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.

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 ：近红外光谱技术；认知；大脑前额叶

中图分类号：Q632；B842.1文献标识码：A文章编号：1673-260X（2015）05-0038-02

1 前言

现有的脑功能成像技术由于设备庞大、伪迹影响较大、造价较高等原因，不适用于研究以儿童、老人及特殊人群为研究对象的脑功能成像，也不利于研究日常工作、生活等自然情境下的高级神经活动的认知过程.然而近几十年来新兴的近红外光谱技术（fNIRIS）是一种能补充上述脑功能成像技术的不足，同时也是一种能为认知神经科学研究提供新视角的技术，普遍被认为具有良好的发展前景.该技术具有价钱便宜、容易携带和移动、没有噪音污染、对被试无创和实验过程中被试动作不影响实验效果等优点.本文主要介绍近红外光谱技术的基本原理；纵观该技术在自然情境下，如何研究语言、记忆、阅读等人脑的高级认知；并讨论近红外光谱技术的优势和不足.

2 近红外光谱技术的基本原理

2.1 近红外光谱技术的生理学原理

近红外光谱技术以生物组织光学特性为基础，结合光在组织中的传播规律，探究在生物组织中经过散射、吸收等一系列过程后的出射光携带的生化信息，研究目标是找到生物组织中的吸收色团，如氧合血红蛋白（HbO2）、脱氧血红蛋白（Hb）等浓度的定量测量方法，为临床和研究提供方便可靠的监测指标.近红外光谱技术旨在探求组织表面下数毫米的组织光学特性.在生物组织中,光子会历经数千次的弹性散射事件与数次源于吸收发色团的吸收事件,而两种组织中主要的吸收发色团为HbO2和Hb,二者在600nm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.以往研究中，其它功能监测技术对阅读障碍儿童大脑功能进行监测所得到的结果各有不同.鉴于此研究者采用fNIRIS设计了恰当的实验范式，以汉语阅读障碍儿童为研究对象，研究其大脑皮层活动在进行汉字语音和语义加工时与正常儿童的差异.研究结果表明汉语阅读障碍儿童在执行汉字阅读任务时，左前额叶皮层中血容增加的区域明显小于正常儿童，且血容增加的幅度较正常儿童低.实验结果为阅读障碍的神经生理学研究提供了可靠证据.[6]

目前随着光电技术和信息技术的发展进步，近红外光谱技术在大脑功能活动的监测上得到了进一步的发展.不仅如此，在研究婴儿大脑方面，由于其大脑发育尚未完全、体积较小、几何结构较简单、光学特性参数也比成人脑有规律，便于研究，因此近红外光谱技术在研究对婴儿大脑的发育与发展方面也十分有效.另外一些研究者使用近红外光谱术研究语音识别时被试皮层的活动，都得到了一些重要的发现.

4 近红外光谱技术的优势与不足

4.1 近红外光谱技术的优势

在现有的脑功能成像技术中，脑电技术（EEG）和事件相关电位技术（erp）虽然有着较高的时间分辨率，但是它们的空间分辨率却较低，并且溯源分析困难.而fMRI和PET等虽然空间分辨率能够满足需要，可是它们又满足不了对时间分辨率的要求.但是近红外光谱技术却能两者兼顾，基本能满足研究者对时间分辨率和空间分辨率的要求.另外近红外光谱技术还有灵活、易用、成本低和没有侵入性的优点，不仅能实时监测脑区认知活动在自然情境中的情况，还可以同时与EEG、fMRI、PET等其他脑功能成像技术研究手段进行测量，并且互不干扰.还能用于对大量被试进行反复多次实验.近年来在近红外光谱技术已广泛应用于认知神经科学领域[7].

4.2 近红外光谱技术的不足

作为一种刚刚发展起来的脑功能成像技术，近红外光谱技术存在许多的不足有待改进.主要不足是定位能力较差，不能覆盖全脑，探测深度有限.同时近红外光谱技术在空间分辨率方面还不够完善，因此大多数研究者采用近红外光谱技术时只报告血氧的变化，通常不报告空间分辨率.这些不足还有待在今后的研究中改进.

5 结语与展望

在近几十年里，近红外光谱技术在研究大脑高级认知神经机制中显示出越来越明显的优势，采用近红外光谱技术研究的实验报告也越来越多的发表在很多高水平的杂志上.近红外光谱技术开辟了大脑研究的新领域和脑功能成像研究的新方向，必将使人们深入的了解大脑功能.近年来功能性近红外光谱技术已经取得了美国药物和食品管理局的认证，并且已在新生儿语言加工的研究、语言和认知发展、认知切换能力等各个认知神经科学领域中得到了普遍的应用[8].当然近红外光谱技术还有待进一步的发展与完善，但随着这项新技术的不断改进，其在心理学各领域的研究将会不断加深，应用范围也将会不断扩大，近红外光谱技术在脑功能研究领域的应用价值将不可估量.

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献：

〔1〕刘宝根,周兢,李菲菲.脑功能成像的新方法—功能性近红外光谱技术(FN IRS).心理科学,2011，34(4):943-949.

〔2〕杨炯炯,曾绍群,骆清铭,管林初,匡培梓,龚辉，等.左前额叶参与非相关词对的语义编码过程一来自光学成像的佐证.心理学报,2001，33(l)：48-54.

〔3〕Minagawa-Kawai Y, Matsuoka S, Dan I,et al.(2009).Prefrontalactivation associated with social attachment: facial-emotion recognition in mothers and infants[J].Cereb Cortex,19(2):284-292

〔4〕Naganlitsu,S., Nagano, M ., Yarnashita , Y ., Takashima, S., & M atsuishi, T . (2006 ). Prefontal cerebral blood volume pattems while playing video games a near -infrared spectroscopy study. Brain and develo .28(5),315-321.

〔5〕Dale A. M. , Liu A. K. , Fischl B. R. , et al..(2000). Dynamic statistical parametric mapping:combining fMRI and MEG for high-resolution imaging of cortical activity. Neuron,26(1):55-56.

〔6〕Grossmann T. (2010).The development of emotion perception in face and voice during infancy[J].Restor Neurol Neurosci,28(2):219-236.

〔7〕Rutherford MD, Mcintosh DN. (2007).Rules versus prototype matching: strategies of perception of emotional facial expressions in the autism spectrum [J].J Autism Dev Disord,37(2):187-196.

〔8〕Carlsson J, Lagercrantz H, Olson L,etal.(2008). Activation of the right fronto-temporal cortex during maternal facial recognition in young infants[J].Acta Paediatr,97(9):1221-1225.