大家好，这里是茗创科技。
由于对运动伪迹敏感、电磁干扰敏感、成像过程幽闭等原因，现有的脑功能研究技术，如脑电图（EEG），事件相关电位（ERP），功能核磁共振成像（fMRI）不适用于儿童（尤其婴幼儿）等研究对象，亦不适用于自然情境等高生态效度场景的研究和应用。近红外脑功能成像（functional near-infrared spectroscopy，fNIRS）被认为是一种能满足以上要求的脑功能成像技术，为脑科学基础研究和临床应用提供了全新的观测手段。
想了解近红外脑功能成像 (fNIRS)的小伙伴们看过来。
fNIRS是一种利用近红外光无创测量含氧血红蛋白(HbO2)和脱氧血红蛋白(HHb)浓度的新技术。
近红外脑功能成像原理
功能性近红外光谱(fNIRS)是一种新技术，利用近红外光非侵入性测量人脑组织中含氧血红蛋白（HbO2）和脱氧血红蛋白（HHb）的浓度，或它们相对于基线周期的典型变化（ΔHbO2）和（ΔHHb）。fNIRS依赖于神经血管耦合机制，以及近红外光深入生物组织的能力。fNIRS具有无创、安全、便携、对运动伪影敏感性低的特点，已被广泛应用于人体研究（如老年痴呆、婴幼儿及儿童、帕金森病、精神疾病、脑卒中等）。最常见的使用的近红外光谱方法是采用稳态光源和连续波近红外光谱(CW-fNIRS) 。由于CW-fNIRS系统可以无线化和小型化，所以一些应用也已在自由活动的动物身上进行，如山羊、小鼠和绵羊等。
以下整理了关于fNIRS的最新研究内容：
1. Neurophotonics（3.593）：在婴儿期使用漫反射光学断层扫描灵敏度研究头皮与皮质对应的发育变化
漫射光学断层扫描（DOT）使用近红外光谱（NIRS）来测量脑血红蛋白浓度的变化。 NIRS数据的结构解释需要准确描述颅脑关系和DOT对底层皮质结构的敏感性。而关于儿童人群的这些信息是有限的，因为他们的大脑发育很快。
该研究旨在考察婴儿（2周至24个月）、儿童（4岁至12岁）和成人（20至24岁）头皮到皮层距离的年龄相关差异以及头皮位置和皮层感兴趣区域（ROI）的影像。使用空间头皮投影和光子传播模拟方法以及基于MRI的年龄匹配的真实头部模型。
结果发现，婴儿的头皮到皮层的距离存在年龄差异，而在儿童和成人中，这种差异会更大。头皮位置和皮质ROI之间的概率映射存在的年龄差异，包括空间投影和DOT敏感性。我们的发现对NIRS/fNIRS数据的准确解释依赖于对DOT敏感性的估计，而DOT敏感性反映了头部和皮层的发育。应使用适合年龄的真实头部模型为婴儿的独立DOT数据提供结构上的指导。
原文：Investigating developmental changes inscalp-to-cortex correspondence using diffuse optical tomography sensitivity ininfancy.
http://dx.doi.org/10.1117/1.NPh.8.3.035003
2. Journal of Biophotonics（3.207）：通过漫相关光谱法和近红外光谱法评估自闭症小鼠模型中灌注和代谢的量化
需要用于自闭症早期诊断的定量生物标志物。脑血流量和氧化代谢参数可以更好的用于特征对比。扩散相关光谱 (DCS) 已被证明是获得动物和人类脑血流对比的可靠方法。因此，在这项研究中，我们采用DCS和fNIRS评估了应用于已建立的自闭症小鼠模型。结果显示，与对照组(分别为(1.93 ± 0.74) * 10-8 cm2/s，177.2 ± 45.8 μmol/100 g/min)相比，自闭症组(p=0.001)血流量(1.16 ± 0.26) * 10-8 cm2 /s)显著降低(~40%)，氧化代谢(p=0.015) (52.4 ± 16.6 μmol/100 g/min)显著降低(~70%)。这些结果表明 DCS 和 fNIRS 的组合可以为无创自闭症病理状况的评估提供血液动力学和代谢对比。
原文：Quantificationof Perfusion and Metabolism in an Autism Mouse Model Assessed by DiffuseCorrelation Spectroscopy and Near-Infrared Spectroscopy.
http://dx.doi.org/10.1002/jbio.202000454
3. Front Hum Neurosci（3.169）：团队协作决策的脑间同步：一项 fNIRS 超扫描研究
在很多情况下，决策行为大多由团队模式（即两个以上的人）组成。然而，缺乏基于大脑模型来认识团队互动如何促进和影响团队协作决策 (TCDM) 行为。为了研究在现实的人际互动情境中，两个人被要求在一个多人囚徒困境游戏中对他们的对手建立TCDM模型，同时使用功能性近红外光谱测量神经活动。
这些实验有两个主要发现。首先，TCDM和ISDM之间存在不同的神经基质，它们受社会环境线索的调节。即，在个体独立决策 (ISDM) 阶段，低激励奖励在左额下回 (IFG) 内产生更高的激活，而背外侧前额叶皮层 (DLPFC) 和中额极区在TCDM阶段被激活。高激励奖励在TCDM阶段在正确的IFG中引起了更高的脑间同步 (IBS) 值。其次，在ISDM期间，男性在DLPFC和中间额极区显示出更高的激活，而女性在TCDM期间在右侧IFG中引起更高的IBS。这些性别效应表明，在个体社会困境情境中，男性和女性可能分别依赖于非社会和社会认知能力做出决定，而在TCDM的社会互动情境中，女性可能同时依赖于社会和非社会认知能力。这项研究为未来TCDM行为的神经科学工作提供了基础和有趣的视角。
原文：Interbrain Synchrony of Team CollaborativeDecision-Making: An fNIRS Hyperscanning Study.
http://dx.doi.org/10.3389/fnhum.2021.702959
4. Scientific Reports（4.379）：重复经颅磁刺激中抑郁症的漫射光学断层成像
重复经颅磁刺激(rTMS)是一种安全有效的抑郁症治疗方法。然而，由于靶目标未优化，理想刺激参数不明确，以及缺乏关于大脑在刺激期间和刺激后的生理反应的信息，其潜力可能会受阻。虽然神经成像是获取这些关键信息的理想方法，但现有的模式由于分辨率低以及电磁频谱的显著噪声干扰而受到限制。
在这项研究中，我们使用了一种新型的漫射光学断层成像(DOT)设备，以加深我们对rTMS在抑郁症中的神经生理学影响的理解。招募年龄在18至70岁的健康和抑郁症被试。治疗参数标准化，以左侧背外侧前额叶皮层为靶点，磁场强度为100%运动阈值，脉冲频率为10 / s，刺激时间为4 s，休息时间为26 s。同时从对侧背外侧前额叶皮层获得DOT成像。最终分析包括6名健康和7名抑郁症被试的数据。成功采集到血红蛋白变化和体素三维激活模式。与健康被试相比，抑郁症被试对经颅磁刺激有延迟和较弱的反应，激活量减少。在这项研究中，我们证明了DOT安全可靠地捕捉和比较抑郁和健康被试的皮质反应模式与rTMS的能力。文中介绍了这种新兴的光学功能成像模式，作为一种研究靶向性、新的治疗参数和抑郁症rTMS生理效应的新方法。
原文：Neuroimaging of depression with diffuse opticaltomography during repetitive transcranial magnetic stimulation.
https://doi.org/10.1038/s41598-021-86751-9
5. Scientific Reports（4.379）：有无自闭症谱系障碍的儿童在摇摆同步任务中的运动和皮层激活：一项fNIRS研究
自闭症谱系障碍(ASD)儿童在模仿和人际同步(IPS)等社交嵌入动作方面存在困难。然而，其背后相关的运动特征和潜在的神经机制尚不清楚。该研究比较了ASD患儿和非ASD患儿在不同社会信息水平下进行全身、摇摆同步任务时的运动特征和皮层激活模式。
选择30名有ASD和没有ASD的儿童(平均年龄：12.6岁，SE：0.6岁)参与本研究。当儿童观察到一个成人测试者左右摇摆时，记录其独自摇摆（solo）、与测试者面对面时（face）、有或没有指尖接触（touch）条件下的摇摆 (即IPS)，其运动和基于fNIRS的皮层激活情况。
研究结果发现，与正常发育的非ASD儿童相比，ASD儿童表现出同步性降低和更小的摇摆幅度。总的来说，额外的社会视觉(面部)和社会视觉加上社会触觉信息(触摸)可能会增加到达额顶叶区域的信息，导致皮层激活的放大。然而，ASD儿童在IPS期间，显示其额下回和颞上沟的皮层激活减少。当他们在获得更多社会信息时，皮层激活没有显著增加，这说明ASD儿童可能在感知和处理多重社会信息输入(触觉和视觉)方面存在困难。皮层激活与IPS行为和社交表现显著相关。本研究是第一个考察不同程度的社会信息如何影响自闭症患儿和非自闭症患儿的全身IPS和皮质激活模式的研究，并且确定了ASD相关神经生物标志物可作为评估ASD儿童干预效果的客观指标。
原文：Movement kinematics and cortical activation in children with and withoutautism spectrum disorder during sway synchrony tasks: an fNIRS study.
https://doi.org/10.1038/s41598-021-94519-4
6. Physiological Measurement（2.833）：自闭症静息状态 fNIRS 信号的复杂性改变：一种多尺度熵方法
脑电信号处理中的特征提取和识别对于发展基于脑成像的自闭症谱系障碍（ASD）诊断具有重要意义。在这项研究中，通过多尺度熵（MSE）方法对从双侧颞叶收集的静息态 (RS) 功能近红外光谱（fNIRS）信号的复杂性进行评估。25名ASD儿童和22名正常发育（TD）儿童参与了本次实验研究。MSE的定量分析揭示了ASD儿童RS-fNIRS的复杂性增加。特别是，左侧颞叶在ASD儿童和TD儿童之间存在显著差异，且RS信号和静息态功能连接（RSFC）的复杂性呈负相关。这些结果表明MSE可以作为RS-fNIRS信号表征ASD的一种新方法。
原文：Altered complexity in resting-state fNIRS signal in autism:
a multiscaleentropy approach.
http://dx.doi.org/10.1088/1361-6579/ac184d
7. Scientific Reports（4.379）：与年龄相关的表现退化和皮层活动增加，在时间和项目控制fNIRS测量上的比较
在我们这个老龄化社会，神经退行性过程的研究是非常有趣的。不同神经认知条件下的皮层激活是一个有前景的预测因子。在此背景下，本研究以区组设计为基础，采用追踪测试(TMT)和功能性近红外光谱法对250名健康老年人(53-84岁)的执行功能进行了调查。从而研究年龄对TMT期间表现和皮质血氧合的影响。
在神经生理学的层面上，各种各样的研究都认为，在执行高要求的任务时，老年人的皮层比年轻人显示出更高的激活，这通常被解释为一种代偿机制的证据。例如，Herrmann和Muller等人的fNIRS研究发现，与年轻人相比，老年人的背外侧前额叶皮层(DLPFC)有更多的双侧激活，且激活模式发生改变。另一个与年龄有关的认知能力下降的假说是神经去分化。该假说表明，随着年龄的增长，神经分化程度降低，同时神经加工的选择性和个体大脑区域的功能特异性降低。基于上述认知衰老模型，本研究旨在通过比较两种不同的方法来更好地理解老年神经激活和表现的相互作用：第一，皮层血液氧合(O2Hb during task completion; time-controlled)；第二，项目控制的血氧合（作为附加指标）(O2Hb/item)。
结果显示，与中年个体相比，老年参与者的处理速度显著下降，然而，在TMT a部分，错误率也更低。在神经生理学水平上，我们观察到，在完成TMT时，老年参与者的皮层血液氧合增加。最后，在(O2Hb/item)的测量上，没有发现老年参与者中每个项目的血流动力学皮层反应明显增加。研究结果证实，随着年龄的增长，认知能力会下降，但皮层活动会增加。
原文：Age-related deterioration of performance and increase of cortex activitycomparing time- versus item-controlled fNIRS measurement.
https://doi.org/10.1038/s41598-021-85762-w
8. Scientific Reports（4.379）：监测青光眼患者对视觉刺激的血流动力学反应
本研究采用时域功能近红外光谱技术(TD-fNIRS)评估了青光眼与健康眼被试在接受视觉刺激后，枕叶皮层的血流动力学响应功能(HRF)。TD-fNIRS与连续光波（CW）fNIRS相比，其优点之一是可以获得组织光学特性的绝对值，即吸收系数(μa)和减散射系数(μs’)。参与本研究的被试共有98名，临床分为健康被试、青光眼患者(原发性开角型青光眼)和混合被试(即对两只眼睛进行不同分类)。对73名健康眼和62名青光眼的HRF进行检查。氧合和脱氧血红蛋白浓度的振幅，及其相对于刺激开始的潜伏期，通过用标准HRF拟合它们的时间过程来估计。
研究发现，青光眼的O2Hb和HHb浓度振幅低于对照组。这表明青光眼患者的视觉通路可能存在多层次的神经元变性，包括枕叶皮层区域。总的来说，本研究发现，TD-NIRS的易用性和无创性使该技术成为更好地评估青光眼病理的支持工具。
原文：Monitoring the haemodynamic response to visual stimulation in glaucomapatients.
https://doi.org/10.1038/s41598-021-92857-x
9. Scientific Reports（4.379）：光子调制使一个困难的认知任务变得不那么费劲
在健康人群中，光神经调制(PNM)对认知和情感功能有积极的作用。此外，PNM对痴呆、创伤性脑损伤、中风和抑郁症患者也有着积极的影响。然而，与改善认知功能(如记忆和执行功能)相关的脑血流动力学变化尚未被探索。最近我们的研究中，对30名老年人在一次7.5分钟的真实或虚假PNM之前和之后进行了认知测试，并采用功能性近红外光谱(fNIRS)检测单剂量PNM后额叶血流动力学的变化，从而评估其额叶功能。结果发现，与刺激前的认知表现相比，只有接受了真实PNM的老年人在刺激后的行动选择、抑制能力和心理灵活性方面有显著改善。且接受真实PNM的人，在视觉记忆任务中有明显的血流动力学反应减少（氧合血红蛋白水平降低）和视觉记忆表现的改善。这些发现表明，PNM可能降低完成需要高记忆负荷的认知任务所需的认知努力。而本次研究的目的是为了进一步检查是否会在年轻的健康成年人中观察到类似的结果。
本实验选取33名健康青年，随机分为对照组和实验组。实验组对前额进行单一的PNM刺激，而对照组进行假性刺激(相同的过程，但没有机器激活)。在刺激前后，所有参与者在0和3个back条件下执行n-back任务来评估他们的工作记忆功能，并通过fNIRS测量他们在任务期间的血流动力学反应。
研究结果发现，在记忆相关的额叶激活中，有显著的组(实验vs.控制)×时间(PNM前vs. PNM后)交互作用。具体来说，只有实验组的额叶血流动力学水平在这个困难的任务中有显著下降。与记忆相关的额叶激活与Rey Osterrieth复合图形测试的即时和延迟回忆显著相关。因此，PNM可能降低完成高记忆负荷任务所需的认知努力。
原文：Photoneuromodulation makes a difficult cognitive task less arduous.
https://doi.org/10.1038/s41598-021-93228-2
10. Scientific Reports（4.379）：模拟驾驶中前额叶脑负荷的相关性:一项功能性近红外光谱研究
最佳的心理负荷对驾驶表现起着关键作用。通过脑机接口自动适应驾驶员当前心理负荷的驾驶员辅助系统可能会对交通安全做出巨大贡献。为了设计经济的脑机接口而不影响驾驶员的舒适度，有必要确定大脑中对脑负荷变化最敏感的区域。
在本研究中，我们使用功能性近红外光谱和主观评分来测量两个不同需求的虚拟驾驶环境中的心理负荷。结果发现，要求高的城市环境比要求低的乡村环境有更高的主观工作量评分和更高的双侧额中回激活。进一步的空间分辨率分析显示，在右侧前额叶背外侧皮层有一个激活中心，该区域与空间工作记忆处理密切相关。
因此，在复杂环境中，驾驶员心理负荷的主要组成部分可能来自于道路以及其他道路使用者的大量空间信息需要不断维护、处理和更新。我们认为右额中回可能是一个适合应用强大的小区域脑机接口的区域。
原文：Shedding light on the prefrontal correlates of mental workload in simulateddriving: a functional near-infrared spectroscopy study.
https://doi.org/10.1038/s41598-020-80477-w