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近红外脑功能成像在婴幼儿及儿童中的研究应用

研究报告/2020-03-11 12:56/700K

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近红外脑功能成像(fNIRS)是一种新兴的脑功能成像技术,可以在大脑活动期间获得大脑组织内脱氧血红蛋白(HbR)和氧合血红蛋白(HbO)的变化情况,是一种非侵入性脑成像技术;具有适用范围广泛、运动伪迹不敏感、电磁兼容性好、时空分辨率高等优势。

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。而fNIRS由于其便携性及较高的抗运动干扰能力,为婴幼儿及儿童脑功能发育、脑疾病诊断等研究提供了一种新的途径。

fNIRS用于研究婴儿早产与脑疾病

Makiko I(2014)等人使用fNIRS研究了在足月同龄时,足月儿、早期早产儿、唐氏综合征患儿的大脑功能发育差异。fNIRS探头覆盖婴儿额叶、颞叶和枕叶区域。为了揭示皮层网络的功能连通性,计算了所有测量通道之间的时间相关性。功能连接特征分为四种类型:短程连接、对侧-横向连接、同侧-纵向连接、其他连接。研究发现足月儿的平均功能连通性与早产儿无明显差异,而唐氏综合征组婴儿的平均功能连通性低于其他2组。研究还发现,对于功能连接的四种类型,短程连接强度最高,对侧-横向连接第二高。为了检验血液动力学的局部特性是否反映病理状态,该研究小组计算了各组婴儿HbOHbR浓度时间序列的相位差。计算结果表明,唐氏综合征组与其他2组有显着性差异[1]


图 各组婴儿不同类型网络连接比较

Watanabe H(2017)等人提出了一种检测足月儿、晚期早产儿、早期早产儿神经血管和代谢功能发育细微差异的方法(这些婴儿没有明显的临床问题表现)。他们主要研究了由fNIRS获得含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白自发低频(小于0.1Hz)振荡变化的时均相位差(hPod)。研究发现各组婴儿的hPod值随年龄增长均出现从同相模式到反相模式的发展变化,如图3所示。早期早产儿与晚期早产儿和足月儿相比,具有不同的hPod发育模式。在相同修正胎龄(3739 and 4043 wk)条件下,早期早产儿hPod值低于足月儿,表明早期早产儿出生后循环过程可能有了较深的发展。然而,在出生8-13周后,早期早产儿的hPod值与晚期早产儿和足月儿相比发展较慢。这一发现表明,早期早产儿在出生第一年的前半段时间在神经血管系统发育的结构或功能方面可能会发生改变[2]


图 各组hPod随胎龄变化曲线

fNIRS用于婴幼儿认知研究

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,从而使发展认知神经科学真正能“开创了一个使人们更充分地理解发展的心理学和生物学的新时期”。

Zhang D等人(2017)使用fNIRS研究了新生儿被动聆听恐惧、愤怒、快乐和中性韵律时的脑功能反应,以探究在生命早期情感韵律的处理方式。该研究发现,右侧颞叶皮质(主要位于颞中回和颞上回)对于带有情感的韵律表现出增强的反应,而右侧顶叶区域(大致位于边缘上回)相对于快乐和中性的韵律,对恐惧的敏感性较高。这些发现突出了右半球在新生儿情绪韵律知觉中的重要作用[3]


图 右侧颞中回对于4种情感韵律的HbOHbR响应曲线

该团队在2019年对新生儿情感韵律处理的神经机制做了更深一步的研究,使用fNIRS来检测04天的新生儿在母语和外语中辨别语言韵律所传达的情感的能力。结果发现,母语播放的快乐、恐惧和愤怒的韵律增强了右侧颞上回的神经活动相对于中性韵律,而外语则不会,如下图。这一结果表明,对情感韵律的敏感性是通过产前接触母语的声音刺激而形成的。此外,敏感神经关联在新生儿中的分布比婴儿更多,表明在新生儿期和婴儿早期之间有较高水平的神经专门化[4]


图 母语/外语不同情感韵律的HbOHbR响应曲线

fNIRS用于注意缺陷多动障碍(ADHD)的研究

注意缺陷多动障碍(ADHD)在我国称为多动症,是儿童期常见的一类心理障碍。表现为与年龄和发育水平不相称的注意力不集中和注意时间短暂、活动过度和冲动,常伴有学习困难、品行障碍和适应不良。国内外调查发现患病率3%7%,男女比为491。部分患儿成年后仍有症状,明显影响患者学业、身心健康以及成年后的家庭生活和社交能力。

Yasumura A等人(2014)使用可以反映执行控制受抑制的Stroop任务(ST)和反向Stroop任务(RST)评估ADHD儿童的特征。他们将三组儿童做了比较,分别为ADHD儿童、典型的发育中儿童(TDC)、自闭症儿童(ASD)。每一位受试者在电脑上用触控面板进行STRST测试时,使用fNIRS测量前额叶皮层氧合血红蛋白的变化。3组在RST期间的行为表现有显着性差异,而在ST段没有显著差异。结果表明,ADHD组的颜色干扰大于TDC组。此外,右侧前额叶皮层活动与注意缺陷的严重程度呈负相关。ADHD儿童表现出与颜色抑制有关的一些问题,这一症状是由右侧前额叶皮层的低活动所影响的[5]


图前额叶区HbO浓度随时间变化曲线(左侧:STR,右侧:ST

Gu Y等人在2018年,研究了使用fNIRS信号来对ADHD患儿与正常小孩进行分类。他们采用的实验范式为n-back任务,采用多变量模式分析将ADHD与健康对照者进行鉴别,并通过排列试验评价分类性能的显着性。结果表明,在留一交叉验证中,86.0% (p<0.001)的参与者可以被正确分类。最具识别力的脑区包括双侧背外侧前额叶皮层、下内侧前额叶皮层、右后前额叶皮层和右颞叶皮层[6]

fNIRS用于孤独症的研究

孤独症有明确的医学界定,也称自闭症,又称孤独性障碍(autistic disorder)等,是广泛性发育障碍(pervasive developmental disorderPDD)的代表性疾病。主要特征是漠视情感、拒绝交流、语言发育迟滞、行为重复刻板以及活动兴趣范围的显著局限性,一般在3岁以前就会表现出来。

自闭症谱系障碍(ASD)儿童具有自我面部识别的特殊性,而自我面部识别是一种促进社会发展的基本认知能力。Kita Y等人在2011年使用近红外光谱(Nirs)技术,研究了ASD患者自我面部识别受限的神经基质及潜在影响因素。研究对象为11名健康成年男性,13名正常发育的男性和10名患有ASD的男孩。在自我面部识别过程中,观察其额叶血流动力学活动与被试扫描策略(眼动)。父母和患者也分别对ASD严重程度和自我意识等因素进行评估。血氧水平在右侧额叶下回较左侧额叶下回高。在两组儿童中,血氧激活水平反映了ASD的严重程度,较严重的ASD特征与较低的激活水平相对应。这些发现表明,右额叶下回负责自我面部识别,该区域的功能障碍是ASD特征的重要神经基础之一[7]


图 三组的HbO随时间变化波形(正常成人组()、正常儿童组(绿)ASD()

小结

由于fNIRS的非侵入性、便携性、抗运动伪迹干扰强、时空分辨率高等优势,使其越来越多的被用于婴幼儿与儿童认知神经科学、脑功能发育、脑疾病诊断等研究。因此相信fNIRS将会在婴幼儿及儿童的研究上有一番广阔的天地,在脑功能领域出更多更好的成果。


参考文献

1】Makiko I, Hama W, Kojiro Y, Yuki K, Yoshihiko S, Shinya T, Naoto T, Gentaro T. Functional connectivity of the cortex of term and preterm infants and infants with Down's syndrome[J]. NeuroImage, 2014, 85: 272–278.

2Watanabe H, Shitara Y, Aoki Y, Inoue T, Tsuchida S, Takahashi N, Taga G. Hemoglobin phase of oxygenation and deoxygenation in early brain development measured using fNIRS[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2017, 114(9): E1737E1744.

3Zhang D, Zhou Y, Hou X, Cui Y, Zhou C. Discrimination of emotional prosodies in human neonates: A pilot fNIRS study[J]. Neuroscience Letters, 2017, 658: 6266.

4】Zhang D, Chen Y, Hou X, Wu Y. Near-infrared spectroscopy reveals neural perception of vocal emotions in human neonates[J].Human Brain Mapping, 2019.

5】Yasumura A, Kokubo N, Yamamoto H, Yasumura Y, Nakagawa E, Kaga M, Hiraki K, Inagaki M. Neurobehavioral and hemodynamic evaluation of Stroop and reverse Stroop interference in children with attention-deficit/ hyperactivity disorder[J]. Brain and Development, 2014, 36: 97-106.

6】Gu Y, Miao S, Han J, Liang Z, Ouyang G, Yang J, Lin X. Identifying ADHD children using hemodynamic responses during a working memory task measured by functional near-infrared spectroscopy[J]. Journal of Neural Engineering, 2018, 15(3), 035005.

7】Kita Y, Gunji A, Inoue Y, Goto T, Sakihara K, Kaga M, Inagaki M, Hosokawa T. Self-face recognition in children with autism spectrum disorders: A near-infrared spectroscopy study[J].Brain and Development, 2011, 33: 494–503

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