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功能性近紅外光譜近十年來(lái)的臨床應(yīng)用（下）

  • 發(fā)布日期：2024-02-24
  • 閱讀量：2260
  • 來(lái)源：依瑞德集團(tuán)
上篇文章對(duì)fNIRS出版物數(shù)量、國(guó)家、機(jī)構(gòu)、作者、共同引用和關(guān)鍵詞進(jìn)行了可視化分析。基于關(guān)鍵詞聚類(lèi)主題進(jìn)行文獻(xiàn)綜述，將fNIRS研究?jī)?nèi)容分為fNIRS的作用原理和應(yīng)用、大腦皮層檢測(cè)、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和多學(xué)科臨床應(yīng)用四個(gè)相關(guān)方面，今天將從前兩個(gè)層面進(jìn)行分析，后續(xù)我們將圍繞另外兩個(gè)內(nèi)容進(jìn)行專(zhuān)題分享。



一、fNIRS作用原理和應(yīng)用原則


fNIRS基于神經(jīng)-血管耦合機(jī)制的原理工作。眾所周知，大腦不儲(chǔ)存能量，神經(jīng)元活動(dòng)所需的所有能量都來(lái)自血液供應(yīng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)供應(yīng)。


當(dāng)大腦受到外部刺激時(shí)，腦神經(jīng)元活動(dòng)，腦組織代謝增加，從而消耗血紅蛋白攜帶的氧氣，導(dǎo)致該區(qū)域氧合血紅蛋白（HbO2）和脫氧血紅蛋白（HbR）濃度的變化。


為補(bǔ)償神經(jīng)元活動(dòng)消耗的氧氣，局部血管擴(kuò)張，腦血流量和體積相應(yīng)增加，以滿(mǎn)足神經(jīng)元活動(dòng)的氧氣需求。在這個(gè)過(guò)程中，腦血流量的增加遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)神經(jīng)元所需的實(shí)際耗氧量。


這一系列的變化最終導(dǎo)致局部腦區(qū)血液中的HbO2過(guò)多，表現(xiàn)為HbO2濃度升高和HbR濃度降低。


fNIRS通過(guò)不同大腦區(qū)域中血流-氧氣水平的改變來(lái)精確監(jiān)測(cè)相應(yīng)大腦區(qū)域的功能狀態(tài)。

 

圖1：神經(jīng)-血管耦合機(jī)制示意圖


fNIRS技術(shù)最初用于食品質(zhì)量監(jiān)測(cè)和藥物分析，于1977年成為一種有效的腦成像工具。在此期間，它被用于評(píng)估由于過(guò)度換氣引起的人腦血氧變化，證明了fNIRS技術(shù)在監(jiān)測(cè)腦功能方面的可行性。


后來(lái)，Chance等人使用fNIRS來(lái)監(jiān)測(cè)經(jīng)典范式執(zhí)行過(guò)程中認(rèn)知活動(dòng)引起的前額葉血氧變化，完成了最早的fNIRS研究之一。


隨著研究的進(jìn)展，fNIRS器件從單通道模式升級(jí)為多通道模式，能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)不同的大腦區(qū)域甚至整個(gè)頭部，充分展示大腦激活模式的空間分布。


自21世紀(jì)以來(lái)，fNIRS技術(shù)日趨成熟，已被用于多種疾病和不同干預(yù)措施的科學(xué)研究。
特別是在神經(jīng)腦科學(xué)領(lǐng)域，如失眠、抑郁、焦慮、中風(fēng)、認(rèn)知障礙和兒童發(fā)育等心理神經(jīng)障礙中樞效應(yīng)機(jī)制的觀察，涉及觸覺(jué)、語(yǔ)言、情感認(rèn)知、運(yùn)動(dòng)感覺(jué)和寫(xiě)作功能領(lǐng)域。
它還用于研究干預(yù)措施對(duì)中樞腦區(qū)功能的影響，如評(píng)估經(jīng)顱磁刺激的療效。
近年來(lái)，隨著中醫(yī)藥的發(fā)展，結(jié)合針灸、中醫(yī)和艾灸等療法，也進(jìn)行了多項(xiàng)基于fNIRS技術(shù)的研究。


二、大腦皮層檢測(cè)

大腦皮層被認(rèn)為是認(rèn)知過(guò)程、動(dòng)作控制、情緒處理和知覺(jué)體驗(yàn)的中心，皮質(zhì)功能的損害會(huì)破壞正常的生物活動(dòng)。但是有研究發(fā)現(xiàn)，皮質(zhì)中樞的損傷不會(huì)導(dǎo)致皮質(zhì)中樞功能的永久性喪失，通過(guò)后續(xù)的康復(fù)和未受損的皮質(zhì)腦區(qū)的代償工作，可以在一定程度上恢復(fù)該功能。fNIRS可通過(guò)檢查大腦皮層來(lái)評(píng)估不同疾病的病程、風(fēng)險(xiǎn)及預(yù)后，也可用于研究神經(jīng)發(fā)育和學(xué)習(xí)過(guò)程。


近年來(lái)，fNIRS技術(shù)被用于探索正常和帕金森病（PD）患者大腦中枕后皮層的活動(dòng)。結(jié)果顯示，在靜息條件下，PD患者的枕后皮質(zhì)活動(dòng)低于正常人群，表明該技術(shù)可作為診斷PD的工具。


另一項(xiàng)研究探討了fNIRS在外科腫瘤學(xué)中的應(yīng)用。研究人員使用fNIRS技術(shù)評(píng)估了腦腫瘤手術(shù)前后患者的皮質(zhì)活動(dòng)，發(fā)現(xiàn)皮質(zhì)活動(dòng)在腫瘤切除前受到抑制，腫瘤切除后恢復(fù)。這表明fNIRS技術(shù)可用于評(píng)估腫瘤手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)并預(yù)測(cè)手術(shù)后的恢復(fù)情況。


Lawrence等人使用fNIRS研究聽(tīng)力正常兒童不同的言語(yǔ)清晰度的皮層激活模式，這種模式可以為言語(yǔ)發(fā)育遲緩等患者找到新的解決方案，證明fNIRS技術(shù)可能成為聽(tīng)力和理解能力臨床研究的輔助工具。


幾項(xiàng)研究還表明，在工作記憶負(fù)荷期間，受試者前額葉皮質(zhì)和頂葉區(qū)域的HbO2 濃度變化更為明顯。此外，不同條件下的皮質(zhì)激活被認(rèn)為是認(rèn)知功能的有用預(yù)測(cè)因子。


Blum 等人使用Trail Making Test（TMT）和fNIRS來(lái)檢查年齡對(duì)執(zhí)行任務(wù)的健康老年人的行為表現(xiàn)和皮質(zhì)血氧水平變化的影響，結(jié)果顯示年齡與TMT中皮質(zhì)血氧水平的變化呈正相關(guān)，表明認(rèn)知功能下降，皮質(zhì)活動(dòng)隨著老年人年齡的增加而代償性增加。


這些發(fā)現(xiàn)凸顯了fNIRS作為研究各種模式大腦皮層功能狀態(tài)的工具的潛力，使其成為大腦研究的寶貴資產(chǎn)，并可能用于治療腦部疾病。


fNIRS技術(shù)可用于研究大腦皮層的功能和結(jié)構(gòu)，提供有助于了解特定大腦區(qū)域神經(jīng)活動(dòng)模式的詳細(xì)信息。觀察不同狀態(tài)下受損腦區(qū)的激活狀態(tài)、健康腦區(qū)的代償模式以及腦區(qū)間功能連接的差異，有助于疾病的診斷和預(yù)后。


? 參考文獻(xiàn)：

[1]Zhang,J.,Yu,T.,Wang, M.,et al. (2023). Clinical applications of functional near-infrared spectroscopy in the past decade: a bibliometric study.Applied Spectroscopy Reviews, 1-27.