本文介绍了一种用于功能性近红外光谱成像（fNIRS）的数据采集与分析方法。fNIRS 是一种新兴的无创脑成像技术，广泛应用于认知神经科学领域，尤其适用于儿童大脑发育的研究。该方法为数据获取与分析提供了通用标准，对数据解读和科学发现至关重要。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
本文内容
摘要
摘要
目前，全球范围内正在开展大量功能性近红外光谱成像（fNIRS）研究，探索大脑皮层激活与高级认知过程（如语言1,2,3,4,5,6,7,8,9,10、记忆11和注意12）之间的关系，研究对象涵盖具有典型和非典型认知特征的成人、儿童及婴儿3,4,13,14,15,16,17,18,1920,21,22。当前将fNIRS应用于认知神经科学所面临的主要挑战在于，实现数据的系统性分析，以确保结果具有普遍可解释性23,24,25,26，从而推动关于人类高级认知功能组织模式及其神经机制的重要科学问题的深入研究。
现有的神经影像技术在时间分辨率或空间分辨率方面均存在不足。事件相关电位和脑磁图（ERP和MEG）具有优异的时间分辨率，而正电子发射断层扫描和功能性磁共振成像（PET和fMRI）则具有更优的空间分辨率。功能性近红外光谱成像（fNIRS）利用近红外波段（700–1000 nm）的非电离光，其中氧合血红蛋白在680 nm处被优先吸收，脱氧血红蛋白在830 nm处被优先吸收（例如，此处所示的fNIRS Hitachi ETG-400系统正是内置了这些特定波长），因此特别适用于高级认知功能的研究。fNIRS兼具良好的时间分辨率（约5秒）和空间分辨率（约4厘米深度），无需使用辐射，且不要求受试者处于封闭结构中27,28。受试者可在普通座椅上舒适地坐着（成人、儿童），甚至可坐在母亲膝上（婴儿），同时对其大脑皮层活动进行检测。值得注意的是，NIRS设备具有独特的便携性（大小相当于台式计算机）、几乎无噪音，且可容忍受试者的轻微动作。这一特性在人类语言的神经科学研究中尤为突出，因为语言研究的关键组成部分必然包括言语产生时的口部运动或手语中的手部动作。
血流动力学反应的定位方式是通过一组激光发射器和探测器实现的。发射器发射已知强度的非电离光，而探测器则检测从皮层表面反射回来的光量。光学探头之间的距离越近，空间分辨率越高；而光学探头之间距离越远，则穿透深度越大。对于fNIRS Hitachi ETG-4000系统，为达到最佳的穿透深度与分辨率，光学探头阵列的间距设置为2 cm。
我们的目标是展示我们获取和分析功能性近红外光谱（fNIRS）数据的方法，以帮助标准化该领域，并使全球不同的fNIRS实验室具备共同的研究基础。
方案
第1部分：受试者到达实验室前的准备工作
- 确保实验室内无多余物品，以免分散参与者的注意力。
- 在 fNIRS Hitachi ETG-4000 系统上设置并加载实验方案。
- 设置实验范式。实验范式可使用不同的呈现软件进行编程，包括 Eprime、Presentation、Psyscope 或基于 Matlab 的心理学工具箱。本文中我们使用基于 Matlab 的心理学工具箱。
- 时间同步对于数据分析至关重要，因此实验范式必须与数据采集精确同步。fNIRS Hitachi ETG-4000 具备触发功能，可实现实验范式触发数据采集，或反之。请测试从 fNIRS Hitachi ETG-4000 向呈现程序发送触发信号。触发可通过并行端口、串行端口或 USB 端口实现。本文中我们展示通过并行端口进行触发。
- 在开始 fNIRS 研究之前，必须对参与者进行背景筛查。在 Petitto 实验室，我们通过让参与者或其家长填写适合研究的标准化问卷来完成背景筛查29。
参与者到达
- 必须以专业的方式进行实验并对待受试者。在实验开始前，受试者或其父母/法定监护人必须签署知情同意书。必须感谢受试者花费时间参与这些重要而富有意义的实验。
- 让受试者舒适地坐在近红外光谱（fNIRS）测试室附近。婴儿受试者可坐在父母的膝上。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
讨论
本研究展示了利用一种新型的非侵入性功能性近红外光谱（fNIRS）脑成像技术，研究人类大脑功能与认知及感知之间的关系。fNIRS脑成像技术可能代表了非侵入性脑成像的未来发展方向，尤其适用于婴儿和儿童群体，未来有望广泛应用于科研实验室、医生诊所及学校系统中，使临床医生能够将有关大脑的基础科学发现应用于临床实践。
....访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作获得了对 L.A.P.（项目负责人）的资助：
美国国立卫生研究院 R21 HD50558 项目，授予时间 2005–07；美国
美国卫生研究所 R01 HD045822，授予时间 2004-09；丹娜基金会资助，
2004-06年获得；加拿大创新基金会（“CFI”资助），已获资助
2008–2012年；安大略研究基金拨款，2008–2012年授予。
....访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| ETG-4000 | Hitachi | ||
| Matlab | Mathworks | 心理学工具箱 |
参考文献
- Quaresima, V. J. Biomed. Opt. 10, 11012-11012 (2005).
- Watanabe, E. Neurosci. Lett. 256, 49-52 (1998).
- Kovelman, I. NeuroImage. 39, 1457-1471 (2008).
- Kovelman, I. Brain and Language. , (2008).
- Bortfeld, H. Developmental Neuropsychology. 34, 52-65 (2009).
- Petitto, L. A. The Cambridge Companion to Chomsky. , Cambridge University Press. England. (2005).
- Berens, M. S.
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
重印与许可
