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fNIRS對(duì)成人運(yùn)動(dòng)任務(wù)行為中大腦皮層的評(píng)估

  • 發(fā)布日期：2021-06-21
  • 閱讀量：1336
  • 來(lái)源：依瑞德集團(tuán)

功能近紅外光譜(fNIRS)是一種有效的、間接的光學(xué)神經(jīng)成像方法，基于神經(jīng)元激活和血管反應(yīng)的緊密耦合來(lái)監(jiān)測(cè)大腦激活的血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)。因其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，使其天生適合于研究復(fù)雜運(yùn)動(dòng)刺激的皮質(zhì)反應(yīng)。該技術(shù)已被廣泛用于研究運(yùn)動(dòng)任務(wù)時(shí)的皮質(zhì)反應(yīng)。


由于人類皮層的運(yùn)動(dòng)區(qū)，即初級(jí)感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮層(primary sensory - motor cortex, PSMC)和運(yùn)動(dòng)前皮層(pre - motor cortex, PMC)位于離頭皮組織較近的位置，因此很容易進(jìn)行光學(xué)測(cè)量。此外，用于復(fù)雜運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)和運(yùn)動(dòng)控制的高級(jí)加工(如判斷、規(guī)劃、錯(cuò)誤檢測(cè))的前額葉皮層(PFC)也可以通過(guò)fNIRS快速獲取。圖1為在三維解剖MRI圖像上描繪的人類大腦皮層中每個(gè)運(yùn)動(dòng)相關(guān)區(qū)域的大致位置。

圖1


本文的目的是回顧有關(guān)文獻(xiàn)的研究，評(píng)估該技術(shù)在運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)和神經(jīng)疾病恢復(fù)中的貢獻(xiàn)。


皮質(zhì)血流動(dòng)力學(xué)對(duì)運(yùn)動(dòng)刺激的反應(yīng)


血流動(dòng)力學(xué)時(shí)間曲線圖，顯示運(yùn)動(dòng)刺激時(shí)氧合血紅蛋白(HbO2)、總血紅蛋白(HbT)和脫氧血紅蛋白(HHb)的變化。廣義上說(shuō)，這一反應(yīng)包括HbO2的快速增加和HHb的緩慢、低幅度的下降，這與區(qū)域腦血流(rCBF)的變化相適應(yīng)，這種變化與代謝發(fā)生在激活的大腦區(qū)域并不匹配。運(yùn)動(dòng)刺激后最可靠和可重復(fù)的皮質(zhì)血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)(2-20秒)包括HbO2和HbT的增加，以及HHb的減少。這種發(fā)色團(tuán)變化模式代表了大腦激活時(shí)的血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)(Roy and Sherrington, 1890)。

腦血管意外患者誘發(fā)的皮層血流動(dòng)力學(xué)變化


1、增加同側(cè)運(yùn)動(dòng)激活。神經(jīng)成像數(shù)據(jù)表明，中風(fēng)后患手的運(yùn)動(dòng)與同側(cè)皮質(zhì)的激活增加有關(guān)，這表明未受損皮質(zhì)的運(yùn)動(dòng)區(qū)域可自適應(yīng)地補(bǔ)償疾病或損傷(Calautti和Baron, 2003)。


2、對(duì)側(cè)受累半球血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)減弱。一些研究報(bào)告，與健康對(duì)照組相比，腦卒中和膠質(zhì)瘤患者對(duì)側(cè)受影響半球的皮質(zhì)氧合變化較低或脫氧增加(Bhambhani等，2006;Fujiwara等人，2004;Murata等人，2002年;Sakatani等人，2003年)。


3、持續(xù)的側(cè)前額葉和內(nèi)側(cè)前額葉激活。一個(gè)隨機(jī)fNIRS研究，對(duì)失調(diào)性中風(fēng)患者與健康對(duì)照者的跑步機(jī)行走進(jìn)行比較表明：中風(fēng)患者在加速和穩(wěn)態(tài)跑步機(jī)時(shí)需要持續(xù)的側(cè)向和內(nèi)側(cè)PFC激活，而健康受試者在加速后不需要持續(xù)的PFC激活(Mihara et al.， 2007)。


在進(jìn)行康復(fù)策略之后，大腦皮層反應(yīng)


1、研究表明康復(fù)技術(shù)可以控制患者皮層的激活，并可能改善運(yùn)動(dòng)(再)學(xué)習(xí)(Miyai et al.， 2002)。Miyai等人(2002)進(jìn)行了一項(xiàng)非隨機(jī)fNIRS研究，以確定癱瘓腿的機(jī)械輔助或骨盆區(qū)的便利技術(shù)是否能使中風(fēng)患者在跑步機(jī)上行走任務(wù)中表現(xiàn)更好?？陀^測(cè)量顯示：簡(jiǎn)化技術(shù)顯著提高了受影響半球的節(jié)律和PMC激活。


2、有數(shù)據(jù)表明，上肢(如握力)縱向康復(fù)和下肢運(yùn)動(dòng)技能(如行走、跑步)可以“改善”側(cè)性(Miyai et al.， 2003;武田等，2007)。具體而言，這些數(shù)據(jù)表明：康復(fù)后，患側(cè)大腦半球的對(duì)側(cè)皮質(zhì)氧合變化增加，而同側(cè)皮質(zhì)的貢獻(xiàn)減少。最后，對(duì)側(cè)PSMC的正常激活模式可能會(huì)恢復(fù)正常(Takeda et al.， 2007)。因此，長(zhǎng)期來(lái)看，受影響半球感覺(jué)運(yùn)動(dòng)激活的改善可能是中風(fēng)功能恢復(fù)的基礎(chǔ)。


由于fNIRS技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，提供了揭示皮質(zhì)控制現(xiàn)實(shí)的日常運(yùn)動(dòng)行為的潛力。未來(lái)的研究將會(huì)進(jìn)一步提高其復(fù)雜性。


參考文獻(xiàn)

Assessment of the cerebral cortex during motor task behaviours in adults: A systematicreview of functional near infrared spectroscopy (fNIRS) studiesDaniel Richard Leff a, Felipe Orihuela-Espina a, Clare E. Elwell b, Thanos Athanasiou a, David T. Delpy b,Ara W. Darzi a, Guang-Zhong Yang a? NeuroImage 54 (2011) 2922–2936