淺談近紅外光學(xué)成像在發(fā)展心理學(xué)研究中的運(yùn)用

1、<p>　　淺談近紅外光學(xué)成像在發(fā)展心理學(xué)研究中的運(yùn)用</p><p>　　論文關(guān)鍵詞 近紅外光學(xué)成像　嬰兒　發(fā)展 </p><p>　　論文摘 要 本文介紹了一種新型的能夠運(yùn)用于探索嬰兒腦發(fā)育的腦部成像技術(shù)——近紅外光學(xué)成像。系統(tǒng)介紹了此項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展歷史、運(yùn)用的原理和方法以及它在嬰兒發(fā)展中的研究和應(yīng)用。 </p><p><b>　　0 引

2、言 </b></p><p>　　從第一次近紅外光學(xué)成像運(yùn)用于嬰兒的腦功能成像研究到現(xiàn)在已經(jīng)有十多年了。未來(lái)10年NIRS不斷的改良和應(yīng)用將會(huì)對(duì)我們了解發(fā)展的大腦做出重大的貢獻(xiàn)。我們相信fNIRS會(huì)在我們現(xiàn)在對(duì)于發(fā)展的大腦的皮層活動(dòng)的了解與成人大腦功能之間架起一個(gè)重要的橋梁。同時(shí)，現(xiàn)在的大量的前言語(yǔ)階段嬰兒行為研究絕大多數(shù)應(yīng)用的是注視時(shí)間范式，很大一部分發(fā)展的認(rèn)知神經(jīng)研究的水平還比較低。fNIRS允

3、許我們解釋在人類(lèi)早期發(fā)展中皮層活動(dòng)定位和行為反應(yīng)之間的關(guān)系。此外，NIRS系統(tǒng)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(dòng)，而且更重要的是血液動(dòng)力學(xué)的空間定位結(jié)果可以跟成人的腦功能fMRI數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。fNIRS是理想的研究嬰兒的工具。 </p><p>　　神經(jīng)活動(dòng)產(chǎn)生于神經(jīng)元細(xì)胞的電傳導(dǎo)活動(dòng)。在神經(jīng)元活動(dòng)的新陳代謝中，神經(jīng)元細(xì)胞會(huì)發(fā)生一些改變，氧消耗會(huì)顯著的增加，附進(jìn)的腦血流量和氧提供也

4、會(huì)增加。一個(gè)典型的成人皮層神經(jīng)活動(dòng)的血液動(dòng)力學(xué)反應(yīng)是血流中的含氧血紅蛋白的增加和一個(gè)不那么顯著的去氧血紅蛋白的減少，這些導(dǎo)致了血流中總血紅蛋白的增加。神經(jīng)影像學(xué)方法分為兩種：一種是腦活動(dòng)直接激活的觀察（EEG、MEG）；另一種是隨之發(fā)生的血液動(dòng)力學(xué)反應(yīng)（PET、fMRI、fNIRS）。 </p><p>　　這些技術(shù)都是建立在成年被試身上的，運(yùn)用于嬰兒被試要么是有一些嚴(yán)格的限制因素，要么干脆就不能夠運(yùn)用，也有一

5、些運(yùn)用這些技術(shù)研究嬰兒的文章公開(kāi)發(fā)表過(guò)，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(lái)，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(shù)，擁有很高的時(shí)間分辨率，但是空間分辨率非常低。fNIRS的出現(xiàn)提供了研究嬰兒腦功能成像的一種新的選擇。 </p><p>　　運(yùn)用NIRS研究嬰兒的腦功能活動(dòng)是一個(gè)增長(zhǎng)很快的領(lǐng)域。自1998年以來(lái)論文的數(shù)量每年以5倍于上年的速度增長(zhǎng)。

6、但是早期的fNIRS研究關(guān)注的是對(duì)于基本刺激的大腦皮層的激活區(qū)域，如語(yǔ)音知覺(jué)的聽(tīng)覺(jué)區(qū)，或者是高頻閃光的視覺(jué)區(qū)，直到最近以來(lái)，研究者們才開(kāi)始關(guān)注對(duì)一些復(fù)雜刺激的多種腦區(qū)的的激活。此外，越來(lái)越多的研究者開(kāi)始關(guān)注清醒嬰兒的編碼問(wèn)題，如客體加工、社會(huì)交往、生物運(yùn)動(dòng)加工、運(yùn)動(dòng)觀察、人臉加工。在這些研究中，fNIRS被用來(lái)定位一些特殊皮層的血液動(dòng)力學(xué)反應(yīng)，如顳上溝（注視、生物運(yùn)動(dòng)加工），眶額皮層（母親面孔、情緒感知），感覺(jué)運(yùn)動(dòng)區(qū)（動(dòng)作觀察），前額皮

7、質(zhì)（客體永恒性），枕顳皮層（動(dòng)態(tài)對(duì)象）。定位激活的皮層區(qū)域，允許被試輕微運(yùn)動(dòng)，這是用fNIRS研究人類(lèi)早期發(fā)展的大腦最顯著的特點(diǎn)。 </p><p>　　1 近紅外光學(xué)成像：基本原則和方法 </p><p>　　這項(xiàng)光學(xué)技術(shù)中，光線從發(fā)射器中發(fā)射出來(lái)，經(jīng)過(guò)皮膚、顱骨、下面的腦組織反射回接收器。②光線（波長(zhǎng)在650nm-1000nm）的衰減即取決于組織對(duì)光線的吸收，也取決于光的散射效應(yīng)。

8、此外，含氧血紅蛋白和去氧血紅蛋白對(duì)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(cè)量了。假設(shè)散射是恒定的，那么測(cè)量出來(lái)的近紅外光線衰減的改變值就能夠用來(lái)計(jì)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(xué)路徑，HbO2、 HHb 、HbT可以用molar為單位表達(dá)出來(lái)。這種血氧蛋白的改變可以用來(lái)標(biāo)記大腦血流的變化，因此它可以為研究腦功能提供一個(gè)新方法。③ <

9、;/p><p>　　先前的研究指出，NIRS得到的血液動(dòng)力學(xué)參數(shù)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(shù)據(jù)，fNIRS可以分別測(cè)量HbO2和HHb的濃度數(shù)據(jù)。 </p><p>　　2 嬰兒fNIRS研究的發(fā)展和應(yīng)用 </p><p>　　嬰兒fNIRS研究相對(duì)于以成人為被試的研究會(huì)有更高的剔除率。剔除的這部分其中大

10、概有40%是不符合要求的數(shù)據(jù)。這很大一部分可以歸因于設(shè)計(jì)這樣一個(gè)方法是困難的，它要求將一個(gè)復(fù)合的發(fā)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(shí)間跟精力被用在改進(jìn)NIRS上，為使它成為嬰兒研究的有效工具。一個(gè)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(shí)間內(nèi)安置完畢，必須提供在每一個(gè)通道提供穩(wěn)定的光學(xué)測(cè)量數(shù)據(jù)。不像成人實(shí)驗(yàn)?zāi)菢?，在嬰兒頭上停止實(shí)驗(yàn)調(diào)整頭套，然后再開(kāi)始實(shí)驗(yàn)是不可能的。頭套必須能夠穩(wěn)固的

11、固定在頭上，嬰兒任何的移動(dòng)都不會(huì)改變發(fā)射-接收器束帶的位置，這樣可以排除光學(xué)信號(hào)中的運(yùn)動(dòng)偽跡。頭套上一系列的通道必須被一個(gè)半剛性的結(jié)構(gòu)包圍，還要有一些柔韌性使之能夠貼合頭部，同時(shí)，每個(gè)發(fā)射器和接收器之間還要維持一個(gè)固定的間隔距離。脆弱的光纖從頭套出來(lái)的時(shí)候要遠(yuǎn)離嬰兒的面部和他能夠用手夠到的距離。在戴頭套的過(guò)程中，嬰兒不能過(guò)分的搗亂（這會(huì)導(dǎo)致他們不想開(kāi)始實(shí)驗(yàn)），在記錄數(shù)據(jù)的過(guò)程中，頭套不能顯眼，以避免嬰兒在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中分心。 </

12、p><p>　　在未來(lái)，fNIRS一個(gè)可能的研究領(lǐng)域是調(diào)查個(gè)體間的差異，舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，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(dú)癥這種發(fā)展異常的疾病，從而對(duì)診斷和治療提供一些貢獻(xiàn)。這種臨床研究的樣本量通常會(huì)很小，因此頭套的最優(yōu)化設(shè)計(jì)就顯得尤為重要，這樣才能得到完整的光學(xué)數(shù)據(jù)，并且使剔除的數(shù)據(jù)盡量變得更少。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) &l

13、t;/b></p><p>　　[1] Imada, T., Zhang, Y., Cheour,M., Taulu, S., Ahonen, A., Kuhl, P.K., 2006. Infant speech perception activates Broca’s area: a developmental magnetoencephalography study. Neuroreport 17:9

14、57–962. </p><p>　　[2] Elwell, C.E., 1995. A Practical Users Guide to Near Infrared Spectroscopy. Hamma-matsu Photonics, UK. </p><p>　　[3] Delpy, D.T., Cope, M., 1997. Quanti?cation in tissue n