近红外光谱技术及其在脑高级认知研究中的应用

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1、近红外光谱技术及其在脑高级认知研究中的应用刘洁（郑州大学教育系，河南郑州450001）摘要：介绍了一种新兴的脑功能成像技术--近红外光谱技术（fNIRIS），阐述了fNIRIS的基本原理及该技术在语言、记忆、阅读等人脑的高级认知中的应用，讨论近红外光谱技术的优势和不足，并对其在认知神经科学方面提出研究展望..jyqk到900nm的光谱范围中拥有截然不同的吸收光谱.近红外光谱技术可以依据对所测量的HbO2和Hb浓度准确定位测量点所在位置的局部脑活动，这样就可以根据在进行认知活动时HbO2和Hb的浓度相对变化，推知那些脑区参与认知活动，及这些脑区之间的关系.所以，研究

2、人员可利用近红外光谱技术研究脑高级认知活动的神经机制.2.2近红外光谱技术的测量指标近红外光谱技术能测两种浓度变化：一种是测量脑认知活动过程中相关脑区中脱氧血红蛋白浓度以及氧合血红蛋白的浓度发生的变化趋势；还有一种则是测量脑认知活动过程中脑区总血红蛋白浓度变化.研究人员在统计相关指标时常常使用的是氧合血红蛋白指数、脱氧血红蛋白指数以及总血红蛋白指数这三种数据.[1]2.3近红外光谱技术的仪器构成脑功能近红外光谱检测系统主要由柔性探头、测控模块和计算机3个部分组成.测控模块由计算机事先设定的时钟控制频率.近红外光是从柔性探头上的四个光源发出的，光源是利用时分复用技术

3、由光源驱动单元依次点亮的.仪器工作时，特定波长的近红外光照射在待测生物组织上，光信号经过生物组织衰减后被探测器接收，然后在探测器中进行光电信号的转换和信号的放大.经过信号放大、滤波等处理前端模拟信号经USB接口输入到计算机中.然后由计算机即时对信号数据进行处理，计算出血氧浓度随组织活动的变化并呈现在界面上，由此可推测出相关组织区域的活动强弱.[2]3近红外光谱技术在高级认知神经科学研究中的运用3.1近红外光谱技术在工作记忆研究中的应用华中科技大学生物医学光子学教育部重点实验室已经展开了关于各种脑功能的研究.如采用n-back作业范式研究工作记忆中大脑前额叶的活动情

4、况.我们都知道，工作记忆的作用在于初步加工和短暂存储被激活信息，以备进入长时记忆或提取等，其对完成学习、语言理解及问题解决等脑的高级认知活动十分重要.由于工作记忆的中央执行系统中的信息执行控制过程十分难理解，内容包括计划、注意、任务及监督管理等各种认知成分，这些不同功能很难在大脑功能的影像中严格分开.研究利用fNIRIS系统，采用言语性n-back作业范式，监测被试在执行言语性n-back任务时前额叶皮层的激活情况，并分析被试行为表现及脑激活数据.[3]另外他们还研制了一种更实用的三波长近红外脑功能光学成像系统，从而考察被试行为表现及前额叶的工作记忆负荷效应，进而

5、研究较高记忆任务条件下，被试前额叶脑区激活情况对其行为表现的影响.一系列的研究结果表明，被试前额叶的工作记忆负荷效应显著：前额叶皮层激活脑区具有典型的激活模式，被试的错误判断引起额外的前额叶皮层激活；前额叶皮层活动的功能侧化现象显著，记忆负荷越大，侧化指数越小；较高记忆负荷下，被试激活脑区活动程度与其行为参数之间存在着规律性联系.随着近红外光谱技术的发展及其在工作记忆方面的研究应用，利用近红外光谱技术得到的研究结果必将为工作记忆的脑机制的研究提供更加科学可靠的实验数据，为不断加深对工作记忆的认知加工过程的研究做出更多的贡献.3.2近红外光谱技术在自然情境下认知过程

6、研究中的应用由于近红外光谱技术的设备较小，轻便，能进行长时间的重复测量，并且被试实验过程中的动作对脑成像影响不是特别明显，因此适合研究自然情境下认知过程的神经机制.如Nagamitsu等人采用近红外光谱技术研究被试在观看视频游戏时大脑局部血容量，实验过程中要求被试玩巧妙的游戏.实验结果发现，在玩游戏过程中五个成人被试中有四个被试的大脑双侧前额叶的总血红蛋白浓度上升显著；七个儿童被试中有两个被试大脑双侧前额叶的总血红蛋白浓度显著下降.研究结果表明，大脑前额区氧合血红蛋白和双侧运动区氧合血红蛋白的浓度呈显著正相关[4].近年来，研究者不断采用fNIRIS研究大脑前额叶

7、在睡眠、和伦敦塔任务等自然情境中的变化，取得了一系列重要的结果.并且研究者还将此技术用于研究模拟驾驶、电子游戏、教育及咨询情境中的大脑的认知活动研究.近年来，近红外在便携、无伤害性等方面的发展成熟，为在自然情境中研究大脑认知活动机制提供了有效的技术手段.随着近红外光谱技术的广泛应用，日常生活状态下人们认知过程的神经机制将越来越能被脑功能成像的结果所解释[5].3.3近红外光谱技术在发展性阅读障碍研究中的应用发展性阅读障碍是一种较常见的学习障碍现象.发展性阅读障碍的儿童通常有与正常儿童水平相当的智力，他们享有共同的教育机会，但是前者的阅读水平显著落后于后者.以往研究

8、中，其它功