小磁說｜TIPS

fNIRS采集的大腦功能活動的重要指標主要有三種：氧合血紅蛋白(HbO)濃度變化、脫氧血紅蛋白(HbR)濃度變化、總血紅蛋白(HbT)濃度變化。

這些重要指標的測量，以及嚴謹?shù)膶嶒炘O(shè)計和數(shù)據(jù)采集，能夠幫助我們更深入地了解大腦的奧秘！

功能性近紅外光譜成像技術(shù)(functional near infrared spectroscopy,fNIRS)是一種最新的無創(chuàng)功能性神經(jīng)影像技術(shù)， 通過發(fā)射特定波長的近紅外光穿透顱骨，近紅外光在大腦穿行過程中，一部分光被大腦皮層血紅蛋白吸收，通過計算的光的吸收量的變化，計算出大腦皮層血液中的主要成分氧合血紅蛋白(HbO)和脫氧血紅蛋白(HbR)的相對濃度變化，再利用一定規(guī)律反推大腦神經(jīng)活動情況，達到非侵入性的檢測大腦活動的目的，近年來在認知神經(jīng)科學(xué)、心理學(xué)、教育學(xué)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

圖1 fNIRS作用原理圖

fNIRS究竟會采集到哪些有價值的數(shù)據(jù)，又是如何通過數(shù)據(jù)來解讀大腦活動的，本文將帶您深入了解fNIRS技術(shù)如何采集大腦數(shù)據(jù)。

fNIRS測量的數(shù)據(jù)指標

fNIRS主要測量的數(shù)據(jù)與大腦神經(jīng)元活動時的血液流動和代謝緊密相關(guān)，是評估大腦功能狀態(tài)的重要指標，主要有以下幾個：

1.氧合血紅蛋白(HbO)濃度變化：當(dāng)腦區(qū)活動增加時，隨著神經(jīng)活動的增強，局部血流量和血氧量供應(yīng)增加，導(dǎo)致HbO上升。它是反映神經(jīng)活動變化的核心指標之一。fNIRS可以實時監(jiān)測這種變化。

2.脫氧血紅蛋白(HbR)濃度變化：相應(yīng)的，當(dāng)腦局部神經(jīng)活動增加時，含氧血紅蛋白濃度上升的同時脫氧血紅蛋白濃度地下降，這也是反映腦神經(jīng)活動的重要指標。

3.總血紅蛋白(HbT)濃度變化：這是HbO和HbR之和，反映了局部血容量的變化。總血紅蛋白濃度的變化可以提供關(guān)于血流量變化的附加信息。

圖2 fNIRS主要采集指標曲線圖

fNIRS數(shù)據(jù)的采集

1.實驗設(shè)計

a.任務(wù)設(shè)計：根據(jù)研究目標設(shè)計合適的任務(wù)或刺激，確保實驗具有較高的可重復(fù)性。例如，認知任務(wù)可以包括記憶、注意或語言任務(wù)，運動任務(wù)可以涉及主動/被動運動或運動想象。

b.基線測量：在任務(wù)開始前進行基線測量，記錄受試者的腦血氧水平，作為后續(xù)數(shù)據(jù)分析的參考。

2.設(shè)備校準

a.光源校準：確保光源強度和波長穩(wěn)定，以避免實驗過程中光強度的波動影響數(shù)據(jù)質(zhì)量。

b.光功率動態(tài)調(diào)整：避免飽和或過低的信號強度。

3.數(shù)據(jù)采集

a.選擇測量位置：根據(jù)研究目標選擇合適的頭皮位置，通常使用國際10-20系統(tǒng)定位，確保覆蓋目標腦區(qū)。

b.光源和探測器的配置：根據(jù)需要配置單通道或多通道系統(tǒng)，確保覆蓋目標腦區(qū)。光源和探測器之間的距離（通常為3cm）需要根據(jù)具體實驗要求進行調(diào)整。

c.數(shù)據(jù)記錄：使用數(shù)據(jù)采集軟件記錄光強度變化，并實時監(jiān)控數(shù)據(jù)質(zhì)量。確保采集環(huán)境穩(wěn)定，避免外部光源干擾和受試者運動偽影。

圖3 fNIRS裝置應(yīng)用場景圖

結(jié)語

fNIRS采集的大腦功能活動的重要指標主要有三種：HbO、HbR、HbT。在數(shù)據(jù)采集過程中：實驗設(shè)計、光纖帽的佩戴、實驗環(huán)境等因素對數(shù)據(jù)采集結(jié)果都有影響。

通過對HbO、HbR和HbT這些重要指標的測量，以及嚴謹?shù)膶嶒炘O(shè)計和數(shù)據(jù)采集過程，我們能夠更深入地了解大腦的奧秘。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和相關(guān)軟件工具的日益完善，我們有理由相信，fNIRS在認知神經(jīng)科學(xué)、心理學(xué)、教育學(xué)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域?qū)l(fā)揮更加重要的作用，為大腦研究帶來更多的突破和驚喜。

? 閱讀推薦：

3.