導(dǎo)讀

功能性近紅外光譜(fNIRS)越來越多地用于研究嬰兒的大腦功能，但嬰兒fNIRS數(shù)據(jù)分析技術(shù)的發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)化并沒有跟上其他技術(shù)進(jìn)步的步伐。本研究使用不同的分析方法量化和比較了嬰兒的fNIRS數(shù)據(jù)[包含兩個(gè)獨(dú)立的fNIRS數(shù)據(jù)集(6-9個(gè)月大的嬰兒)和模擬嬰兒fNIRS數(shù)據(jù)集]。對(duì)于每種方法，研究者將傳統(tǒng)的固定陣列分析結(jié)果與幾種功能興趣通道(fCOI)分析方法進(jìn)行了對(duì)比。此外，還測(cè)試了改變fCOI定義中潛在數(shù)據(jù)通道的數(shù)量和解剖位置的影響。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，fCOI方法比固定陣列分析更為敏感，尤其是在被試內(nèi)部確定了興趣通道時(shí)。應(yīng)用解剖限制或在fCOI定義中包括多個(gè)通道不會(huì)降低fCOI方法的靈敏度，在某些情況下還會(huì)提高fCOI的靈敏度?；谶@些結(jié)果，研究者建議研究人員采用fCOI方法來分析嬰兒fNIRS數(shù)據(jù)，并為嬰兒大腦功能和發(fā)育研究中選擇特定的fCOI方法和設(shè)置提供了相應(yīng)的指南。

前言

在過去的十年中，功能性近紅外光譜(fNIRS)在研究嬰幼兒腦功能方面的應(yīng)用有了顯著的增長，這是因?yàn)樗扔糜跍y(cè)試發(fā)育人群的其他常見神經(jīng)成像方法(如EEG和fMRI)具有更加獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。例如，像嬰兒坐在父母腿上或高腳椅上(自然環(huán)境中)，就可以收集fNIRS數(shù)據(jù)。相比之下，功能磁共振成像要求參與者躺在掃描儀中并保持靜止，因此，尚不能廣泛或容易地應(yīng)用于醒著的嬰幼兒群體。與EEG相比，fNIRS具有更好的空間分辨率。由于EEG測(cè)量的電活動(dòng)在頭皮上傳播和疊加，因此很難確定EEG的皮層源，而NIRS數(shù)據(jù)中的源定位估計(jì)可以縮減到給定數(shù)據(jù)通道(光源-探測(cè)器對(duì))頭皮位置周圍幾厘米的位置。fNIRS使用和應(yīng)用的增加也伴隨著硬件、軟件和頭部探頭的進(jìn)步，以應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)處理過程中的挑戰(zhàn)。然而，fNIRS要成為研究嬰兒大腦功能的首要方法，還需要在數(shù)據(jù)分析方面取得同步進(jìn)展。在這里，研究者通過直接比較不同分析方法的結(jié)果來增加對(duì)嬰兒fNIRS數(shù)據(jù)分析的了解。具體而言，將常用的固定陣列分析方法與新興的替代方法(fCOI)進(jìn)行比較，以進(jìn)行進(jìn)一步分析。此外，本研究還直接比較和量化了fCOI分析中幾個(gè)重要分析選擇對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)集的影響。

與其他神經(jīng)成像方式一樣，fNIRS數(shù)據(jù)通常是從多個(gè)通道收集的。由于fNIRS系統(tǒng)的可用測(cè)量通道的數(shù)量有限，因此研究人員通常試圖策略性地針對(duì)更特定的大腦區(qū)域。例如，在典型的fNIRS實(shí)驗(yàn)中，研究人員根據(jù)地標(biāo)將探針放置在參與者頭部，這些地標(biāo)被認(rèn)為與特定研究感興趣的大腦區(qū)域相對(duì)應(yīng)。通過MRI和成人多模態(tài)MRI-NIRS建立的頭皮地標(biāo)和潛在大腦區(qū)域之間的已知對(duì)應(yīng)關(guān)系來指導(dǎo)放置。從這項(xiàng)工作中，某些頭皮地標(biāo)已被證明與已知的大腦區(qū)域相對(duì)應(yīng)?；谶@項(xiàng)工作的推論使研究人員能夠?qū)⒂涗浖械礁赡軐?duì)應(yīng)于潛在感興趣大腦區(qū)域的通道。

目前使用的許多嬰兒fNIRS數(shù)據(jù)分析方法假設(shè)頭部探頭中的給定通道是從樣本參與者的同一潛在腦區(qū)測(cè)量的。在已發(fā)表的嬰兒fNIRS文獻(xiàn)中，這些方法中最常見的是我們所稱的固定陣列方法。在固定陣列方法的傳統(tǒng)實(shí)例中，研究人員按通道整合來自不同參與者的數(shù)據(jù)，并測(cè)試“通道空間”中的興趣效應(yīng)。當(dāng)然，隨著分析的通道數(shù)量的增加，統(tǒng)計(jì)假陽性的可能性也隨之增加。即使僅在更集中的頭皮區(qū)域進(jìn)行，或者分析僅限于探頭的某些部分，但仍有可能使用多個(gè)數(shù)據(jù)通道進(jìn)行分析。在一些已發(fā)表的研究中，fNIRS的研究人員忽略了多重比較問題，而傾向于確定利益的潛在影響。其他人使用標(biāo)準(zhǔn)的多重檢驗(yàn)技術(shù)(如Bonferroni校正或錯(cuò)誤發(fā)現(xiàn)率(FDR))調(diào)整了顯著性的統(tǒng)計(jì)閾值，以試圖解釋多重比較，但這樣做也可能伴隨著對(duì)興趣影響的敏感性降低。盡管如此，有研究人員還是使用了更多數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法來減少數(shù)據(jù)的空間(和時(shí)間)分布，識(shí)別潛在影響，然后使用數(shù)據(jù)隨機(jī)排列得出的統(tǒng)計(jì)閾值來確定哪些影響不太可能是偶然發(fā)生的。

無論是否使用其他方法來減少數(shù)據(jù)或控制多重比較，類似的假設(shè)指導(dǎo)著文獻(xiàn)中常見的“固定陣列”或“通道空間”分析：給定通道測(cè)量來自參與者的相同或多個(gè)腦區(qū)。雖然固定陣列方法可能足以推斷頭皮與大腦的平均對(duì)應(yīng)關(guān)系，并隨后將分析減少到可能對(duì)應(yīng)于成人(和大齡兒童)大腦感興趣區(qū)域的通道，但由于某些原因，它們?cè)趮雰喊l(fā)育人群中更受限制。首先，與成人相比，在不同年齡段的嬰兒中建立頭皮-大腦對(duì)應(yīng)關(guān)系的工作較少，而且在嬰兒年齡段中沒有廣泛可用于源定位建模的標(biāo)準(zhǔn)平均大腦模板。第二，與成人或大齡兒童相比，嬰兒群體中的個(gè)體差異因素往往會(huì)加劇，這些因素會(huì)導(dǎo)致頭皮到大腦估計(jì)值的差異，如頭部大小或個(gè)體參與者之間探頭放置缺乏系統(tǒng)性。第三，由于fNIRS的空間分辨率限制，與成人相比，給定的數(shù)據(jù)通道更有可能記錄了嬰兒的多個(gè)大腦區(qū)域。所有這些因素綜合起來，使得關(guān)于嬰兒定位的推斷不太明確。

新興方法放寬了參與者之間固定陣列或“通道空間”分析的假設(shè)。其中一種有前景的方法是進(jìn)一步開發(fā)被試特定的解剖定位技術(shù)，這可以允許更直接地訪問個(gè)體被試中的實(shí)際腦通道對(duì)應(yīng)關(guān)系。在成人中，可以通過獲得與模板大腦或被試特定MRI相關(guān)的單個(gè)頭部探針-頭皮對(duì)應(yīng)的附加信息來進(jìn)一步增強(qiáng)定位。盡管這些方法對(duì)嬰兒來說更具挑戰(zhàn)性，但最近的研究在這方面取得了一些有希望的進(jìn)展。

認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)中常見的一種數(shù)據(jù)簡化的補(bǔ)充方法是基于功能反應(yīng)本身的信息約束分析。其基本思想是，除了純粹的解剖位置之外，還可以通過個(gè)體大腦的功能響應(yīng)特性來確定在fMRI體素或fNIRS通道中定義的感興趣區(qū)域。由于大腦中的功能細(xì)分并不總是具有清晰的解剖學(xué)特征，并且個(gè)體在區(qū)域功能組織中也有所不同，因此使用功能數(shù)據(jù)靈活地指導(dǎo)分析可以為大腦定位提供新的信息，并進(jìn)一步確定分析的重點(diǎn)。

為了更好地理解這些不同方法和分析選擇對(duì)嬰兒NIRS數(shù)據(jù)分析的影響，本研究評(píng)估了兩個(gè)嬰兒fNIRS數(shù)據(jù)集的結(jié)果。對(duì)于這兩個(gè)數(shù)據(jù)集，首先將傳統(tǒng)固定陣列分析方法的結(jié)果與各種類型的fCOI分析方法進(jìn)行了比較。傳統(tǒng)的固定陣列方法被用作評(píng)估各種fCOI方法和選擇的比較基準(zhǔn)，因?yàn)樗於藡雰篺NIRS文獻(xiàn)中的許多基礎(chǔ)研究，并且與許多其他常用方法具有相似的固定通道空間假設(shè)。然后，研究者分別評(píng)估了不同分析選擇對(duì)每種fCOI方法結(jié)果的影響。最后，為了進(jìn)一步驗(yàn)證本研究的結(jié)果，研究者在已知地面真值的合成嬰兒fNIRS數(shù)據(jù)集上比較了這些相同的分析方法和選擇。比較和對(duì)比這些不同分析的首要目的是為了更好地了解它們對(duì)結(jié)果的影響，并為嬰兒fNIRS數(shù)據(jù)分析中的分析決策提供新的實(shí)證基礎(chǔ)。

研究一

方法

研究一比較并對(duì)比了嬰兒fNIRS實(shí)驗(yàn)中感興趣的方法和分析選擇，該實(shí)驗(yàn)旨在識(shí)別顳葉后部的面部敏感區(qū)域。該數(shù)據(jù)集與之前的嬰兒fNIRS fCOI分析方法的研究具有可比性，并且與成人fMRI研究中使用的動(dòng)態(tài)面部特定區(qū)域定位相似。數(shù)據(jù)集共有20名參與者(Mage=8.65個(gè)月，SDage=1.10個(gè)月，Rangeage=6.31-10.59個(gè)月，7名女性)。另有18名嬰兒參與，但未提供可用數(shù)據(jù)。獲得所有兒童的父母或監(jiān)護(hù)人的書面知情同意書。

刺激與設(shè)計(jì)

刺激物被設(shè)計(jì)用于誘發(fā)對(duì)動(dòng)態(tài)面孔選擇性的外側(cè)顳葉皮層區(qū)域的活動(dòng)。這些刺激由包含面孔或風(fēng)景場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)電影組成(見圖1)。動(dòng)態(tài)面孔視頻包括一個(gè)孩子自然地移動(dòng)，但視頻聚焦于在面孔上。動(dòng)態(tài)場(chǎng)景視頻包含山脈或森林等自然景觀的全景。所有視頻片段均伴有古典音樂，旨在進(jìn)一步維持嬰兒的參與。每次測(cè)試都以10s的黑屏開始，中間有一個(gè)白色十字注視點(diǎn)，然后是2s的掩蔽屏，開始時(shí)會(huì)播放警報(bào)聲，接下來是3個(gè)3s的視頻片段(面部或場(chǎng)景)，見圖1。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，每種類型刺激(面部或場(chǎng)景)都有12段獨(dú)特的視頻。每個(gè)被試的視頻片段都以獨(dú)特的順序呈現(xiàn)。視頻類型順序（即，先呈現(xiàn)面孔視頻還是場(chǎng)景視頻）對(duì)于每個(gè)被試都是隨機(jī)的，但在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中是固定的。

圖1.刺激、呈現(xiàn)序列和fNIRS探針放置示意圖。

程序

獲取數(shù)據(jù)的過程類似于使用視聽刺激收集嬰兒fNIRS數(shù)據(jù)的研究過程。嬰兒坐在父母或監(jiān)護(hù)人的腿上時(shí)，會(huì)戴上靈活的定制頭盔。關(guān)閉測(cè)試室的頂燈，在距離嬰兒約90cm處的電腦顯示器上播放視頻片段。每次運(yùn)行完成后，顯示器都會(huì)暫停播放，直到研究人員通過按鍵來啟動(dòng)下一次運(yùn)行。fNIRS記錄是使用TechEn CW6(連續(xù)波)NIRS系統(tǒng)進(jìn)行的，該系統(tǒng)具有八個(gè)光源(4個(gè)690nm和4個(gè)830nm波長)和四個(gè)光探測(cè)器，以測(cè)量頭皮50Hz下的皮層血流動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。源和探測(cè)器以2.5cm的固定間距排列，以創(chuàng)建一個(gè)定制的10通道探頭，覆蓋右半球外側(cè)顳葉和下頂葉區(qū)域的頭皮區(qū)域。

數(shù)據(jù)分析

使用MATLAB(R2019a)中的Homer2包(2.8版)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。本研究的預(yù)處理步驟與最近發(fā)表的兩個(gè)嬰兒fNIRS實(shí)驗(yàn)中使用的步驟非常匹配，這些實(shí)驗(yàn)使用相同的fNIRS系統(tǒng)、類似的探針、可比較的參與者年齡范圍和類似的視頻刺激。采用0.5Hz低通濾波去除較高頻噪聲。然后，應(yīng)用另一種自動(dòng)算法來檢測(cè)和拒絕包含運(yùn)動(dòng)偽影的數(shù)據(jù)。最后，使用改進(jìn)的Beer-Lambert定律將數(shù)據(jù)從光密度單位轉(zhuǎn)換為含氧、脫氧和總血紅蛋白濃度的變化(Homer2中默認(rèn)PPF為6.0)。在數(shù)據(jù)預(yù)處理(包括自動(dòng)偽影檢測(cè)和數(shù)據(jù)剔除)之后，最終數(shù)據(jù)集共包含20名參與者的數(shù)據(jù)。僅保留面孔和場(chǎng)景block完整的數(shù)據(jù)以供進(jìn)一步分析。

結(jié)果

固定陣列分析

對(duì)每個(gè)通道上的面孔加工與場(chǎng)景加工進(jìn)行對(duì)比的固定陣列分析，沒有產(chǎn)生任何統(tǒng)計(jì)上顯著的結(jié)果，即使在多重比較校正之前，統(tǒng)計(jì)結(jié)果仍未達(dá)顯著性水平。在通道3(Cohen's d=0.37)中觀察到的效應(yīng)最大，其次是通道7(d=0.29)，然后是通道5(d=0.25)，盡管所有相應(yīng)的貝葉斯因子(BF10=0.68–1.43)表明面孔效應(yīng)的證據(jù)相對(duì)較弱(圖2和圖3)。

圖2.提取每種方法中面孔和場(chǎng)景的HbO響應(yīng)(上圖)。方法(a-e)如底部所示，以及各方法選擇的作為單通道fCOI的通道比例分布(下圖)。

圖3.對(duì)每種分析方法的HbO時(shí)間過程進(jìn)行單通道分析(通道3)。深色的線代表組平均值，陰影代表±1均值標(biāo)準(zhǔn)誤(SEM)。所有方法的先驗(yàn)分析窗口為4-16s。

功能興趣通道分析

通過對(duì)比面孔加工與場(chǎng)景加工的功能性反應(yīng)來定義感興趣通道，使用被試內(nèi)leave-one-run-out和split-half留出法，產(chǎn)生了統(tǒng)計(jì)上顯著的結(jié)果。Leave-one-run-out 的統(tǒng)計(jì)效應(yīng)最大(d=0.51)，其次是split-half(d=0.39)。然而，與其他fCOI方法(BF10=0.65–1.58)和固定陣列方法(BF10=1.43)相比，leave-one-run-out(BF10=3.76)的效應(yīng)大約是其兩倍。

討論

本研究結(jié)果表明，fCOI方法比傳統(tǒng)的固定陣列分析對(duì)面孔選擇區(qū)域的檢測(cè)更為敏感。更具體地說，與固定陣列方法相比，只有fCOI方法顯示出統(tǒng)計(jì)上的顯著效應(yīng)。被試內(nèi)fCOI方法總體上比被試間fCOI方法對(duì)興趣通道的效應(yīng)更敏感。此外，在三種被試內(nèi)fCOI方法中， leave-one-run-out產(chǎn)生的效應(yīng)最強(qiáng)，其次是split-half，然后是迭代對(duì)比法。在fCOI中添加多個(gè)位點(diǎn)并沒有顯著提高靈敏度，也沒有改變結(jié)果的統(tǒng)計(jì)顯著性。

在所有方法中都出現(xiàn)了一致的情況，其中特定的數(shù)據(jù)通道被確定為感興趣的通道，這些通道與固定陣列分析中顯示最強(qiáng)效應(yīng)的通道一致。在為fCOI定義所選擇的通道中也存在一定程度的被試內(nèi)一致性，盡管總體值低于預(yù)期。這表明，對(duì)面部刺激的反應(yīng)可能跨越探針的多個(gè)通道，甚至在單個(gè)被試內(nèi)，導(dǎo)致被試在不同數(shù)據(jù)子集上的fCOI定義存在差異。然而，需要注意的是，一致性的計(jì)算本身可能會(huì)受到本研究中可用數(shù)據(jù)的性質(zhì)和數(shù)量的挑戰(zhàn)。更廣泛地說，目標(biāo)通道在被試間的分布以及敏感性指標(biāo)可以被這個(gè)特定樣本相對(duì)較大的年齡范圍放大，而較窄的年齡范圍可能不一定產(chǎn)生相同的結(jié)果。

研究二

研究二重新分析了先前發(fā)表的一項(xiàng)研究數(shù)據(jù)，以進(jìn)一步比較和對(duì)比相同的方法和分析選擇。更具體地說，本研究結(jié)合了兩個(gè)嬰兒fNIRS實(shí)驗(yàn)(N=50)的數(shù)據(jù)，該實(shí)驗(yàn)是關(guān)于對(duì)他人心理狀態(tài)或心理理論的顳頂葉反應(yīng)的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的性質(zhì)與研究一不同，因?yàn)楣δ苄苑磻?yīng)是從與視頻刺激內(nèi)的特定事件同步的短暫時(shí)間窗中提取的，而不是在包含多個(gè)視頻片段的更大時(shí)間block上進(jìn)行平均。除數(shù)據(jù)類型外，每個(gè)被試的數(shù)據(jù)量也不同。此外，與研究一不同的是，研究二從先前發(fā)表的研究中獲得了興趣效應(yīng)的時(shí)間和定位的先驗(yàn)知識(shí)，這使本研究能夠進(jìn)一步評(píng)估不同方法和選擇的準(zhǔn)確性。

方法

該研究中用于獲取和預(yù)處理數(shù)據(jù)的方法已在Hyde等人(2018)的研究中發(fā)表，與研究一中使用的方法幾乎相同。數(shù)據(jù)集中共有50名參與者(Mage=7.64個(gè)月，SDage=0.83個(gè)月，年齡范圍=6.08–9.07個(gè)月，25名女性)。

刺激和設(shè)計(jì)

刺激旨在誘發(fā)右側(cè)顳頂葉交界處(TPJ)的功能反應(yīng)，當(dāng)成年人和大齡兒童思考其他人心理狀態(tài)時(shí)，該區(qū)域被認(rèn)為會(huì)選擇性地做出反應(yīng)。刺激是一個(gè)人以目標(biāo)導(dǎo)向的方式與木偶和物體互動(dòng)的視頻片段(見圖4)。所有run都包括一個(gè)介紹性事件，然后是三個(gè)隨機(jī)順序呈現(xiàn)的測(cè)試事件。介紹事件旨在讓嬰兒熟悉特定run中的人物、物體和木偶。三個(gè)測(cè)試事件或?qū)嶒?yàn)條件，包括一個(gè)木偶撿起一個(gè)物體，把它放在一個(gè)盒子里，然后將物體移動(dòng)到另一個(gè)盒子，一個(gè)人站在背景中。所有測(cè)試事件都以該人成功地到達(dá)該物體所在的盒子處而結(jié)束。兩種情況之間的關(guān)鍵區(qū)別在于人物是否知道物體的實(shí)際位置。在真信念條件下(TB)，該人物面朝前方，看到木偶將物體從一個(gè)盒子移動(dòng)到另一個(gè)盒子。在錯(cuò)誤信念條件下(FB)，該人物暫時(shí)把頭轉(zhuǎn)向別處，并沒有看到物體在盒子之間移動(dòng)。在方向感知控制條件下(DP)，該人物也暫時(shí)把頭轉(zhuǎn)向別處，沒有看到物體在盒子之間移動(dòng)，但盒子是清晰的(隱藏物體的位置很明顯)。

圖4.嬰兒心理理論fNIRS研究中呈現(xiàn)視頻刺激的示意圖。

程序

獲取數(shù)據(jù)的過程與研究一非常相似。對(duì)于20名被試，光源和探測(cè)器以2.5cm的固定間距排列，以創(chuàng)建一個(gè)定制的12通道探頭，覆蓋右半球下頂葉、外側(cè)顳和外側(cè)PFC的頭皮區(qū)域。對(duì)于另外30名被試，探頭覆蓋了右半球的6個(gè)顳頂葉通道和左額葉區(qū)域的4個(gè)通道。出于分析的目的，結(jié)合這兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，僅分析兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的六個(gè)重疊的顳頂葉通道(見圖5)。

圖5.常見頭皮地標(biāo)的顳頂葉探頭放置。

數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)預(yù)處理與該數(shù)據(jù)集的原始研究完全匹配，并且也與研究一中使用的程序非常相似。主要區(qū)別在于，設(shè)置PCA濾波器去除的方差不超過給定被試數(shù)據(jù)總方差的90%，而不是研究一中的80%。試次被定義為測(cè)試視頻開始前2s到42s后，以適應(yīng)對(duì)本研究特定刺激的全面反應(yīng)。

結(jié)果

固定陣列分析

對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)集(N=50)進(jìn)行固定陣列分析，將每個(gè)通道上對(duì)錯(cuò)誤信念條件的響應(yīng)與真信念和直接感知條件的平均響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比，在通道1、2、3中存在統(tǒng)計(jì)上的顯著效應(yīng)，即使在進(jìn)行多重比較校正之后(圖6和7)。在這些通道中，通道3的響應(yīng)最大(d=0.54，BF10=140)。

圖6.提取每種方法的HbO響應(yīng)(上圖)。方法(a-e)如底部所示，以及各方法選擇的作為單通道fCOI的通道比例分布(下圖)。

圖7.對(duì)每種分析方法的HbO時(shí)間過程進(jìn)行單通道分析(通道3)。深色的線代表組平均值，陰影代表±1均值標(biāo)準(zhǔn)誤(SEM)。所有方法的先驗(yàn)分析窗口為22-26s。

功能興趣通道分析

通過將錯(cuò)誤信念條件的功能性反應(yīng)與對(duì)真信念和直接感知條件的反應(yīng)的均值進(jìn)行對(duì)比，定義單個(gè)感興趣通道，使用split-half和迭代對(duì)比法，產(chǎn)生了具有統(tǒng)計(jì)意義的結(jié)果(圖6和7)。split-half法和迭代對(duì)比法產(chǎn)生了中等效應(yīng)量大小(d=0.32-0.34)，而被試間的leave-one-subject-out和被試內(nèi)的leave-one-run-out產(chǎn)生了較小的效應(yīng)量(d=0.15-0.26)。迭代對(duì)比法產(chǎn)生了最穩(wěn)健的結(jié)果，具有最大效應(yīng)量(d=0.34)。將單個(gè)感興趣通道的通道數(shù)量從兩個(gè)增加到三個(gè)，并不會(huì)顯著改變split-half或迭代對(duì)比法的結(jié)果。

討論

研究二結(jié)果表明，與固定陣列方法相比，fCOI方法對(duì)感興趣通道的影響更敏感，并且被試內(nèi)fCOI方法比被試間fCOI方法更敏感。在fCOI內(nèi)部方法中，迭代對(duì)比和split-half法在該數(shù)據(jù)集上產(chǎn)生了最強(qiáng)的結(jié)果。在fCOI定義中包括多個(gè)通道（2或3）并沒有削弱結(jié)果，并且包括多個(gè)通道似乎增加了最初不太敏感的被試間fCOI方法和被試內(nèi)leave-one-subject-out的效應(yīng)大小。綜合研究二中的結(jié)果會(huì)發(fā)現(xiàn)，迭代對(duì)比法和split-half法在靈敏度方面表現(xiàn)良好。與其他fCOI方法相比，被試內(nèi)leave-one-subject-out方法對(duì)該特定數(shù)據(jù)集的敏感性較低。

研究三

研究三的主要目的是將固定和fCOI方法的結(jié)果與真實(shí)的嬰兒fNIRS數(shù)據(jù)集進(jìn)行比較，但這樣做的局限性在于所調(diào)查信號(hào)的地面真值是未知的。為了進(jìn)一步驗(yàn)證這些技術(shù)并更好地理解本研究的結(jié)果，在已知地面真值的綜合嬰兒fNIRS數(shù)據(jù)集上比較和對(duì)比了相同的方法和分析選擇。

方法

數(shù)據(jù)模擬設(shè)置與設(shè)計(jì)

使用NIRS Brain AnalyzIR Toolbox中的工具以及用于嬰兒特定fNIRS數(shù)據(jù)模擬的公開可用代碼，創(chuàng)建了一個(gè)包含20名參與者的合成數(shù)據(jù)集。對(duì)于這個(gè)模擬，使用了與研究一相同的基本10通道探頭，在設(shè)計(jì)中有兩個(gè)條件，一個(gè)活動(dòng)條件和一個(gè)控制條件。合成fNIRS數(shù)據(jù)是根據(jù)文獻(xiàn)中關(guān)于模擬嬰兒特異性fNIRS數(shù)據(jù)的建議創(chuàng)建的。使用自回歸模型(階數(shù)=30；空間相關(guān)性=0.33)生成空間和時(shí)間相關(guān)的基線噪聲。選擇接收HRF的特定兩個(gè)通道對(duì)于每個(gè)參與者在頭部探頭的通道1-3之間隨機(jī)變化，以模擬參與者之間活動(dòng)通道的可變性，這是測(cè)試fCOI識(shí)別方法的靈敏度和有效性的關(guān)鍵數(shù)據(jù)特征。最后，以接近真實(shí)嬰兒fNIRS數(shù)據(jù)中的頻率(2Hz尖峰；1.5Hz偏移)引入模擬運(yùn)動(dòng)偽影。選擇設(shè)置以合理地近似具有局部和突出HRF響應(yīng)的穩(wěn)健嬰兒fNIRS數(shù)據(jù)集。重要的是，要注意模擬數(shù)據(jù)中其他設(shè)置參數(shù)的變化。

數(shù)據(jù)分析

由于合成數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)的性質(zhì)不同，數(shù)據(jù)預(yù)處理設(shè)置與研究一的設(shè)置相同，但有以下變化。根據(jù)Gemignani和Gervain (2021b)的建議，應(yīng)用0.7Hz低通濾波器(而不是0.5)來去除高頻噪聲。數(shù)據(jù)塊被定義為條件標(biāo)記開始前2s到20s后捕獲到合成HRF。在涉及檢測(cè)和拒絕包含偽影的試驗(yàn)的預(yù)處理后，平均有6.95個(gè)活動(dòng)條件試次和7.4個(gè)控制條件試次用于分析。在條件標(biāo)記開始后2到14s內(nèi)提取平均幅度響應(yīng)，以捕獲HRF進(jìn)行進(jìn)一步分析。預(yù)計(jì)對(duì)活動(dòng)條件的反應(yīng)大于對(duì)控制條件的反應(yīng)(活動(dòng)＞控制)。校正和未校正的α水平與研究一中使用的相同(p＜0.005，p＜0.05)。除了研究一和研究二中使用的fCOI定義中的分布、被試間和被試內(nèi)的一致性指標(biāo)外，研究者還評(píng)估了觀察到的fCOI定義與插入HRF的地面真值通道之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

結(jié)果

固定陣列分析

固定陣列分析將每個(gè)通道對(duì)活動(dòng)條件的響應(yīng)與對(duì)控制條件的響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比，分別確定了通道1、2、3在未校正水平的影響，但只有通道1在進(jìn)行多重比較校正后仍然存在顯著差異(圖8和9)。通道1的效應(yīng)量最大(d=0.62，BF10=12.9)。

圖8.提取每種方法在模擬嬰兒fNIRS數(shù)據(jù)中對(duì)活動(dòng)和控制條件的HbO響應(yīng)。方法(a-e)如底部所示，以及各方法選擇的作為單通道fCOI的通道比例分布(下圖)。

圖9.地面真值數(shù)據(jù)以及其他分析方法的HbO時(shí)間過程。深色線代表組平均值，陰影代表±1均值標(biāo)準(zhǔn)誤(SEM)。所有方法的先驗(yàn)分析窗口為2-14s。

功能興趣通道分析

通過比較對(duì)活動(dòng)條件的功能響應(yīng)與對(duì)控制條件的響應(yīng)來定義感興趣的通道，所有fCOI方法產(chǎn)生了統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著效應(yīng)。然而，與從被試間fCOI方法(d=0.57，BF10=6.12)或固定陣列分析的最大效應(yīng)量(d=0.62，BF10=12.9)相比，被試內(nèi)fCOI方法的效應(yīng)量幾乎翻了一倍(d=1.03-1.1)。盡管所有被試內(nèi)fCOI方法都證明對(duì)這個(gè)合成數(shù)據(jù)集中的效果高度敏感，但與其他被試內(nèi)fCOI方法(BF10=224–235)相比，leave-one-run-out方法(BF10=588)的效應(yīng)強(qiáng)度大約是它們的兩倍。split-half和迭代對(duì)比具有相似的敏感性水平。

通過將fCOI定義中的通道數(shù)量從一個(gè)感興趣的通道增加到所有被試內(nèi)fCOI方法的兩個(gè)通道，效應(yīng)大小略有降低。解剖限制略微改善了被試內(nèi)fCOI方法的結(jié)果，并且對(duì)被試間fCOI方法的結(jié)果沒有影響。這些結(jié)果表明，fCOI方法比固定陣列方法更敏感，被試內(nèi)fCOI方法比被試間方法更敏感。所有被試內(nèi)fCOI方法都對(duì)這個(gè)合成數(shù)據(jù)集中的效應(yīng)高度敏感，其中l(wèi)eave-one-run-out方法表現(xiàn)最好?？傊?，來自合成嬰兒fNIRS數(shù)據(jù)集的結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了使用的fCOI方法與地面真值情況的一致性。

結(jié)論

許多已發(fā)表的文獻(xiàn)和當(dāng)前的分析方法都接受固定陣列分析方法的假設(shè)：(a)如果嬰兒fNIRS頭部探頭在被試之間以相同的方式放置，那么被試的頭皮-大腦對(duì)應(yīng)是相似的，因此可以認(rèn)為給定的通道對(duì)應(yīng)于被試的相同大腦區(qū)域，并且(b)頭部大小不需要作為一個(gè)因素來考慮，或者可以通過一些額外的放置程序或規(guī)則來解釋。嚴(yán)格來說，這些假設(shè)對(duì)于嬰兒來說并不正確。在這里，本研究報(bào)告了新的經(jīng)驗(yàn)證據(jù)，表明在分析嬰兒fNIRS數(shù)據(jù)時(shí)，fCOI方法比傳統(tǒng)的固定陣列方法更敏感，被試內(nèi)fCOI方法比被試間fCOI方法更敏感。本研究的的發(fā)現(xiàn)復(fù)制并擴(kuò)展了該領(lǐng)域的初始發(fā)現(xiàn)，進(jìn)一步提供了幾種主要分析選擇的定量比較，揭示了不同的方法選擇如何影響靈敏度，為研究人員在未來對(duì)其分析做出選擇提供了經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)。總之，fCOI方法是嬰兒fNIRS數(shù)據(jù)分析的一種強(qiáng)有力的方法。

參考文獻(xiàn)：Yiyu Liu, Fernando Sánchez Hernández, Fransisca Ting, Daniel C. Hyde, . Comparing fixed-array and functionally-defined channel of interest approaches to infant functional near-infrared spectroscopy data. NeuroImage, Volume 261, 2022, 119520. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2022.119520.