導(dǎo)讀

本文強(qiáng)調(diào)了在進(jìn)行功能性近紅外光譜(fNIRS)研究時(shí)需要考慮和解決的一個(gè)重要問(wèn)題，即無(wú)意中測(cè)量非神經(jīng)血管耦合引起的fNIRS血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)的可能性。這些可能被誤解為大腦活動(dòng)，即“假陽(yáng)性”(由于錯(cuò)誤地將檢測(cè)到的血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)分配給功能性大腦活動(dòng)而引起的錯(cuò)誤)，或掩蓋大腦活動(dòng)，即“假陰性”(錯(cuò)誤地將未觀察到的血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)分配給功能性大腦活動(dòng)所造成的錯(cuò)誤)。在這里，本文總結(jié)了這些問(wèn)題可能的生理起源，并提出了避免和消除它們的方法。

功能近紅外光譜信號(hào)的變化代表神經(jīng)元活動(dòng)，但并非總是如此

功能近紅外光譜(fNIRS)是一種應(yīng)用日益廣泛的神經(jīng)科學(xué)研究方法。它是一種基于血流動(dòng)力學(xué)的功能腦成像技術(shù)，類似于功能磁共振成像(fMRI)，依靠檢測(cè)神經(jīng)血管耦合來(lái)推斷神經(jīng)元活動(dòng)的變化。神經(jīng)血管耦合是指局部神經(jīng)活動(dòng)的變化與局部腦血流量(CBF)的變化相關(guān)。CBF變化的大小和空間位置與神經(jīng)元活動(dòng)的變化密切相關(guān)。神經(jīng)元興奮引起與神經(jīng)血管耦合相關(guān)的氧化代謝變化(神經(jīng)代謝耦合)；血管擴(kuò)張導(dǎo)致CBF和腦血容量增加，從而過(guò)度補(bǔ)償代謝需求。這種含氧血過(guò)量供應(yīng)(功能性充血)的原因仍然存在爭(zhēng)議，它導(dǎo)致fNIRS測(cè)量的氧合血紅蛋白([O2Hb])增加，脫氧血紅蛋白([HHb])減少，總血紅蛋白([tHb]=[O2Hb]+[HHb])增加。盡管這種生理現(xiàn)象是眾所周知和意料之中的，但在出版物中往往沒有完全呈現(xiàn)(作者往往只關(guān)注[O2Hb]響應(yīng))。此外，這種[O2Hb]、[HHb]和[tHb]的變化模式可能并非僅由神經(jīng)血管耦合引起。
本文的目的是(i)定義和強(qiáng)調(diào)fNIRS中的假陽(yáng)性和假陰性問(wèn)題，(ii)描述識(shí)別這些問(wèn)題的一些挑戰(zhàn)，最后(iii)提出解決這一問(wèn)題的方法。(本文明確假設(shè)fNIRS儀器可以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和解析[O2Hb]和[HHb]的濃度變化。fNIRS儀器的技術(shù)規(guī)格和配置(例如，光源和光電探測(cè)器的類型和數(shù)量)可以指示設(shè)備在監(jiān)測(cè)[O2Hb]和[HHb]時(shí)的性能和準(zhǔn)確性。其中一個(gè)方面，特別是用于分辨[O2Hb]和[HHb]的波長(zhǎng)的數(shù)量和范圍，因?yàn)閾?jù)報(bào)道，某些波長(zhǎng)組合會(huì)導(dǎo)致發(fā)色團(tuán)之間的“串?dāng)_”。這種串?dāng)_可能使描述一種發(fā)色團(tuán)濃度的真實(shí)變化也會(huì)引起另一種測(cè)量濃度的虛假變化的現(xiàn)象；有關(guān)此問(wèn)題的更詳細(xì)討論，請(qǐng)參閱Scholkmann等人(2014)綜述文章中的“最佳波長(zhǎng)的選擇”部分，以及Arifler等人(2015)的研究。作者在其研究中使用的fNIRS波長(zhǎng)被認(rèn)為是一種良好實(shí)踐）。

什么是功能近紅外光譜中的假陽(yáng)性和假陰性？

本文使用術(shù)語(yǔ)“假陽(yáng)性”或“假陰性”來(lái)說(shuō)明，在功能性實(shí)驗(yàn)期間，覆蓋在皮層某一區(qū)域的測(cè)量通道上的fNIRS信號(hào)變化([O2Hb]，[HHb]和[tHb])可能不是由于神經(jīng)血管耦合的影響，也可能是由于(i)與任務(wù)相關(guān)的全身活動(dòng)引起的腦內(nèi)血流動(dòng)力學(xué)或(ii)腦外血流動(dòng)力學(xué)的變化。這些與任務(wù)相關(guān)的全身性變化可能類似于神經(jīng)元誘導(dǎo)的血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)(假陽(yáng)性)，或者可以減弱(掩蓋)神經(jīng)元誘導(dǎo)的血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)(假陰性)。
假陽(yáng)性和假陰性的存在并非是fNIRS獨(dú)有的問(wèn)題，而是所有基于血流動(dòng)力學(xué)的腦功能成像技術(shù)(包括fMRI)的問(wèn)題。然而，fNIRS對(duì)腦外(淺表)室血流動(dòng)力學(xué)和氧合變化的敏感性是該技術(shù)的一個(gè)特殊混雜因素。
fNIRS被越來(lái)越多地用于研究復(fù)雜的認(rèn)知功能，其中一些可以引起系統(tǒng)變量的顯著變化，從而導(dǎo)致大腦和腦外室中發(fā)生非神經(jīng)元驅(qū)動(dòng)的血流動(dòng)力學(xué)/氧合變化，主要與心率(HR)、血壓、呼吸頻率、血液中的CO2濃度和自主神經(jīng)系統(tǒng)(ANS)活動(dòng)的變化有關(guān)。
這些系統(tǒng)性效應(yīng)的存在，以及它們對(duì)fNIRS測(cè)量結(jié)果的影響，在很大程度上取決于功能協(xié)議(例如，被動(dòng)任務(wù)與主動(dòng)任務(wù))和所研究的被試(例如，兩個(gè)人對(duì)同一壓力源的反應(yīng)可能截然不同)。

哪些因素會(huì)導(dǎo)致功能近紅外光譜中的假陽(yáng)性和假陰性？

每個(gè)fNIRS信號(hào)都包含不同的組成部分，可以根據(jù)其(i)來(lái)源(腦內(nèi)與腦外)，(ii)刺激/任務(wù)關(guān)系(誘發(fā)與非誘發(fā))，以及(iii)生理原因(神經(jīng)元與系統(tǒng)性)進(jìn)行分類。fNIRS旨在檢測(cè)的由神經(jīng)血管耦合引起的血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)只是這些組分之一(即神經(jīng)元/任務(wù)誘發(fā)/大腦成分)，而所有其他組分都是在fNIRS研究中充當(dāng)混雜因素的生理噪聲(見圖1)。

多模態(tài)fNIRS(即fNIRS研究包括使用其他監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)量全身生理變化)研究了不同的任務(wù)，例如說(shuō)話(最大效應(yīng)：ΔPaCO2≈-9?mm Hg)、心算(ΔPaCO2≈0.5至3 mm Hg)和內(nèi)部言語(yǔ)(即不出聲的言語(yǔ)活動(dòng)，ΔPaCO2≈-0.5 mm Hg)，證實(shí)了任務(wù)誘發(fā)的呼吸和呼氣末二氧化碳分壓(PETCO2)的變化，這是對(duì)動(dòng)脈血二氧化碳分壓(PaCO2)的可靠和準(zhǔn)確估計(jì)。
任務(wù)誘發(fā)的平均動(dòng)脈血壓變化(ΔMAP)已在許多不同的實(shí)驗(yàn)性fNIRS協(xié)議中得到證實(shí)，例如，抬臂(ΔMAP≈6 mm Hg)、視覺刺激(ΔMAP≈2 mm Hg)、解字謎(ΔMAP≈3至5 mm Hg，6至7 mm Hg)、高碳酸血癥(ΔMAP≈4 mm Hg)、低碳酸血癥(ΔMAP≈4.5 mm Hg；ΔMAP≈-10 mm Hg)、低氧血癥(ΔMAP≈2 mm Hg)和高氧血癥(ΔMAP≈2?mm Hg)。
由于MAP是心輸出量(CO)、體循環(huán)阻力(SVR)和中心靜脈壓(CVP)的函數(shù)(MAP=CO×SVR+CVP)，由于CO是HR和每搏輸出量(SV)的乘積(CO=HR×SV)，任務(wù)誘發(fā)的HR和SVR的變化也會(huì)對(duì)MAP產(chǎn)生影響。
任務(wù)誘發(fā)的ANS活動(dòng)變化是另一個(gè)可能影響fNIRS信號(hào)的因素，因?yàn)锳NS直接影響CO、SVR，特別是腦外層的血流量(BF)。所有這三個(gè)生理變量(即導(dǎo)致CO2變化的呼吸、血壓和ANS活動(dòng))都影響腦內(nèi)和腦外隔室的BF(即頭皮BF、ScBF)。CBF或ScBF的變化都可能對(duì)記錄到的fNIRS信號(hào)產(chǎn)生影響。
血壓、CO2或ANS活動(dòng)變化與BF變化之間的耦合強(qiáng)度至少取決于兩個(gè)因素：(i)腦隔室類型(腦內(nèi)vs腦外)和(ii)變化速度(慢vs快，即分鐘范圍vs秒范圍)。表1顯示了基于現(xiàn)有生理知識(shí)的耦合強(qiáng)度值。有趣的是，除了血壓和CBF緩慢變化之間的耦合受到動(dòng)態(tài)大腦自動(dòng)調(diào)節(jié)的限制外，所有情況下的耦合通常都相當(dāng)強(qiáng)。然而，需要注意的是，最近的文獻(xiàn)中也存在對(duì)大腦自動(dòng)調(diào)節(jié)效率的爭(zhēng)議性討論，對(duì)傳統(tǒng)描述的CBF傳遞函數(shù)的形狀和邊界提出了質(zhì)疑。

腦外混淆因素是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)閒NIRS中的漫反射光在頭部的腦外組織層中顯著減弱，而不僅僅是在腦內(nèi)隔室。在頭部組織層中發(fā)射的光的穿透深度(D)基本上小于擴(kuò)散近似所預(yù)測(cè)的源-探測(cè)器分離(SDS)的一半(即D＜0.5 SDS)。腦外層血流動(dòng)力學(xué)和氧合的變化會(huì)對(duì)fNIRS信號(hào)產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響。這個(gè)問(wèn)題原則上已存在很多年了，但隨著越來(lái)越多的研究表明fNIRS受這些腦外變化的影響，而且腦外血流動(dòng)力學(xué)變化具有空間異質(zhì)性，其真正的意義變得越來(lái)越明顯。

如何避免或消除fNIRS研究中的假陽(yáng)性和假陰性？

假陽(yáng)性和假陰性可以通過(guò)以下一種或多種方法來(lái)避免、最小化或處理(重要性不分先后)：(i)精心的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(例如，避免具有強(qiáng)烈系統(tǒng)激活的任務(wù)，避免對(duì)被試造成額外的壓力和不適)，(ii)深度分辨fNIRS技術(shù)[例如，多距離(MD)測(cè)量]，(iii)適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計(jì)或信號(hào)處理方法[例如，獨(dú)立成分分析(ICA)，主成分分析(PCA)，自適應(yīng)濾波，使用系統(tǒng)回歸量的一般線性模型(GLM)進(jìn)行分析]，(iv)多模態(tài)監(jiān)測(cè)(例如，局部ScBF測(cè)量或系統(tǒng)生理信號(hào)測(cè)量)。
(一)設(shè)計(jì)fNIRS方案：與任何神經(jīng)科學(xué)研究一樣，在選擇試驗(yàn)設(shè)計(jì)、確定實(shí)驗(yàn)任務(wù)、設(shè)計(jì)對(duì)比以及選擇重復(fù)和持續(xù)時(shí)間時(shí)都應(yīng)仔細(xì)考慮。設(shè)計(jì)fNIRS方案時(shí)需要考慮的基本方面是，大腦激活必須相對(duì)于對(duì)照條件或基線進(jìn)行評(píng)估。功能性方案需要具有最佳的基線條件，以從實(shí)驗(yàn)任務(wù)中減去“虛假的”血流動(dòng)力學(xué)/氧合反應(yīng)。因此，fNIRS方案必須在實(shí)驗(yàn)條件和基線條件之間或兩個(gè)實(shí)驗(yàn)條件之間產(chǎn)生高對(duì)比度。
(二)fNIRS儀器：關(guān)于fNIRS硬件優(yōu)化，有多種可能性可以減少記錄信號(hào)中生理干擾因素的影響。時(shí)域fNIRS設(shè)備提供了一種可能性，可以根據(jù)測(cè)量的時(shí)域光子點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)而自動(dòng)區(qū)分腦內(nèi)或腦外層的測(cè)量變化。最近發(fā)表了用于分離腦外和腦內(nèi)隔室貢獻(xiàn)的新算法和方法。對(duì)于連續(xù)波fNIRS(cw-fNIRS)和頻域fNIRS系統(tǒng)，MD測(cè)量通過(guò)計(jì)算光強(qiáng)度下降作為SDS函數(shù)的斜率來(lái)提高對(duì)腦室的靈敏度。MD方法可以通過(guò)兩種主要技術(shù)“空間分辨光譜”和“自校準(zhǔn)法”來(lái)實(shí)現(xiàn)。另一種可能性是使用額外的短通道記錄。然后，這些短通道的信號(hào)可用于消除來(lái)自腦外層的影響。這種短通道回歸的最佳SDS最近確定為成人8.4mm，足月嬰兒2.15mm。所用短通道的數(shù)量和位置應(yīng)以解剖學(xué)/生理學(xué)約束為指導(dǎo)，正如Zhang等人(2015)所討論的那樣。減少生理混淆的特定信號(hào)處理和數(shù)據(jù)分析方法包括使用來(lái)自短通道的信息或基于[O2Hb]和[HHb]的不同動(dòng)態(tài)的方法。有關(guān)這些方法的概述，請(qǐng)參閱Scholkmann等人(2014)中的“提取大腦功能性活動(dòng)的信號(hào)分析方法”部分，以及Tak和Ye(2014)的綜述。
另一個(gè)需要考慮的方面是光電器件的連接。通常認(rèn)為，將光電器件緊密連接到頭皮上可以通過(guò)擠壓頭皮血液來(lái)消除或最小化腦外污染。雖然這是正確的，并且可能有助于減少腦外層血流動(dòng)力學(xué)變化的影響，但必須注意的是，頭部的高探頭壓力可能導(dǎo)致不適和局部疼痛，從而激活A(yù)NS，導(dǎo)致系統(tǒng)性混淆因素的強(qiáng)度增加。
探頭壓力也可以變化，與MD測(cè)量相結(jié)合，Baker等人(2015)開發(fā)的一種方法可以用于從fNIRS信號(hào)中去除腦外層的血流動(dòng)力學(xué)影響。
(三)分析工具和方法：在單一框架內(nèi)分析所有這些信號(hào)是具有挑戰(zhàn)性的。一種可能性是采用GLM，其中生理信號(hào)是額外的回歸量，這已經(jīng)在一些研究中得到了證明。此外，在同一模型中同時(shí)使用[O2Hb]和[HHb]可以增強(qiáng)對(duì)血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)的正確檢測(cè)，并改善統(tǒng)計(jì)。另一種有用的方法是將ICA與MD測(cè)量相結(jié)合。將ICA方法與系統(tǒng)測(cè)量相結(jié)合是一種很有前景的方法。Kirilina等人(2013)提出了一種去噪算法，該算法使用了從fNIRS和系統(tǒng)信號(hào)之間的時(shí)間依賴性得出的回歸量。此外，PCA在分離fNIRS信號(hào)中的全局和局部成分方面的有效性也得到了驗(yàn)證。
由于任務(wù)誘發(fā)的系統(tǒng)性生理變化的強(qiáng)度在很大程度上取決于被試的特定心理生理狀態(tài)，因此個(gè)體水平數(shù)據(jù)分析對(duì)于避免假陽(yáng)性和假陰性也很重要。個(gè)體水平和組水平分析的結(jié)合可能是最佳的方法。
(四)多模態(tài)監(jiān)測(cè)：fNIRS實(shí)驗(yàn)環(huán)境允許在功能實(shí)驗(yàn)過(guò)程中與其他可以監(jiān)測(cè)系統(tǒng)變量的儀器輕松交互。這些設(shè)備可以測(cè)量MAP、呼吸、PETCO2、HR、皮膚電和ScBF。這些測(cè)量結(jié)果可用于識(shí)別那些表現(xiàn)出與任務(wù)相關(guān)的系統(tǒng)性變化較大的個(gè)體，這些變化可能會(huì)干擾大腦功能反應(yīng)，從而將其排除在進(jìn)一步的分析之外。這些測(cè)量結(jié)果也可以用來(lái)驗(yàn)證基線和實(shí)驗(yàn)任務(wù)條件之間的系統(tǒng)相似性。重要的是，這些測(cè)量值可以在統(tǒng)計(jì)和信號(hào)處理方法中作為回歸和獨(dú)立成分來(lái)解釋非神經(jīng)元相關(guān)的功能反應(yīng)。
上述重點(diǎn)關(guān)注的是功能范式中的fNIRS監(jiān)測(cè)，但當(dāng)沒有功能對(duì)比時(shí)，即在評(píng)估靜息態(tài)大腦活動(dòng)的研究中，還需要考慮其他問(wèn)題。在靜息態(tài)下，神經(jīng)元和非神經(jīng)元血流動(dòng)力學(xué)因素并存，所以在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案時(shí)應(yīng)考慮這些因素[例如，可能的環(huán)境噪聲，實(shí)驗(yàn)期間睡意增加導(dǎo)致靜息態(tài)活動(dòng)的變化，由于fNIRS光電連接導(dǎo)致的被試壓力增加，這可能會(huì)引起不愉快的感覺，從而導(dǎo)致ANS活動(dòng)的變化]。在進(jìn)行靜息態(tài)fNIRS研究時(shí)應(yīng)注意這樣一個(gè)事實(shí)，即越來(lái)越多的研究報(bào)告了系統(tǒng)性血流動(dòng)力學(xué)變化對(duì)靜息態(tài)fNIRS和fMRI信號(hào)的影響。例如，Tong等人(2015)的fMRI研究表明，靜息態(tài)“可能在某種程度上反映的是與系統(tǒng)性波動(dòng)相關(guān)的血流變化，而非神經(jīng)元連通性”。此外，在Zhu等人(2015)的靜息態(tài)(RS)fMRI研究中，他們“提出了一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，即大部分rs-fMRI信號(hào)是否可以歸因于腦血流動(dòng)力學(xué)上游變化所產(chǎn)生的血管效應(yīng)”。由于fNIRS信號(hào)還受到ScBF變化的影響，因此需要仔細(xì)解釋靜息態(tài)fNIRS信號(hào)。因此，在靜息態(tài)fNIRS研究中，將測(cè)量的連通性相應(yīng)地命名為“血管連通性”或“腦內(nèi)外血流動(dòng)力學(xué)功能連通性之和”是有道理的。

未來(lái)方向

為了改進(jìn)未來(lái)的fNIRS研究，需要考慮許多因素。需要立即認(rèn)識(shí)到的是，在fNIRS數(shù)據(jù)分析中，在得出任何神經(jīng)科學(xué)結(jié)論之前，必須同時(shí)考慮[O2Hb]和[HHb]信號(hào)的時(shí)間動(dòng)力學(xué)，以及它們之間的相互關(guān)系。同時(shí)報(bào)告[O2Hb]和[HHb]的變化，而不是僅報(bào)告其中一個(gè)，這樣可以更好地對(duì)功能實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行生理學(xué)解釋(例如，當(dāng)[O2Hb]和[HHb]在任務(wù)期間均顯示出強(qiáng)烈的增加/降低時(shí)，那么這些信號(hào)有可能與系統(tǒng)性變化相混淆)。然而，觀察功能激活過(guò)程中典型的血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)模式(即[O2Hb]增加和[HHb]降低)不足以得出沒有系統(tǒng)性混淆效應(yīng)發(fā)生的結(jié)論。系統(tǒng)生理的同步測(cè)量，目前可以通過(guò)高度便攜且相對(duì)便宜的儀器輕松實(shí)現(xiàn)，同時(shí)可以提供一種可行的方法來(lái)消除系統(tǒng)性干擾，并識(shí)別與任務(wù)相關(guān)的系統(tǒng)性變化較強(qiáng)的個(gè)體。
[O2Hb]和[HHb]均可受系統(tǒng)性生理變化(發(fā)生在腦內(nèi)或腦外隔室)的影響。然而，影響的程度往往各不相同，也取決于系統(tǒng)性變化的來(lái)源和類型。Kirilina等人證明[O2Hb]信號(hào)受腦外和腦內(nèi)隔室的全局加工以及局部頭皮BF調(diào)節(jié)的影響更強(qiáng)，而[HHb]信號(hào)受腦外過(guò)程的影響較小。其生理原因可能是來(lái)自交感神經(jīng)系統(tǒng)的纖維對(duì)小動(dòng)脈的神經(jīng)支配程度大于小靜脈；在ANS活動(dòng)期間，[O2Hb]信號(hào)似乎比[HHb]信號(hào)受到的影響更大——Haeussinger等人(2014)的研究也支持這一結(jié)論。此外，眾所周知，與[HHb]相比，[O2Hb]的心臟振蕩更明顯。盡管有證據(jù)表明[HHb]信號(hào)受系統(tǒng)性變化的污染較小，但這并不意味著[HHb]信號(hào)沒有受到系統(tǒng)性變化的干擾。
在目前的fNIRS研究中，大多數(shù)研究使用cw-fNIRS系統(tǒng)，該系統(tǒng)僅在固定的3cm SDS上進(jìn)行測(cè)量。在這種情況下，建議通過(guò)以下任一方式校正ScBF效應(yīng)：(i)添加額外的短通道并使用它們回歸表面血流動(dòng)力學(xué)(使用目前開發(fā)的短通道回歸方法之一)，(ii)通過(guò)計(jì)算所有通道的平均信號(hào)并使用該通道作為表面回歸量，或(iii)結(jié)合這兩種方法。
目前，越來(lái)越多的fNIRS儀器公司提供替代或附加解決方案，以允許使用隨后的短通道回歸框架實(shí)現(xiàn)MD探頭幾何形狀。未來(lái)，這種儀器的進(jìn)步將允許fNIRS測(cè)量能夠更好地代表神經(jīng)元、大腦和誘發(fā)反應(yīng)。
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