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光學工程
解析近紅外光學成像在發展心理學研究中的運用
 從第一次近紅外光學成像運用于嬰兒的腦功能成像研究到現在已經有十多年了。未來10年NIRS不斷的改良和應用將會對我們了解發展的大腦做出重大的貢獻。我們相信fNIRS會在我們現在對于發展的大腦的皮層活動的了解與成 人大腦功能之間架起一個重要的橋梁。同時,現在的大量的前言語階段嬰兒行為研究絕大多數應用的是注視時間范式,很大一部分發展的認知神經研究的水平還比較低。fNIRS允許我們解釋在人類早期發展中皮層活動定位和行為反應之間的關系。此外,NIRS系統并不昂貴,也還比較便攜,能夠允許嬰兒坐在父母的膝上一定程度的活動,而且更重要的是血液動力學的空間定位結果可以跟成 人的腦功能fMRI數據進行比較。fNIRS是理想的研究嬰兒的工具。
  神經活動產生于神經元細胞的電傳導活動。在神經元活動的新陳代謝中,神經元細胞會發生一些改變,氧消耗會顯著的增加,附進的腦血流量和氧提供也會增加。一個典型的成 人皮層神經活動的血液動力學反應是血流中的含氧血紅蛋白的增加和一個不那么顯著的去氧血紅蛋白的減少,這些導致了血流中總血紅蛋白的增加。神經影像學方法分為兩種:一種是腦活動直接激活的觀察(EEG、MEG);另一種是隨之發生的血液動力學反應(PET、fMRI、fNIRS)。
  這些技術都是建立在成年被試身上的,運用于嬰兒被試要么是有一些嚴格的限制因素,要么干脆就不能夠運用,也有一些運用這些技術研究嬰兒的文章公開發表過,①但是這些研究一般都是限制在睡著的、昏昏欲睡的年幼嬰兒被試身上。許多年來,研究清醒嬰兒的腦功能成像的首要選擇是EEG,這是一種非介入式的技術,擁有很高的時間分辨率,但是空間分辨率非常低。fNIRS的出現提供了研究嬰兒腦功能成像的一種新的選擇。
  運用NIRS研究嬰兒的腦功能活動是一個增長很快的領域。自1998年以來論文的數量每年以5倍于上年的速度增長。但是早期的fNIRS研究關注的是對于基本刺激的大腦皮層的激活區域,如語音知覺的聽覺區,或者是高頻閃光的視覺區,直到最近以來,研究者們才開始關注對一些復雜刺激的多種腦區的的激活。此外,越來越多的研究者開始關注清醒嬰兒的編碼問題,如客體加工、社會交往、生物運動加工、運動觀察、人臉加工。在這些研究中,fNIRS被用來定位一些特殊皮層的血液動力學反應,如顳上溝(注視、生物運動加工),眶額皮層(母親面孔、情緒感知),感覺運動區(動作觀察),前額皮質(客體永恒性),枕顳皮層(動態對象)。定位激活的皮層區域,允許被試輕微運動,這是用fNIRS研究人類早期發展的大腦最顯著的特點。
  1 近紅外光學成像:基本原則和方法
  這項光學技術中,光線從發射器中發射出來,經過皮膚、顱骨、下面的腦組織反射回接收器。②光線(波長在650nm-1000nm)的衰減即取決于組織對光線的吸收,也取決于光的散射效應。此外,含氧血紅蛋白和去氧血紅蛋白對于近紅外光線的吸收有不同的特性,這樣,血氧水平就可以被測量了。假設散射是恒定的,那么測量出來的近紅外光線衰減的改變值就能夠用來計算含氧血紅蛋白(HbO2)、去氧血紅蛋白(HHb)、總血紅蛋白(HbT=HbO2+HHb)的值了。了解完組織中的光學路徑,HbO2、 HHb 、HbT可以用molar為單位表達出來。這種血氧蛋白的改變可以用來標記大腦血流的變化,因此它可以為研究腦功能提供一個新方法。③
  先前的研究指出,NIRS得到的血液動力學參數和fMRI得到的BOLD(血氧依賴水平)是相似的。值得注意的是,不同于fMRI的BOLD數據,fNIRS可以分別測量HbO2和HHb的濃度數據。
  2 嬰兒fNIRS研究的發展和應用
  嬰兒fNIRS研究相對于以成 人為被試的研究會有更高的剔除率。剔除的這部分其中大概有40%是不符合要求的數據。這很大一部分可以歸因于設計這樣一個方法是困難的,它要求將一個復合的發射-接收器探頭戴到嬰兒頭上,并且要既有效又舒適。因此,很多的時間跟精力被
  用在改進NIRS上,為使它成為嬰兒研究的有效工具。一個能夠用于嬰兒研究的NIRS頭套要求是它必須舒適,輕巧,能夠在很短的時間內安置完畢,必須提供在每一個通道提供穩定的光學測量數據。不像成 人實驗那樣,在嬰兒頭上停止實驗調整頭套,然后再開始實驗是不可能的。頭套必須能夠穩固的固定在頭上,嬰兒任何的移動都不會改變發射-接收器束帶的位置,這樣可以排除光學信號中的運動偽跡。頭套上一系列的通道必須被一個半剛性的結構包圍,還要有一些柔韌性使之能夠貼合頭部,同時,每個發射器和接收器之間還要維持一個固定的間隔距離。脆弱的光纖從頭套出來的時候要遠離嬰兒的面部和他能夠用手夠到的距離。在戴頭套的過程中,嬰兒不能過分的搗亂(這會導致他們不想開始實驗),在記錄數據的過程中,頭套不能顯眼,以避免嬰兒在實驗的過程中分心。
  在未來,fNIRS一個可能的研究領域是調查個體間的差異,舉個例子來說,它也許可以幫助確診嬰兒身上一些典型和非典型的癥狀,看他是否有可能患上孤獨癥這種發展異常的疾病,從而對診斷和治療提供一些貢獻。這種臨床研究的樣本量通常會很小,因此頭套的最優化設計就顯得尤為重要,這樣才能得到完整的光學數據,并且使剔除的數據盡量變得更少。

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