòng)定位和行為反應(yīng)之間的關(guān)系。此外，NIRS系統(tǒng)并不昂貴，也還比較便攜，能夠允許嬰兒坐在父母的膝上一定程度的活動(dòng)，而且更重要的是血液動(dòng)力學(xué)的空間定位結(jié)果可以跟成人的腦功能fMRI數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。fNIRS是理想的研究嬰兒的工具。

神經(jīng)活動(dòng)產(chǎn)生于神經(jīng)元細(xì)胞的電傳導(dǎo)活動(dòng)。在神經(jīng)元活動(dòng)的新陳代謝中，神經(jīng)元細(xì)胞會(huì)發(fā)生一些改變，氧消耗會(huì)顯著的增加，附進(jìn)的腦血流量和氧提供也會(huì)增加。一個(gè)典型的成人皮層神經(jīng)活動(dòng)的血液動(dòng)力學(xué)反應(yīng)是血流中的含氧血紅蛋白的增加和一個(gè)不那么顯著的去氧血紅蛋白的減少，這些導(dǎo)致了血流中總血紅蛋白的增加。神經(jīng)影像學(xué)方法分為兩種：一種是腦活動(dòng)直接激活的觀察（EEG、MEG）；另一種是隨之發(fā)生的血液動(dòng)力學(xué)反應(yīng)（PET、fMRI、fNIRS）。

這些技術(shù)都是建立在成年被試身上的，運(yùn)用于嬰兒被試要么是有一些嚴(yán)格的限制因素，要么干脆就不能夠運(yùn)用，也有一些運(yùn)用這些技術(shù)研究嬰兒的文章公開(kāi)發(fā)表過(guò)，①但是這些研究一般都是限制在睡著的、昏昏欲睡的年幼嬰兒被試身上。許多年來(lái)，研究清醒嬰兒的腦功能成像的首要選擇是EEG，這是一種非介入式的技術(shù)，擁有很高的時(shí)間分辨率，但是空間分辨率非常低。fNIRS的出現(xiàn)提供了研究嬰兒腦功能成像的一種新的選擇。

運(yùn)用NIRS研究嬰兒的腦功能活動(dòng)是一個(gè)增長(zhǎng)很快的領(lǐng)域。自1998年以來(lái)論文的數(shù)量每年以5倍于上年的速度增長(zhǎng)。但是早期的fNIRS研究關(guān)注的是對(duì)于基本刺激的大腦皮層的激活區(qū)域，如語(yǔ)音知覺(jué)的聽(tīng)覺(jué)區(qū)，或者是高頻閃光的視覺(jué)區(qū)，直到最近以來(lái)，研究者們才開(kāi)始關(guān)注對(duì)一些復(fù)雜刺激的多種腦區(qū)的的激活。此外，越來(lái)越多的研究者開(kāi)始關(guān)注清醒嬰兒的編碼問(wèn)題，如客體加工、社會(huì)交往、生物運(yùn)動(dòng)加工、運(yùn)動(dòng)觀察、人臉加工。在這些研究中，fNIRS被用來(lái)定位一些特殊皮層的血液動(dòng)力學(xué)反應(yīng)，如顳上溝（注視、生物運(yùn)動(dòng)加工），眶額皮層（母親面孔、情緒感知），感覺(jué)運(yùn)動(dòng)區(qū)（動(dòng)作觀察），前額皮質(zhì)（客體永恒性），枕顳皮層（動(dòng)態(tài)對(duì)象）。定位激活的皮層區(qū)域，允許被試輕微運(yùn)動(dòng)，這是用fNIRS研究人類(lèi)早期發(fā)展的大腦最顯著的特點(diǎn)。

1 近紅外光學(xué)成像：基本原則和方法

這項(xiàng)光學(xué)技術(shù)中，光線從發(fā)射器中發(fā)射出來(lái)，經(jīng)過(guò)皮膚、顱骨、下面的腦組織反射回接收器。②光線（波長(zhǎng)在650nm-1000nm）的衰減即取決于組織對(duì)光線的吸收，也取決于光的散射效應(yīng)。此外，含氧血紅蛋白和去氧血紅蛋白對(duì)于近紅外光線的吸收有不同的特性，這樣，血氧水平就可以被測(cè)量了。假設(shè)散射是恒定的，那么測(cè)量出來(lái)的近紅外光線衰減的改變值就能夠用來(lái)計(jì)算含氧血紅蛋白(HbO2)、去氧血紅蛋白（HHb）、總血紅蛋白（HbT=HbO2+HHb）的值了。了解完組織中的光學(xué)路徑，HbO2、 HHb 、HbT可以用molar為單位表達(dá)出來(lái)。這種血氧蛋白的改變可以用來(lái)標(biāo)記大腦血流的變化，因此它可以為研究腦功能提供一個(gè)新方法。③

先前的研究指出，NIRS得到的血液動(dòng)力學(xué)參數(shù)和fMRI得到的BOLD（血氧依賴(lài)水平）是相似的。值得注意的是，不同于fMRI的BOLD數(shù)據(jù)，fNIRS可以分別測(cè)量HbO2和HHb的濃度數(shù)據(jù)。

2 嬰兒fNIRS研究的發(fā)展和應(yīng)用

嬰兒fNIRS研究相對(duì)于以成人為被試的研究會(huì)有更高的剔除率。剔除的這部分其中大概有40%是不符合要求的數(shù)據(jù)。這很大一部分可以歸因于設(shè)計(jì)這樣一個(gè)方法是困難的，它要求將一個(gè)復(fù)合的發(fā)射-接收器探頭戴到嬰兒頭上，并且要既有效又舒適。因此，很多的時(shí)間跟精力被用在改進(jìn)NIRS上，為使它成為嬰兒研究的有效工具。一個(gè)能夠用于嬰兒研究的NIRS頭套要求是它必須舒適，輕巧，能夠在很短的時(shí)間內(nèi)安置完畢，必須提供在每一個(gè)通道提供穩(wěn)定的光學(xué)測(cè)量數(shù)據(jù)。不像成人實(shí)驗(yàn)?zāi)菢?，在嬰兒頭上停止實(shí)驗(yàn)調(diào)整頭套，然后再開(kāi)始實(shí)驗(yàn)是不可能的。頭套必須能夠穩(wěn)固的固定在頭上，嬰兒任何的移動(dòng)都不會(huì)改變發(fā)射-接收器束帶的位置，這樣可以排除光學(xué)信號(hào)中的運(yùn)動(dòng)偽跡。頭套上一系列的通道必須被一個(gè)半剛性的結(jié)構(gòu)包圍，還要有一些柔韌性使之能夠貼合頭部，同時(shí)，每個(gè)發(fā)射器和接收器之間還要維持一個(gè)固定的間隔距離。脆弱的光纖從頭套出來(lái)的時(shí)候要遠(yuǎn)離嬰兒的面部和他能夠用手夠到的距離。在戴頭套的過(guò)程中，嬰兒不能過(guò)分的搗亂（這會(huì)導(dǎo)致他們不想開(kāi)始實(shí)驗(yàn)），在記錄數(shù)據(jù)的過(guò)程中，頭套不能顯眼，以避免嬰兒在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中分心。

在未來(lái)，fNIRS一個(gè)可能的研究領(lǐng)域是調(diào)查個(gè)體間的差異，舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，它也許可以幫助確診嬰兒身上一些典型和非典型的癥狀，看他是否有可能患上孤獨(dú)癥這種發(fā)展異常的疾病，從而對(duì)診斷和治療提供一些貢獻(xiàn)。這種臨床研究的樣本量通常會(huì)很小，因此頭套的最優(yōu)化設(shè)計(jì)就顯得尤為重要，這樣才能得到完整的光學(xué)數(shù)據(jù)，并且使剔除的數(shù)據(jù)盡量變得更少。

參考文獻(xiàn)

[1] Imada, T., Zhang, Y., Cheour,M., Taulu, S., Ahonen, A., Kuhl, P.K., 2006. Infant speech perception activates Brocas area: a developmental magnetoencephalography study. Neuroreport 17:957–962.

[2] Elwell, C.E., 1995. A Practical Users Guide to Near Infrared Spectroscopy. Hamma-matsu Photonics, UK.

[3] Delpy, D.T., Cope, M., 1997. Quanti?cation in tissue near-infrared spectroscopy.Philos. Trans. R. Soc. Lond. B: Biol. Sci. 352,649–659.