近紅外光譜技術及其在腦高級認知研究中的應用

劉 潔

（鄭州大學 教育系，河南 鄭州 450001）

1 前言

現有的腦功能成像技術由于設備龐大、偽跡影響較大、造價較高等原因，不適用于研究以兒童、老人及特殊人群為研究對象的腦功能成像，也不利于研究日常工作、生活等自然情境下的高級神經活動的認知過程.然而近幾十年來新興的近紅外光譜技術（fNIRIS）是一種能補充上述腦功能成像技術的不足，同時也是一種能為認知神經科學研究提供新視角的技術，普遍被認為具有良好的發展前景.該技術具有價錢便宜、容易攜帶和移動、沒有噪音污染、對被試無創和實驗過程中被試動作不影響實驗效果等優點.本文主要介紹近紅外光譜技術的基本原理；縱觀該技術在自然情境下，如何研究語言、記憶、閱讀等人腦的高級認知；并討論近紅外光譜技術的優勢和不足.

2 近紅外光譜技術的基本原理

2.1 近紅外光譜技術的生理學原理

近紅外光譜技術以生物組織光學特性為基礎，結合光在組織中的傳播規律，探究在生物組織中經過散射、吸收等一系列過程后的出射光攜帶的生化信息，研究目標是找到生物組織中的吸收色團，如氧合血紅蛋白（HbO2）、脫氧血紅蛋白（Hb）等濃度的定量測量方法，為臨床和研究提供方便可靠的監測指標.近紅外光譜技術旨在探求組織表面下數毫米的組織光學特性.在生物組織中,光子會歷經數千次的彈性散射事件與數次源于吸收發色團的吸收事件,而兩種組織中主要的吸收發色團為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.近紅外光譜技術可以依據對所測量的HbO2和Hb濃度準確定位測量點所在位置的局部腦活動，這樣就可以根據在進行認知活動時HbO2和Hb的濃度相對變化，推知那些腦區參與認知活動，及這些腦區之間的關系.所以，研究人員可利用近紅外光譜技術研究腦高級認知活動的神經機制.

2.2 近紅外光譜技術的測量指標

近紅外光譜技術能測兩種濃度變化：一種是測量腦認知活動過程中相關腦區中脫氧血紅蛋白濃度以及氧合血紅蛋白的濃度發生的變化趨勢；還有一種則是測量腦認知活動過程中腦區總血紅蛋白濃度變化.研究人員在統計相關指標時常常使用的是氧合血紅蛋白指數、脫氧血紅蛋白指數以及總血紅蛋白指數這三種數據.[1]

2.3 近紅外光譜技術的儀器構成

腦功能近紅外光譜檢測系統主要由柔性探頭、測控模塊和計算機3個部分組成.測控模塊由計算機事先設定的時鐘控制頻率.近紅外光是從柔性探頭上的四個光源發出的，光源是利用時分復用技術由光源驅動單元依次點亮的.儀器工作時，特定波長的近紅外光照射在待測生物組織上，光信號經過生物組織衰減后被探測器接收，然后在探測器中進行光電信號的轉換和信號的放大.經過信號放大、濾波等處理前端模擬信號經USB接口輸入到計算機中.然后由計算機即時對信號數據進行處理，計算出血氧濃度隨組織活動的變化并呈現在界面上，由此可推測出相關組織區域的活動強弱.[2]

3 近紅外光譜技術在高級認知神經科學研究中的運用

3.1 近紅外光譜技術在工作記憶研究中的應用

華中科技大學生物醫學光子學教育部重點實驗室已經展開了關于各種腦功能的研究.如采用n-back作業范式研究工作記憶中大腦前額葉的活動情況.我們都知道，工作記憶的作用在于初步加工和短暫存儲被激活信息，以備進入長時記憶或提取等，其對完成學習、語言理解及問題解決等腦的高級認知活動十分重要.由于工作記憶的中央執行系統中的信息執行控制過程十分難理解，內容包括計劃、注意、任務及監督管理等各種認知成分，這些不同功能很難在大腦功能的影像中嚴格分開.研究利用fNIRIS系統，采用言語性n-back作業范式，監測被試在執行言語性n-back任務時前額葉皮層的激活情況，并分析被試行為表現及腦激活數據.[3]另外他們還研制了一種更實用的三波長近紅外腦功能光學成像系統，從而考察被試行為表現及前額葉的工作記憶負荷效應，進而研究較高記憶任務條件下，被試前額葉腦區激活情況對其行為表現的影響.一系列的研究結果表明，被試前額葉的工作記憶負荷效應顯著：前額葉皮層激活腦區具有典型的激活模式，被試的錯誤判斷引起額外的前額葉皮層激活；前額葉皮層活動的功能側化現象顯著，記憶負荷越大，側化指數越小；較高記憶負荷下，被試激活腦區活動程度與其行為參數之間存在著規律性聯系.隨著近紅外光譜技術的發展及其在工作記憶方面的研究應用，利用近紅外光譜技術得到的研究結果必將為工作記憶的腦機制的研究提供更加科學可靠的實驗數據，為不斷加深對工作記憶的認知加工過程的研究做出更多的貢獻.

3.2 近紅外光譜技術在自然情境下認知過程研究中的應用

由于近紅外光譜技術的設備較小，輕便，能進行長時間的重復測量，并且被試實驗過程中的動作對腦成像影響不是特別明顯，因此適合研究自然情境下認知過程的神經機制.如Nagamitsu等人采用近紅外光譜技術研究被試在觀看視頻游戲時大腦局部血容量，實驗過程中要求被試玩巧妙的游戲.實驗結果發現，在玩游戲過程中五個成人被試中有四個被試的大腦雙側前額葉的總血紅蛋白濃度上升顯著；七個兒童被試中有兩個被試大腦雙側前額葉的總血紅蛋白濃度顯著下降.研究結果表明，大腦前額區氧合血紅蛋白和雙側運動區氧合血紅蛋白的濃度呈顯著正相關[4].近年來，研究者不斷采用fNIRIS研究大腦前額葉在睡眠、和倫敦塔任務等自然情境中的變化，取得了一系列重要的結果.并且研究者還將此技術用于研究模擬駕駛、電子游戲、教育及咨詢情境中的大腦的認知活動研究.近年來，近紅外在便攜、無傷害性等方面的發展成熟，為在自然情境中研究大腦認知活動機制提供了有效的技術手段.隨著近紅外光譜技術的廣泛應用，日常生活狀態下人們認知過程的神經機制將越來越能被腦功能成像的結果所解釋[5].

3.3 近紅外光譜技術在發展性閱讀障礙研究中的應用

發展性閱讀障礙是一種較常見的學習障礙現象.發展性閱讀障礙的兒童通常有與正常兒童水平相當的智力，他們享有共同的教育機會，但是前者的閱讀水平顯著落后于后者.以往研究中，其它功能監測技術對閱讀障礙兒童大腦功能進行監測所得到的結果各有不同.鑒于此研究者采用fNIRIS設計了恰當的實驗范式，以漢語閱讀障礙兒童為研究對象，研究其大腦皮層活動在進行漢字語音和語義加工時與正常兒童的差異.研究結果表明漢語閱讀障礙兒童在執行漢字閱讀任務時，左前額葉皮層中血容增加的區域明顯小于正常兒童，且血容增加的幅度較正常兒童低.實驗結果為閱讀障礙的神經生理學研究提供了可靠證據.[6]

目前隨著光電技術和信息技術的發展進步，近紅外光譜技術在大腦功能活動的監測上得到了進一步的發展.不僅如此，在研究嬰兒大腦方面，由于其大腦發育尚未完全、體積較小、幾何結構較簡單、光學特性參數也比成人腦有規律，便于研究，因此近紅外光譜技術在研究對嬰兒大腦的發育與發展方面也十分有效.另外一些研究者使用近紅外光譜術研究語音識別時被試皮層的活動，都得到了一些重要的發現.

4 近紅外光譜技術的優勢與不足

4.1 近紅外光譜技術的優勢

在現有的腦功能成像技術中，腦電技術（EEG）和事件相關電位技術（ERP）雖然有著較高的時間分辨率，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足需要，可是它們又滿足不了對時間分辨率的要求.但是近紅外光譜技術卻能兩者兼顧，基本能滿足研究者對時間分辨率和空間分辨率的要求.另外近紅外光譜技術還有靈活、易用、成本低和沒有侵入性的優點，不僅能實時監測腦區認知活動在自然情境中的情況，還可以同時與EEG、fMRI、PET等其他腦功能成像技術研究手段進行測量，并且互不干擾.還能用于對大量被試進行反復多次實驗.近年來在近紅外光譜技術已廣泛應用于認知神經科學領域[7].

4.2 近紅外光譜技術的不足

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

5 結語與展望

在近幾十年里，近紅外光譜技術在研究大腦高級認知神經機制中顯示出越來越明顯的優勢，采用近紅外光譜技術研究的實驗報告也越來越多的發表在很多高水平的雜志上.近紅外光譜技術開辟了大腦研究的新領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.近年來功能性近紅外光譜技術已經取得了美國藥物和食品管理局的認證，并且已在新生兒語言加工的研究、語言和認知發展、認知切換能力等各個認知神經科學領域中得到了普遍的應用[8].當然近紅外光譜技術還有待進一步的發展與完善，但隨著這項新技術的不斷改進，其在心理學各領域的研究將會不斷加深，應用范圍也將會不斷擴大，近紅外光譜技術在腦功能研究領域的應用價值將不可估量.

〔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(FN IRS).心理科學,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詞對的語義編碼過程一來自光學成像的佐證.心理學報,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.

〔7〕Rutherford MD, Mcintosh DN.(2007).Rules versus prototype matching:strategies of perception of emotional facial expressions in the autism spectrum [J].J Autism Dev Disord,37(2):187-196.

〔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.