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功能性近紅外光譜近十年來的臨床應(yīng)用（下）

  • 發(fā)布日期：2024-02-24
  • 閱讀量：1925
  • 來源：依瑞德集團
上篇文章對fNIRS出版物數(shù)量、國家、機構(gòu)、作者、共同引用和關(guān)鍵詞進行了可視化分析?；陉P(guān)鍵詞聚類主題進行文獻綜述，將fNIRS研究內(nèi)容分為fNIRS的作用原理和應(yīng)用、大腦皮層檢測、實驗方案設(shè)計和多學科臨床應(yīng)用四個相關(guān)方面，今天將從前兩個層面進行分析，后續(xù)我們將圍繞另外兩個內(nèi)容進行專題分享。



一、fNIRS作用原理和應(yīng)用原則


fNIRS基于神經(jīng)-血管耦合機制的原理工作。眾所周知，大腦不儲存能量，神經(jīng)元活動所需的所有能量都來自血液供應(yīng)系統(tǒng)的實時供應(yīng)。


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


為補償神經(jīng)元活動消耗的氧氣，局部血管擴張，腦血流量和體積相應(yīng)增加，以滿足神經(jīng)元活動的氧氣需求。在這個過程中，腦血流量的增加遠遠超過神經(jīng)元所需的實際耗氧量。


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


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

 

圖1：神經(jīng)-血管耦合機制示意圖


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


后來，Chance等人使用fNIRS來監(jiān)測經(jīng)典范式執(zhí)行過程中認知活動引起的前額葉血氧變化，完成了最早的fNIRS研究之一。


隨著研究的進展，fNIRS器件從單通道模式升級為多通道模式，能夠同時監(jiān)測不同的大腦區(qū)域甚至整個頭部，充分展示大腦激活模式的空間分布。


自21世紀以來，fNIRS技術(shù)日趨成熟，已被用于多種疾病和不同干預措施的科學研究。
特別是在神經(jīng)腦科學領(lǐng)域，如失眠、抑郁、焦慮、中風、認知障礙和兒童發(fā)育等心理神經(jīng)障礙中樞效應(yīng)機制的觀察，涉及觸覺、語言、情感認知、運動感覺和寫作功能領(lǐng)域。
它還用于研究干預措施對中樞腦區(qū)功能的影響，如評估經(jīng)顱磁刺激的療效。
近年來，隨著中醫(yī)藥的發(fā)展，結(jié)合針灸、中醫(yī)和艾灸等療法，也進行了多項基于fNIRS技術(shù)的研究。


二、大腦皮層檢測

大腦皮層被認為是認知過程、動作控制、情緒處理和知覺體驗的中心，皮質(zhì)功能的損害會破壞正常的生物活動。但是有研究發(fā)現(xiàn)，皮質(zhì)中樞的損傷不會導致皮質(zhì)中樞功能的永久性喪失，通過后續(xù)的康復和未受損的皮質(zhì)腦區(qū)的代償工作，可以在一定程度上恢復該功能。fNIRS可通過檢查大腦皮層來評估不同疾病的病程、風險及預后，也可用于研究神經(jīng)發(fā)育和學習過程。


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


另一項研究探討了fNIRS在外科腫瘤學中的應(yīng)用。研究人員使用fNIRS技術(shù)評估了腦腫瘤手術(shù)前后患者的皮質(zhì)活動，發(fā)現(xiàn)皮質(zhì)活動在腫瘤切除前受到抑制，腫瘤切除后恢復。這表明fNIRS技術(shù)可用于評估腫瘤手術(shù)的風險并預測手術(shù)后的恢復情況。


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


幾項研究還表明，在工作記憶負荷期間，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)激活被認為是認知功能的有用預測因子。


Blum 等人使用Trail Making Test（TMT）和fNIRS來檢查年齡對執(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)，表明認知功能下降，皮質(zhì)活動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)活動模式的詳細信息。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后。


? 參考文獻：

[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.