fNIRS從大腦中獲取了哪些數(shù)據(jù)？

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fNIRS采集的大腦功能活動(dòng)的重要指標(biāo)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(biāo)的測(cè)量，以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(wú)創(chuàng)功能性神經(jīng)影像技術(shù)， 通過(guò)發(fā)射特定波長(zhǎng)的近紅外光穿透顱骨，近紅外光在大腦穿行過(guò)程中，一部分光被大腦皮層血紅蛋白吸收，通過(guò)計(jì)算的光的吸收量的變化，計(jì)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(duì)濃度變化，再利用一定規(guī)律反推大腦神經(jīng)活動(dòng)情況，達(dá)到非侵入性的檢測(cè)大腦活動(dòng)的目的，近年來(lái)在認(rèn)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(huì)采集到哪些有價(jià)值的數(shù)據(jù)，又是如何通過(guò)數(shù)據(jù)來(lái)解讀大腦活動(dòng)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(cè)量的數(shù)據(jù)指標(biāo)

fNIRS主要測(cè)量的數(shù)據(jù)與大腦神經(jīng)元活動(dòng)時(shí)的血液流動(dòng)和代謝緊密相關(guān)，是評(píng)估大腦功能狀態(tài)的重要指標(biāo)，主要有以下幾個(gè)：

1.氧合血紅蛋白(HbO)濃度變化：當(dāng)腦區(qū)活動(dòng)增加時(shí)，隨著神經(jīng)活動(dòng)的增強(qiáng)，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(dòng)變化的核心指標(biāo)之一。fNIRS可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(dòng)增加時(shí)，含氧血紅蛋白濃度上升的同時(shí)脫氧血紅蛋白濃度地下降，這也是反映腦神經(jīng)活動(dòng)的重要指標(biāo)。

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(biāo)曲線圖

fNIRS數(shù)據(jù)的采集

1.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

a.任務(wù)設(shè)計(jì)：根據(jù)研究目標(biāo)設(shè)計(jì)合適的任務(wù)或刺激，確保實(shí)驗(yàn)具有較高的可重復(fù)性。例如，認(rèn)知任務(wù)可以包括記憶、注意或語(yǔ)言任務(wù)，運(yùn)動(dòng)任務(wù)可以涉及主動(dòng)/被動(dòng)運(yùn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)想象。

b.基線測(cè)量：在任務(wù)開始前進(jìn)行基線測(cè)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(zhǔn)

a.光源校準(zhǔn)：確保光源強(qiáng)度和波長(zhǎng)穩(wěn)定，以避免實(shí)驗(yàn)過(guò)程中光強(qiáng)度的波動(dòng)影響數(shù)據(jù)質(zhì)量。

b.光功率動(dòng)態(tài)調(diào)整：避免飽和或過(guò)低的信號(hào)強(qiáng)度。

3.數(shù)據(jù)采集

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

b.光源和探測(cè)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(biāo)腦區(qū)。光源和探測(cè)器之間的距離（通常為3cm）需要根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)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(qiáng)度變化，并實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?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(yùn)動(dòng)偽影。

圖3 fNIRS裝置應(yīng)用場(chǎng)景圖

結(jié)語(yǔ)

fNIRS采集的大腦功能活動(dòng)的重要指標(biāo)主要有三種：HbO、HbR、HbT。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、光纖帽的佩戴、實(shí)驗(yàn)環(huán)境等因素對(duì)數(shù)據(jù)采集結(jié)果都有影響。

通過(guò)對(duì)HbO、HbR和HbT這些重要指標(biāo)的測(cè)量，以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集過(guò)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(rèn)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(lái)更多的突破和驚喜。

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