腦成像方法

在過去的二十年中，大腦結(jié)構(gòu)和功能可視化技術(shù)的進(jìn)步為醫(yī)學(xué)、生物醫(yī)學(xué)以及相關(guān)領(lǐng)域的研究人員研究大腦的功能和連接提供了大量的機(jī)會。各種各樣的成像技術(shù)使我們能夠精確地實(shí)現(xiàn)從單個(gè)分子到整個(gè)大腦的可視化。大腦成像可以發(fā)現(xiàn)從事不同功能(如認(rèn)知、學(xué)習(xí)等)的網(wǎng)絡(luò)，并解釋大腦不同區(qū)域之間的功能連接，以跟蹤信息流動。一些常見的神經(jīng)成像方式，包括計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)，磁共振成像(MRI)，經(jīng)顱多普勒，正電子發(fā)射斷層掃描(PET)，單光子發(fā)射CT，電生理技術(shù)[腦磁圖(MEG)和腦電圖(EEG)]，功能性近紅外光譜(fNIRS)等。大腦成像揭示了大腦中的結(jié)構(gòu)、功能和生化活動，因此成像方式可以分為：①結(jié)構(gòu)成像(CT/MRI)；②功能成像(fMRI/fNIRS/MEG/EEG/PET)。

近紅外光譜系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)

NIRS是一種光學(xué)成像技術(shù)，通過分析或監(jiān)測局部血液氧合水平來繪制組織的功能狀態(tài)。該技術(shù)提供了一種安全、無創(chuàng)、便攜、經(jīng)濟(jì)的方法來評估組織的功能信息。NIRS系統(tǒng)使用兩個(gè)或多個(gè)近紅外波長區(qū)域(700-1100nm)的光源和光探測器來映射來自人體組織的反射光。其的原理是，組織在近紅外光波長中相對透明，只受血液中的血紅蛋白干擾，氧和脫氧血紅蛋白都吸收不同波長的光。因此，從組織反射衰減的光取決于血液氧合水平，因此它提供了一個(gè)間接的代謝活動測量。當(dāng)大腦活動頻繁時(shí)，會消耗更多的氧氣來為神經(jīng)元提供足夠的能量。缺氧會導(dǎo)致腦缺血、功能損傷和腦組織損傷，最終導(dǎo)致死亡。NIRS通過測量血液氧合指數(shù)水平，并在水平低于安全閾值時(shí)發(fā)出警報(bào)，從而實(shí)現(xiàn)對組織供氧和耗氧的持續(xù)監(jiān)測。1977年，Jobsis開發(fā)了第一個(gè)使用NIRS技術(shù)來量化腦血流和氧飽和度水平的設(shè)備。隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展，NIRS技術(shù)使研究人員和醫(yī)生以最小的光損失照明腦局部區(qū)域成為可能。這為各種測量腦組織中含氧和脫氧血紅蛋白分子中近紅外光吸收的方法打開了大門。

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光在組織內(nèi)的傳播經(jīng)歷吸收、散射和反射。NIRS的工作原理如下：組織在NIR區(qū)域相對透明，這有助于光線穿透深層結(jié)構(gòu)和血液中被血紅蛋白干擾的組織；氧和脫氧血紅蛋白都吸收不同波長的光。在組織中的吸收和散射取決于波長。散射與波長成反比，因此與可見光相比，更有利于近紅外光的傳輸。相反，反射通常是光束與組織表面角度的函數(shù)。

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一般來說，NIRS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括NIRS發(fā)射器、NIRS檢測器、放大單元、濾波單元和控制單元。NIRS系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。檢測單元測量來自組織的光強(qiáng)度的變化，并計(jì)算組織的血流動力學(xué)。近紅外發(fā)射器可以是等吸收點(diǎn)周圍的兩個(gè)或兩個(gè)以上波長的LED/LASER光源；波長越長，組織血流動力學(xué)的測量越精確，多檢測器和多光電距離法的空間分辨率越高。組織血流動力學(xué)可以通過分析光在組織中的傳播和使用數(shù)值方法來研究。

光在組織中的傳播與修正的比爾-朗伯定律：當(dāng)光子傳播到組織中時(shí)會被吸收、散射，并在入射點(diǎn)幾厘米內(nèi)反射。這可以用布朗運(yùn)動來定義。光線在光源和探測器之間沿著一條香蕉狀的路徑移動，這有助于測量組織的血液動力學(xué)。在大腦中，由于白質(zhì)強(qiáng)烈散射光，光只能穿透大腦皮層深處。這種活動可以通過蒙特卡羅模擬法進(jìn)行研究和可視化，并且可以通過輻射傳遞方程或修正的比爾-朗伯定律(MBLL)來分析源與檢測器之間的傳播路徑，從而量化組織的氧合水平。MBLL是NIRS系統(tǒng)中最常用的方程，公式如下：

其中OD為光密度；Io為入射光強(qiáng)度；I是檢測到的光強(qiáng)；ε為分子的消光系數(shù)；C是分子的濃度；L為光源到探測器的距離；P是微分路徑長度因子，它解釋了組織散射導(dǎo)致的光子路徑長度增加；G是一個(gè)決定探測器測量幾何形狀的因子。氧和脫氧血紅蛋白的變化引起檢測強(qiáng)度的變化。當(dāng)氧和脫氧血紅蛋白濃度變化時(shí)，消光系數(shù)ε和距離L保持不變，也可以假設(shè)P和G保持不變。

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近紅外光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

NIRS系統(tǒng)主要包括源、檢測器和處理單元。光源可以是等吸收點(diǎn)周圍兩個(gè)或兩個(gè)以上波長的任何近紅外發(fā)射器，用于以已知強(qiáng)度照射組織。一個(gè)探測器，通常是一個(gè)光電二極管(PD)或雪崩PD (APD)，放置在離光源(2-6cm)幾厘米的地方，對近紅外光敏感，探測到存在于組織中的減弱的光強(qiáng)度。如果檢測到更多的光子，二極管電流就會增加，使用跨阻抗放大器將二極管電流轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的強(qiáng)度。處理單元最終將傳輸和檢測到的強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)化為組織氧合的可量化值(圖2)。

近紅外光譜數(shù)據(jù)可以根據(jù)源和探測器的位置以三種不同的方式記錄：

①傳輸模式NIRS

②反射模式NIRS

③多距離模式NIRS

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在傳輸模式的NIRS中，數(shù)據(jù)將通過放置源和對側(cè)接收器來記錄。這種類型通常用于嬰兒的手指、耳垂或舌頭區(qū)域，以監(jiān)測組織氧合，而由于信噪比差和在探測器處的強(qiáng)度降低，以至于它不夠敏感，不適用于在成人中記錄。在反射模式NIRS中，源和探測器相鄰放置，距離為2-6cm。這種方法假設(shè)有均勻的光吸收和恒定的光學(xué)散射效應(yīng)。在多距離模式中，近紅外光譜儀使用兩個(gè)或多個(gè)探測器來精確地繪制檢查部位的組織氧合。這是空間分辨光譜中獲取精確空間信息的常用方法(圖3)。

光譜儀類型

①時(shí)域近紅外光譜(TD-NIRS)，也被稱為時(shí)間分辨系統(tǒng)(如圖4B所示)，使用半導(dǎo)體或固態(tài)激光源發(fā)射幾個(gè)皮秒的光脈沖。發(fā)射的脈沖穿透到組織中，經(jīng)過吸收和散射，當(dāng)光子從組織中出來時(shí)，它有一個(gè)廣泛的分布，稱為時(shí)間點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(TPSF)。典型組織TPSF的特征是強(qiáng)度相對快速上升，峰值約為600-1000ps，然后緩慢衰減，持續(xù)時(shí)間通常為幾納秒。TD-NIRS的優(yōu)點(diǎn)是具有較好的穿透深度和較高的空間分辨率，并具有區(qū)分吸收和散射效應(yīng)的能力。但是，也存在儀器的大小和采樣率、實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性和成本等缺點(diǎn)。

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②頻域近紅外光譜(FD-NIRS)，也稱為頻率分辨或強(qiáng)度調(diào)制系統(tǒng)(圖4C)，是利用激光二極管、LED或調(diào)制光源照射組織，利用光子計(jì)數(shù)檢測器或增益調(diào)制面積檢測器測量輸出光子的衰減、相移和調(diào)制深度。射頻調(diào)制的光脈沖穿透組織，得到的信號是傅里葉變換的TPSF。它導(dǎo)出的參數(shù)與TD-NIRS相同，但只在頻域中。頻域測量可用這些方法獲得：單個(gè)波長和固定的光電間距；多個(gè)波長和固定的光電間距；單個(gè)波長和多個(gè)光電間距。其優(yōu)點(diǎn)是采樣率高，吸收和散射效果區(qū)分清晰，缺點(diǎn)是穿透深度不夠。

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③連續(xù)波近紅外光譜儀(CW-NIRS)使用PD或APD測量通過組織的多波長光的衰減曲線。這里介紹的三種方法中，連續(xù)波(CW)近紅外光譜(NIRS)是第一個(gè)被開發(fā)的。與TD-NIRS和FD-NIRS不同，CW-NIRS方法不能產(chǎn)生吸收或散射效應(yīng)的絕對值。CW-NIRS只能提取相對值，因此可以顯示變化值的趨勢。CW-NIRS的主要優(yōu)點(diǎn)是NIRS系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上可以簡化，使得設(shè)備既輕巧又便宜，這就是為什么目前許多商業(yè)化近紅外設(shè)備都采用了CW-NIRS方法。

腦電圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

腦電圖(EEG)是一種非侵入性神經(jīng)成像技術(shù)，可測量大腦神經(jīng)元細(xì)胞的電活動。它記錄了大腦錐體細(xì)胞突觸后梯度電位的總和所引起的電壓波動，使用金屬電極收集頭皮上的電位。EEG系統(tǒng)是通過電極、放大器和過濾器來記錄電活動的。臨床EEG遵循國際聯(lián)合會10-20系統(tǒng)，將電極置于頭皮區(qū)域。EEG是診斷癲癇、腫瘤和其他腦部疾病的最佳方法。EEG信號的正常范圍為0.5~100Hz，具有良好的時(shí)間分辨率，但空間分辨率較差。高時(shí)間分辨率也使EEG成為觀察頻域表征的重要腦成像方式之一，使其適合于腦功能連接的研究。

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數(shù)十億的神經(jīng)元負(fù)責(zé)大腦的電活動。動作電位的出現(xiàn)是由于離子在細(xì)胞膜上的交換，同種電荷的離子相互排斥，產(chǎn)生局部電流，這種現(xiàn)象稱為容積傳導(dǎo)。這種局部電流主要是由于Na+、K+、Ca++和Cl-離子按膜電位控制的方向被推出膜外。金屬電極(通常為Ag/AgCl)與大腦或頭皮表面接觸，在該位置采集局部電流產(chǎn)生的電位。記錄下大腦表面任意兩個(gè)電極隨時(shí)間變化的電勢差，我們就得到了腦電圖。腦電圖反映了數(shù)十億具有相似空間取向的錐體神經(jīng)元的同步活動總和(圖5)。

頭皮上的EEG活動顯示不同頻段的振蕩。這些帶中的每一個(gè)都與大腦的各種功能狀態(tài)有關(guān)(例如，思考、睡眠、學(xué)習(xí))。這些頻帶被稱為腦電波，并被分為四大類(圖6)：

Delta (0.5-4Hz)

Theta (4-8Hz)

Alpha (8-13Hz)

Beta (13-30Hz)

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這些腦電活動本質(zhì)上是正弦的，通常在頭皮區(qū)域進(jìn)行從峰到峰的測量，范圍在0.5μV到100μV之間。利用傅里葉變換對原始腦電信號進(jìn)行頻譜分析。在功率譜中，不同頻率的正弦波的貢獻(xiàn)是可見的。雖然頻譜是連續(xù)的，范圍從0Hz到采樣頻率的一半，但個(gè)體的大腦狀態(tài)可能使某些頻率更占優(yōu)勢。

腦電圖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

EEG電極對頭部表面的電位變化很敏感。兩個(gè)電極之間的電勢差在微伏范圍內(nèi)，用放大器將其放大到可以精確進(jìn)行數(shù)字化處理的范圍。模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字，計(jì)算機(jī)或任何相關(guān)設(shè)備存儲和顯示所記錄的數(shù)據(jù)。整個(gè)數(shù)據(jù)記錄設(shè)置如圖7和圖8所示。

關(guān)于電極放置程序，10-20電極放置系統(tǒng)是國際腦電圖和臨床神經(jīng)生理學(xué)聯(lián)合會在1958年采用的標(biāo)準(zhǔn)化物理電極放置程序。在此過程中，為了覆蓋大腦的所有區(qū)域，頭部被分割成與顱骨主要標(biāo)志(鼻根、枕骨隆突和耳前葉)成比例的距離。標(biāo)簽10-20以百分比表示耳朵和鼻子之間的距離，并在那里選擇電極點(diǎn)。電極放置位置根據(jù)鄰近的大腦區(qū)域進(jìn)行標(biāo)記：F(額)，C(中央)，T(顳)，P(后)和O(枕)。大腦左半球的電極點(diǎn)名稱為奇數(shù)，右半球?yàn)榕紨?shù)。按照慣例，從主體的角度來考慮左右半球(圖9)。

fNIRS和EEG系統(tǒng)在腦成像中的應(yīng)用

腦電圖(EEG)和功能性近紅外光譜(fNIRS)是嬰兒和兒童研究中常用的神經(jīng)成像技術(shù)。EEG-fNIRS可以無創(chuàng)地實(shí)時(shí)測量被試的大腦活動。兩種方式測量不同的生理信息，EEG反映的是腦電活動(神經(jīng)元放電)，而fNIRS反映的是血容量和氧合狀態(tài)。將兩者結(jié)合起來可以以較低的成本提供有關(guān)大腦狀態(tài)的高時(shí)間和空間分辨率的信息。目前，有研究已經(jīng)探索了將這兩種模式結(jié)合起來進(jìn)行大腦活動的測量。

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EEG-fNIRS在評估認(rèn)知和心理科學(xué)方面是一個(gè)很有前途的工具，因?yàn)樗峁┝吮銛y式和低成本的系統(tǒng)，在測量神經(jīng)活動方面相對來說比較容易。EEG-fNIRS也是嬰兒和兒童神經(jīng)成像的理想選擇，因?yàn)樗恍枰辉嚤３滞耆o止不動，而是允許他們在環(huán)境中自由地互動。此外，由于與成人被試相比，嬰兒的頭皮和顱骨更薄，因此EEG和fNIRS對大腦的敏感度也更高。這些優(yōu)勢使得fNIRS被廣泛應(yīng)用于典型和非典型神經(jīng)發(fā)育的研究中，包括面孔加工、數(shù)字加工、語言習(xí)得、社交和神經(jīng)運(yùn)動發(fā)育等。對典型功能發(fā)育的研究主要集中在注意缺陷多動障礙和自閉癥譜系障礙。

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理想地研究社會大腦包括想象在自然環(huán)境中進(jìn)行社會互動的人。超掃描技術(shù)是一種通過測量兩人或多人在實(shí)時(shí)互動中同時(shí)進(jìn)行的大腦活動來實(shí)現(xiàn)這類研究的技術(shù)。到目前為止，各種成像方式如fMRI、MEG、EEG和fNIRS已被用于超掃描研究。其中，fNIRS和EEG是最合適的模式，因?yàn)樗鼈兲峁┝松鐣铀璧淖匀画h(huán)境，而EEG在超掃描過程中結(jié)合fNIRS可以對社會互動的本質(zhì)提供寶貴的見解。

腦生物標(biāo)志物

根據(jù)生物標(biāo)志物工作組的定義，生物標(biāo)志物被定義為一種被客觀測量和評估的特征，作為正常生物過程、致病過程或治療干預(yù)的藥物學(xué)反應(yīng)的指標(biāo)。生物標(biāo)志物作為一種工具，使得醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究人員在預(yù)測疾病的開始、診斷和進(jìn)展或簡單地排除疾病障礙方面的工作變得更加容易。目前，還沒有生物標(biāo)志物滿足大腦的所有這些標(biāo)準(zhǔn)。生物標(biāo)志物可以根據(jù)其適應(yīng)技術(shù)大致分為臨床生物標(biāo)志物、生化生物標(biāo)志物和成像生物標(biāo)志物(圖10)。

特異性疾病的標(biāo)志物

研究人員一致認(rèn)為，單一的生物標(biāo)志物可能不足以反映某種疾病的復(fù)雜性。對于一些神經(jīng)退行性疾病來說，開發(fā)和識別生物標(biāo)志物是一種非常簡單的方法，但對于阿爾茨海默癥和肌萎縮側(cè)索硬化癥和PD這些神經(jīng)退行性疾病來說，生物標(biāo)志物相對缺乏。人們不斷采取許多措施來探索生物標(biāo)志物。其中，阿爾茨海默癥神經(jīng)成像計(jì)劃(ADNI)于2004年啟動，ADNI在發(fā)現(xiàn)阿爾茨海默癥的生物標(biāo)志物方面取得了重要進(jìn)展，并重新激發(fā)了專注于疾病治療的研究。此外，邁克爾·j·?？怂古两鹕芯炕饡硎荆飿?biāo)記物可以根據(jù)疾病的進(jìn)展和現(xiàn)存的疾病進(jìn)行分析。一個(gè)進(jìn)展性生物標(biāo)記物(或進(jìn)展性標(biāo)記物)可以通過其隨著疾病進(jìn)展而變化的性質(zhì)來測量。診斷性生物標(biāo)志物可以通過與疾病存在相關(guān)的生理特征來測量。進(jìn)展和診斷標(biāo)記將有助于轉(zhuǎn)變治療神經(jīng)退行性疾病的方法。

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關(guān)聯(lián)生物標(biāo)志物

生物標(biāo)志物是識別和解決真正問題的最佳方法之一。理想的生物標(biāo)志物可以作為揭示疾病的主要催化劑，能夠通過干預(yù)改變疾病。為了確定潛在的最佳生物標(biāo)志物，請參考Austin Bradford Hill制定的關(guān)于分析關(guān)聯(lián)確定因果關(guān)系的指南。Hill提出了九個(gè)方面的聯(lián)系來評估職業(yè)和環(huán)境暴露與疾病結(jié)果之間的無數(shù)假設(shè)關(guān)系。它們是關(guān)聯(lián)強(qiáng)度、一致性、特異性、時(shí)間性、生物梯度、合理性、連貫性、實(shí)驗(yàn)性和類比性。這些關(guān)聯(lián)的許多方面可以整合到機(jī)制中，以發(fā)現(xiàn)特定疾病的最佳生物標(biāo)志物。

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理想的替代生物標(biāo)志物

當(dāng)與疾病相關(guān)的紊亂生理過程和干預(yù)行為的機(jī)制被徹底明晰時(shí)，替代終點(diǎn)最有用。理想的替代生物標(biāo)志物應(yīng)當(dāng)具備這些品質(zhì)：適應(yīng)不同的神經(jīng)退行性疾??；是疾病發(fā)生或改變的根本原因；穩(wěn)健適應(yīng)疾病的進(jìn)展和診斷；與神經(jīng)退行性過程的膨脹/損耗成正比；必須能夠通過生物標(biāo)志物的中期變化來預(yù)測疾病進(jìn)展中的持久變化；適用于具有不同特征的各種人群(如年齡、性別、種族)；測量方法可重復(fù)使用；使用安全。

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生物標(biāo)志物：優(yōu)勢和局限性

生物標(biāo)志物成本低，更容易測量。生物標(biāo)志物還有助于識別和確定自然歷史中最早事件的順序，減少疾病和暴露的錯(cuò)誤分類程度，以及有助于建立可變性和效應(yīng)修正。同時(shí)，生物標(biāo)志物也存在一些問題：執(zhí)行成本較高；有時(shí)間限制；容易出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室錯(cuò)誤。除此之外，還存在一些局限性，如在啟動發(fā)現(xiàn)階段之前缺乏不同的選擇程序，在識別生物標(biāo)志物表征/驗(yàn)證策略方面缺乏變化，以及臨床試驗(yàn)中使用的分析技術(shù)缺乏穩(wěn)健性。

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