近红外脑功能成像（fNIRS） 在脑认知科学研究中的运用

由于 fNIRS 作为一种便携，无创伤的脑成像技术，有较好的时间分辨率和空间分辨率，因此该技术已经被广泛的应用于心理学研究中。其中主要包括对视觉、情绪、注意、记忆，执行功能等的神经机制的探索。

1. fNIRS 在基础心理学中的运用—ex：婴幼儿语言研究 

近二十年来 fNIRS 在婴儿和成人的言语成像研究中取得了广泛的应用，有 60 余篇公开发表的研究成果，这些研究分别与脑部经典言语区相关。fNIRS 的无创伤性、较高的时间分辨率和空间分辨率以及对被试动作的高容忍度，使其成为了言语成像领域的优势技术。¹1998 年第一次用商用 fNIRS 系统证实了布洛卡区在言语过程中的活动 (Watanabe et al., 1998)。后来研究中用不同的近红外设备均能观察到小 孩、成人以及婴儿的大脑经典言语区的皮层激活。用一系列声音（如：人造声音、 音乐以及说话声）作为对婴幼儿的听觉刺激，证实了一些重要的争论，如多通道感知觉的发展，听说模式形成的潜在机制，语言习得的大脑机制，以及说话和音乐反应的大脑单侧化优势发展。 

相比于脑电需要导电糊改变其阻抗的处理方式，以及脑电和核磁需要尽量保证被试不产生较大头动和身体移动的情况，近红外由于其独特的测量技术和手段， 其具有便携，抗运动伪迹干扰，舒适等特点，使得近红外设备可以应用于婴幼儿 的测量中，婴幼儿弹性帽和探头能带来更舒适的体验并在根本上避免了只能在睡眠状态下测量婴幼儿认知的限制。 

图 1 婴幼儿语言研究 

比如在幼儿上的近红外研究：在发展早期，情感通过声音传递比通过面部和身体姿势等其他载体传递对婴儿的行为具有更重要的引导作用。然而，在发展的最初阶段，大脑情感韵律的加工尚不清楚。为了帮助解决此问题，深圳大学张丹丹老师及其同事使用了功能性近红外光谱技术来检测新生儿的大脑活动，实验时让被试被动收听恐惧、愤怒、快乐和中性的语音韵律。结果发现, 相对于中性情感韵律，恐惧、愤怒、快乐韵律下，右侧颞叶皮层(主要位于颞中回和颞上回)表现出增强的血流动力学响应, 相对于快乐和中性韵律，右顶叶区域(大约位于缘上回)表现出对恐惧的高度敏感，而相对应的左半球则没有差异。这些发现反映了右半脑在新生儿对情感韵律的加工中至关重要。²

2. fNIRS 在发展心理学研究中的运用—ex：能力测量 

fNIRS 具有无创性、便携性的特点，因此 fNIRS 首先被广泛运用于儿科临床中, 以监测高危早产儿童的脑部血氧状况, 监测新生儿的发展状况。由于儿童特别是婴幼儿的自我控制能力较差,因此对儿童进行脑功能成像的研究往往较为困难，导致以儿童尤其是婴幼儿为对象的认知神经科学研究较少近年来, 随着 fNIRS 在幼儿神经机制研究中的应用。人们将对神经系统发育生长最快的时期——婴幼儿阶段的人类大脑发展机制有更为深入地了解。 

此外，fNIRS 还广泛用于不同年龄段人群认知功能的比较以及认知老化的脑功能研究。 

例如一项发展性阅读障碍的研究。发展性阅读障碍是指儿童智力正常，并且享有均等的教育机会，但是阅读成绩显著落后于其年龄所应达到水平的一种学习障碍现象。针对其它功能监测技术对阅读障碍患者大脑功能进行监测所得到的不同结果，设计了合适的实验范式对汉语儿童阅读障碍患者在进行汉字语音和语义加工时的大脑皮层活动进行研究，结果显示汉语儿童阅读障碍患者左前额叶大脑皮层活动异常，为阅读障碍的神经生理学研究提供了实验证据。 

图2 能力测量（GO/NOGO 范式） 

另外一项例子是关于反应抑制能力的，即广泛使用的 GO/NOGO 范式所进行的测量，反应抑制，是执行功能的一个重要成份，对做出正确行为的决策，以适应任务变化的要求有重要作用，其功能发展于儿童早期。行为数据表明，到 3 岁时，孩子已经基本掌握评估响应抑制任务的要求，但要直到 7 岁左右才能表现出能力提高。但是，在这发育过程中改变的神经机制尚不清楚。在本研究中，研究者通过在近红外（fNIRS）脑成像过程中应用“GO/NOGO”范式，测量了 4 至 6 岁儿童的脑激活模式和行为表现。我们发现与成人相比，儿童与抑制相关的右侧额顶--前额叶激活减少。相反，运动相关的激活在年龄组之间没有差异。我们的研究结果表明，在 4-6 岁年龄的儿童中，额顶脑成熟在抑制反应的认知发展中起着至关重要的作用。³

3 fNIRS 在静息态及常规脑科学中的运用 

近年来，fNIRS 也被很好的运用于新兴热门认知神经科学研究中，如静息状态下的脑功能连接。静息状态是指被试者保持清醒、不接收任何外部刺激或执行任何高级功能的状态。近年来,人们越来越重视静息态下的脑功能研究。静息状态下的脑功能连接是指检测休息状态下的自发性脑血液动力学波动，这能反应神经元的活动。最近的一项 fNIRS 研究探索了在静息状态下全脑的血液动力学信号的时空关联，结果发现在被试大脑中存在一致的区域之间的互动。尤其是感觉运动皮层和视觉皮层展现了很强的半球内相关。同时前额叶的活动情况呈现很强的多样化。另一项研究则证明了在感觉运动区域基于 fNIRS 的静息状态下脑功能连接的重测稳定性。⁴

对于常规近红外脑科学研究，如利用近红外进行儿童说谎、认知状态、情绪、发展状态等研究也越来越多。如使用近红外测量儿童在进行倾听故事和移情之间的脑区域激活，结果发现儿童在倾听故事后发生移情并引起了内侧和双侧眶额叶皮层（OFC）激活。⁵

4 fNIRS 在自然情景认知神经科学中的运用 

因为成像技术本身的特点,大部分都是在实验室条件下进行的,对实验设计有较高的要求,而且对被试的头部运动有较为严格的限定。加之所使用的仪器较为庞大, 因此很难在自然情境下研究高级认知过程的神经机制, 实验室的认知神经科学研究结果具有较高的内部效度，但是缺乏较高的生态效度，用以推论和解释人们日常生活中的行为有困难。而在 fNIRS 的研究中，因为颅骨对光的散射系数被认为是恒定的, 因此 fNIRS 对被试实验过程中的动作不是特别敏感，故而适合需要动作的认知过程的神经机制研究。

近年来,研究者采用 fNIRS 研究伦敦塔任务、睡眠和弹钢琴等自然情境下大脑前额叶的变化。⁶ 此外由于 fNIRS 的这些优良特性，该技术也越来越被广泛地应用在运动神经科学中，研究相对集中于抗阻训练、运动疲劳和运动认知研究三个主要方面。考察运动中大脑皮层的血液动力学特征，有助于揭示运动中大脑皮层的功能性激活与运动的关系及其机制，为运动人群脑功能的检测、评价和调控提供客观性指标，为科学地制定锻炼或训练计划、合理安排锻炼强度和提高锻炼效果提供实证依据。⁷

一项力竭研究发现，随着运动负荷的增加，大脑含氧量增加，而肌肉氧化却逐渐降低，二者形成了鲜明对比。高运动强度引发高强度的局部脑区神经激活，此时能量需求超过能量供给。因此在力竭运动中，被激活的脑区会发生能量供求之间的不平衡。⁸

图 5-3

参考文献：

1. Valentina Quaresima,et al. A brief review on the use of functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) for language imaging studies in human newborns and adults[J]. Brain Lang, 2012, 121(2):79-89. IF=2.382

2. Dandan Zhang, et al. Discrimination of emotional prosodies in human neonates: A pilot fNIRS study[J]. Neurosci Lett, 2017, 658:62-66. IF=3.044 

3. Jan Mehnert, et al. Developmental changes in brain activation and functional connectivity during response inhibition in the early childhood brain[J]. Brain Dev, 2013, 35(10):894-904. IF=1.961 

4. Simone Cutini,et al. Functional near infrared optical imaging in cognitive neuroscience: an introductory review[J]. J. Near Infrared Spectrosc, 2012, 20: 75-92 . 

5. Tila Tabea Brink, et al. The role of orbitofrontal cortex in processing empathy stories in 4- to 8-year-old children[J]. Front Psychol, 2011, 2:80. IF=2.990 

6. Keiji Hashimoto, et al. Examination by near-infrared spectroscopy for evaluation of piano performance as a frontal lobe activation task[J]. Eur Neurol, 2006; 55(1):16-21. IF=1.712 

7. 蒋长好等.近红外光谱技术在运动脑功能研究中的应用[J].生物物理学报, 2011, 26(11). 

8. Marta I R Pereira, et al. A brief review of the use of near infrared spectroscopy with particular interest in resistance exercise[J]. Sports Med, 2007;37(7):615-24. IF=11.131