導(dǎo)讀

強(qiáng)度依賴性振幅變化(IDAP)已在事件相關(guān)電位(ERPs)中進(jìn)行了廣泛的研究，并與多種精神疾病相關(guān)聯(lián)。本研究旨在探討功能近紅外光譜(fNIRS)在IDAP范式中的應(yīng)用，該范式與ERPs相關(guān)，可以指示神經(jīng)血管耦合的存在。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)分別有33和31名參與者。第一個(gè)實(shí)驗(yàn)包括持續(xù)500ms的三種音調(diào)強(qiáng)度(77.9dB、84.5dB和89.5dB)，每種類型隨機(jī)呈現(xiàn)54次，而第二個(gè)實(shí)驗(yàn)包括連續(xù)呈現(xiàn)8個(gè)音調(diào)(每個(gè)音調(diào)持續(xù)70ms)的五種音調(diào)強(qiáng)度(70.9dB、77.9dB、84.5dB、89.5dB和94.5dB)，這些音調(diào)序列被呈現(xiàn)20次。使用EEG測(cè)量ERP成分：N1、P2和N1-P2峰峰振幅。fNIRS允許對(duì)聽覺、視覺和前額葉皮層的血流動(dòng)力學(xué)活動(dòng)進(jìn)行分析。結(jié)果顯示，隨著聽覺強(qiáng)度的增加，N1、P2和N1-P2峰峰振幅均增加。同樣，在聽覺和前額葉皮層中，氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白濃度分別隨聽覺強(qiáng)度的增加而增加和下降。Spearman相關(guān)性分析顯示，左側(cè)聽覺皮層與N1振幅、右側(cè)背外側(cè)皮層與P2振幅之間存在關(guān)聯(lián)，特別是對(duì)脫氧血紅蛋白濃度而言。這些發(fā)現(xiàn)表明，通過EEG和fNIRS可以獲得大腦對(duì)聽覺強(qiáng)度變化的反應(yīng)，并支持神經(jīng)血管耦合過程?？傮w而言，本研究增強(qiáng)了我們對(duì)fNIRS在聽覺范式中的應(yīng)用的理解，并強(qiáng)調(diào)了其作為ERP補(bǔ)充技術(shù)的潛力。

前言

近幾十年來，為了深入理解人類大腦的復(fù)雜性，人們提出了整合不同生理參數(shù)的技術(shù)。其中一個(gè)例子就是將具有高時(shí)間分辨率的EEG與提供良好空間信息的功能磁共振成像(fMRI)或功能近紅外光譜(fNIRS)相結(jié)合。這種新的研究范式有望獲得更可靠、更全面的結(jié)果，在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)中非常有用。與fMRI相比，fNIRS在技術(shù)上更適用于共配準(zhǔn)，考慮到由于容積傳導(dǎo)而難以分析涉及ERPs生成的區(qū)域，fNIRS可以很好地在ERPs提供的動(dòng)態(tài)信息中增加空間信息。此外，血流動(dòng)力學(xué)響應(yīng)取決于對(duì)血氧的間接測(cè)量，從而導(dǎo)致對(duì)刺激的反應(yīng)延遲。因此，這兩種技術(shù)可以一起使用，以更好地、互補(bǔ)地理解認(rèn)知過程。然而，同時(shí)記錄也有一些缺點(diǎn)。一方面，同時(shí)記錄兩種信號(hào)可能會(huì)給受試者增加壓力。另一方面，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，需要同時(shí)考慮EEG和fNIRS信號(hào)的測(cè)量準(zhǔn)則。由于它們具有不同的響應(yīng)時(shí)間，因此應(yīng)調(diào)整刺激之間的間隔與刺激或任務(wù)的性質(zhì)以找到預(yù)期的響應(yīng)。

腦電和血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)技術(shù)的結(jié)合可以用“神經(jīng)血管耦合”的過程來解釋。該過程涉及腦電活動(dòng)以及響應(yīng)刺激或一系列刺激呈現(xiàn)的腦血流量的增加。正常的大腦活動(dòng)由大腦動(dòng)脈持續(xù)自我調(diào)節(jié)。當(dāng)血壓降低時(shí)放松，當(dāng)血壓增高時(shí)收縮，從而維持穩(wěn)定的顱內(nèi)壓。當(dāng)存在刺激或誘導(dǎo)認(rèn)知狀態(tài)時(shí)，與腦電活動(dòng)相結(jié)合，腦血管激活會(huì)發(fā)生偏離基線的變化。正?；顒?dòng)的變化被視為是腦血流量的增加，并被稱為“功能性充血”。神經(jīng)血管耦合是指神經(jīng)電活動(dòng)和功能性充血耦合的機(jī)制。神經(jīng)血管反應(yīng)是基于神經(jīng)元活動(dòng)需要大量能量(葡萄糖)和氧氣來產(chǎn)生ATP并維持神經(jīng)傳遞和神經(jīng)通訊機(jī)制的假設(shè)。目前被廣泛接受的假設(shè)是活動(dòng)誘導(dǎo)的神經(jīng)元變化介導(dǎo)神經(jīng)血管耦合。突觸活動(dòng)會(huì)釋放神經(jīng)遞質(zhì)和K+，啟動(dòng)和維持神經(jīng)血管反應(yīng)。

fNIRS是一種通過測(cè)量大腦激活所引起的血流動(dòng)力學(xué)變化來評(píng)估大腦活動(dòng)的方法。大腦活動(dòng)與引起腦組織光學(xué)特性變化的各種生理過程有關(guān)。因此，fNIRS技術(shù)通過腦組織對(duì)近紅外(NIR)光的“透明度”來測(cè)量大腦皮層的血流動(dòng)力學(xué)變化。適當(dāng)波長的近紅外光可以被血液發(fā)色團(tuán)吸收或散射在組織中。光的衰減主要是由大腦中的主要發(fā)色團(tuán)——血紅蛋白引起的。在大腦中，氧合血紅蛋白(HbO)和脫氧血紅蛋白(HbR)通常是主要的吸收體，這使得光學(xué)方法能夠量化主要的血流動(dòng)力學(xué)變量。

從生理學(xué)上講，該技術(shù)基于以下假設(shè)：活躍的神經(jīng)元通過神經(jīng)血管耦合過程，使周圍血管附近的動(dòng)脈血流增加。這種增加補(bǔ)償了由突觸后激活和動(dòng)作電位引起的葡萄糖和氧氣消耗。因此，區(qū)域性腦血流(CBF)供過于求，導(dǎo)致HbO濃度增加和HbR濃度降低。這種現(xiàn)象被稱為血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)函數(shù)(HRF)，其典型特征是神經(jīng)電反應(yīng)發(fā)生之間有2s的延遲。這些變化開始時(shí)急劇上升，在刺激開始后約6-10s達(dá)到穩(wěn)定期。根據(jù)神經(jīng)血管過程的假設(shè)，在神經(jīng)激活后，血管肌肉松弛，導(dǎo)致血流增加以超額補(bǔ)償能量消耗。這種超額補(bǔ)償或功能性充血是正常大腦功能的基本現(xiàn)象。它被定義為大腦區(qū)域中的小動(dòng)脈和毛細(xì)血管對(duì)局部高神經(jīng)活動(dòng)的反應(yīng)性擴(kuò)張。

fNIRS因其非侵入性和靜默性而成為研究聽覺刺激范式的最佳工具。相比之下，fMRI通常不適合此目的，因?yàn)閮x器產(chǎn)生的恒定噪聲會(huì)干擾刺激的呈現(xiàn)。盡管存在這種局限性，但大多數(shù)考察聲音強(qiáng)度或頻率與聽覺皮層激活之間關(guān)系的研究都是用fMRI進(jìn)行的。這些研究發(fā)現(xiàn)，隨著刺激頻率或強(qiáng)度的變化，聽覺皮層的BOLD反應(yīng)會(huì)增加。此外，其振幅也會(huì)隨強(qiáng)度的增加而變化。這些效應(yīng)常見于顳上回內(nèi)側(cè)和外側(cè)區(qū)域，如耳蝸核、下丘、內(nèi)側(cè)膝狀體等。

腦電圖是一種通過放置在頭皮上的電極記錄腦電活動(dòng)的方法。該記錄捕獲了與處理刺激的腦區(qū)中神經(jīng)元同步電活動(dòng)總和相關(guān)的電壓變化。然而，由于容積傳導(dǎo)，最終記錄的信號(hào)反映了從附近區(qū)域傳播的多個(gè)激活的總和，從而導(dǎo)致空間分辨率較差。事件相關(guān)電位(ERPs)定義為特定刺激或運(yùn)動(dòng)反應(yīng)在特定時(shí)間窗和頭皮位置上的電壓變化，可通過對(duì)記錄的試次信號(hào)進(jìn)行平均來檢測(cè)這種反應(yīng)，從而提高信噪比(SNR)。聽覺ERPs可以從EEG信號(hào)中提取，以評(píng)估腦電活動(dòng)對(duì)聲波振幅或其他參數(shù)變化的反應(yīng)。最常研究的聽覺ERPs包括P1(刺激開始后40-60ms出現(xiàn)的正向偏轉(zhuǎn))、N1(刺激開始后60-150ms出現(xiàn)的負(fù)向偏轉(zhuǎn))和P2(刺激開始后150-250ms出現(xiàn)的正向偏轉(zhuǎn))。一些研究已經(jīng)確定了聲級(jí)強(qiáng)度與N1和P2成分振幅之間的相關(guān)性，稱為聽覺誘發(fā)電位的響度依賴性(LDAEP)或強(qiáng)度依賴性振幅變化(IDAP)。研究表明，N1和P2成分中強(qiáng)度依賴性的調(diào)節(jié)可能歸因于聽覺皮層，特別是IV層，其表現(xiàn)出高濃度的5-羥色胺神經(jīng)支配。因此，聽覺誘發(fā)成分的強(qiáng)度依賴性已被提出作為中樞5-羥色胺能活動(dòng)的指標(biāo)。

最近的研究在聽覺刺激范式中使用了fNIRS和EEG，并且在某些情況下發(fā)現(xiàn)了兩種技術(shù)之間的相關(guān)性，表明存在神經(jīng)血管耦合。例如，Ehlis等人(2009)發(fā)現(xiàn)感覺門控?cái)?shù)量與雙擊期間左側(cè)前額葉和顳葉皮層的血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)強(qiáng)度之間存在正相關(guān)。同樣，語言研究也報(bào)告了EEG測(cè)量和相關(guān)腦區(qū)的激活或偏側(cè)化之間的關(guān)系。然而，一些研究并未一致地發(fā)現(xiàn)這種明確的關(guān)系，這表明竊血現(xiàn)象可能會(huì)產(chǎn)生掩蔽效應(yīng)，并進(jìn)而影響fNIRS信號(hào)。目前，關(guān)于聲強(qiáng)的研究主要使用fMRI來關(guān)聯(lián)ERPs(N1，P2)和血流動(dòng)力學(xué)活動(dòng)。這些研究，以及已知的強(qiáng)度變化對(duì)N1、P2和N1-P2振幅的影響，發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)度水平與初級(jí)聽覺皮層中活躍體素?cái)?shù)量之間存在相關(guān)性。然而，各研究的結(jié)果并不一致。Mulert等人(2005)發(fā)現(xiàn)BOLD信號(hào)幅度與聲強(qiáng)水平之間沒有關(guān)系，而Thaerig等人(2008)則發(fā)現(xiàn)在較高的聲音強(qiáng)度下，體素?cái)?shù)量和BOLD信號(hào)幅度均有所增加。這種反應(yīng)不僅限于初級(jí)聽覺皮層，而且在赫氏回、顳平面中也能觀察到，并且存在右半球偏側(cè)化。同樣，Neuner等人(2014)發(fā)現(xiàn)隨著強(qiáng)度增加，激活的區(qū)域范圍更廣，包括前扣帶回、島蓋和眶額皮層等。激活隨強(qiáng)度增加最為明顯的是赫氏回和島葉皮層。然而，盡管fNIRS和fMRI都測(cè)量血流動(dòng)力學(xué)活動(dòng)，但與fMRI相比，fNIRS存在空間局限性。此外，常用的連續(xù)波fNIRS設(shè)備測(cè)量的是濃度值的變化，而不是絕對(duì)值。因此，在解釋研究結(jié)果時(shí)應(yīng)考慮到這些局限性。據(jù)所知，Chen等人(2015)和Mu?oz-Caracuel(2021)是目前唯一將EEG和fNIRS結(jié)合起來評(píng)估聲音強(qiáng)度依賴性變化的研究。然而，他們的fNIRS結(jié)果與fMRI研究結(jié)果并不一致。

盡管許多研究都集中在分析聽覺刺激上，但關(guān)于大腦如何處理聲音、聲音特性(包括強(qiáng)度)如何在神經(jīng)上表征、神經(jīng)血管耦合在這一過程中的作用，以及fNIRS技術(shù)對(duì)解決這些問題的潛在貢獻(xiàn)等問題仍未解決。除了伴隨刺激的血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)特征外，一個(gè)重要問題是它與潛在神經(jīng)活動(dòng)的相關(guān)程度，因此它是否與輸入刺激的強(qiáng)度成比例變化。本研究旨在分析fNIRS是否可以成為檢測(cè)聽覺皮層聲強(qiáng)變化的良好工具，這些變化在ERPs研究中與各種精神疾病有關(guān)?？偟膩碚f，本研究可以為神經(jīng)血管耦合假說提供證據(jù)支持，而且對(duì)健康大腦中神經(jīng)血管耦合的更好理解可以成為神經(jīng)血管評(píng)估的工具，并產(chǎn)生新的臨床應(yīng)用。

方法

參與者

在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，共有33名受試者(9名男性和24名女性，平均年齡=25.21±3.26歲)參與了研究；在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中，共有31名受試者(17名男性和14名女性，平均年齡=25.83±3.90歲)參加了研究。選擇標(biāo)準(zhǔn)為：在兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中，所有參與者的聽力正常，無神經(jīng)或精神疾病史。在實(shí)驗(yàn)開始前，告知受試者實(shí)驗(yàn)程序和方案，并簽署了知情同意書。這些研究遵循《赫爾辛基宣言》，并獲得了安達(dá)盧西亞軍政府倫理委員會(huì)的批準(zhǔn)。

實(shí)驗(yàn)程序

聽覺刺激是使用放置在計(jì)算機(jī)顯示器兩側(cè)的兩個(gè)Dell A215揚(yáng)聲器進(jìn)行傳遞的，并使用E-Prime 2.0軟件包呈現(xiàn)。在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，呈現(xiàn)了三種不同強(qiáng)度(77.9、84.5和89.5dB)的聲音刺激，持續(xù)時(shí)間為500ms，共54次。每個(gè)聲音刺激后有一個(gè)持續(xù)時(shí)間為14±2s的沉默時(shí)間。刺激的呈現(xiàn)順序?qū)τ诿總€(gè)受試者來說都是隨機(jī)的。在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中，聽覺刺激包含五種不同的音調(diào)強(qiáng)度(70.9、77.9、84.5、89.5、94.5dB)，以每個(gè)純音持續(xù)時(shí)間為70ms的8個(gè)純音為一組，且相鄰刺激之間的間隔為0.430ms。刺激序列之后是14±2s的沉默，并呈現(xiàn)20次。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中的聲強(qiáng)都是使用放置在參與者耳朵位置的聲級(jí)計(jì)(Velleman-DVM1326)進(jìn)行測(cè)量和控制的。實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間約為30-35min，在此期間，參與者被要求盡可能少動(dòng)。為了增強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)的忍耐力和堅(jiān)持度，在播放這些聲音刺激的同時(shí)讓參與者觀看一部無聲電影。該電影只是用作分散注意力，參與者不需要做出反應(yīng)。

信號(hào)采集和處理EEG記錄

EEG使用Brain Vision V-Amp DC放大器(Brain Products，Munich，Germany)進(jìn)行記錄，使用活性電極(ActiCAP)記錄第一個(gè)實(shí)驗(yàn)的7個(gè)頭皮部位(F3、F4、Fz、FC1、FC2、FCz、Cz)，以及第二個(gè)實(shí)驗(yàn)的11個(gè)頭皮部位(AFF1、AFF2、FFC1、FFC2、FCC1、FCC2、CZ、CPP1、CPP2、PPO1、PPO2)。用四個(gè)電極記錄眼動(dòng)：兩個(gè)電極放置在每只眼睛外眥以記錄水平眼動(dòng)，另外兩個(gè)放置在右眼上方和下方以記錄垂直眼動(dòng)。使用BrainVision Recorder 1.20(Brain Products)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，DC放大增益設(shè)置為20000，記錄期間不進(jìn)行數(shù)字濾波。采樣率為1000Hz。

功能性近紅外光譜(fNIRS)

fNIRS信號(hào)使用NIRScoutXP設(shè)備(NIRx Medical Technologies，Glen Head，NY，USA)進(jìn)行記錄。在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，使用了16個(gè)LED光源和16個(gè)探測(cè)器，基于10-20系統(tǒng)放置在頭皮兩側(cè)的顳區(qū)和枕葉區(qū)域。為了提高fNIRS數(shù)據(jù)對(duì)皮層活動(dòng)的特異性，在fNIRS設(shè)置中添加了16個(gè)短距通道(8mm)。在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中，使用了17個(gè)LED光源和38個(gè)探測(cè)器，它們位于頭皮兩側(cè)的額區(qū)和顳區(qū)，從而獲得了60個(gè)標(biāo)準(zhǔn)通道和16個(gè)短距通道。第一個(gè)實(shí)驗(yàn)的采樣率為3.9063Hz，第二個(gè)實(shí)驗(yàn)為3.67Hz。

將原始fNIRS數(shù)據(jù)導(dǎo)入Homer2和Matlab R2019b(MathWorks Inc.，MA，USA)軟件包中。使用enPruneChannels函數(shù)來消除噪聲通道，去除極端值(0.03-2.5)或具有高標(biāo)準(zhǔn)差(信噪比=5和變異系數(shù)=17)的通道。應(yīng)用hmrMotionCorrectionWavelet函數(shù)減少信號(hào)中的運(yùn)動(dòng)偽影，四分位距(IQR)為1.5。為了進(jìn)一步去除偽影，本研究應(yīng)用了hmrMotionArtifact函數(shù)(SDThresh=15；AMPThresh=0.7；tmotion=0.5；tmask=1.0)，時(shí)間窗為-2到10s(enStimRejection)。采用帶通濾波器(hpf=0.010，lpf=0.50)減少信號(hào)中的生理干擾。然而，考慮到該濾波器不適用于提取與血流動(dòng)力學(xué)響應(yīng)頻率重疊的生理信號(hào)，本研究進(jìn)行了PCA分析(enPCAFilter；nSV=1)。通過頻譜功率分析來驗(yàn)證需要提取的成分?jǐn)?shù)量。最后，根據(jù)修正的Beer-Lambert定律計(jì)算血紅蛋白濃度，760nm和850nm波長的差分路徑長度因子分別為6和5。在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，濾波和處理后的信號(hào)在-2到13s的時(shí)間窗內(nèi)取平均值，對(duì)于第二個(gè)實(shí)驗(yàn)，在-5到16s的時(shí)間窗內(nèi)取平均值。

統(tǒng)計(jì)分析

為了考察不同聲強(qiáng)水平下的反應(yīng)，本研究對(duì)兩種信號(hào)(EEG和fNIRS)進(jìn)行了雙因素PERMANOVA分析。PERMANOVA在PAST軟件中執(zhí)行了10000次置換。這種分析方法使用的是置換檢驗(yàn)，其優(yōu)點(diǎn)是不需要滿足正態(tài)性假設(shè)，因此更適用于fNIRS血紅蛋白動(dòng)力學(xué)信號(hào)的非正態(tài)分布。

在EEG信號(hào)中，為了選擇要分析的成分，對(duì)所有被試、電極和刺激類型進(jìn)行了平均，如圖2A所示。這種方法能夠以無偏的方式選擇成分分析的時(shí)間窗。因此，選擇的成分為N1(100-170ms)和P2(第一個(gè)實(shí)驗(yàn)為190-240ms，第二個(gè)實(shí)驗(yàn)為190-260ms)，并對(duì)N1-P2的峰峰幅值進(jìn)行了分析。對(duì)于fNIRS統(tǒng)計(jì)分析，使用fNIRS Optodes的Location Decider軟件(fOLD)?選擇感興趣區(qū)域(ROIs)。實(shí)驗(yàn)一選取聽覺皮層(Brodmann 41-42)和顳上回(Brodmann 22)特異性最高的通道，構(gòu)成聽覺ROI。選取初級(jí)視皮層(Brodmann 17)作為視覺ROI。在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中，除聽覺皮層外，還包括背外側(cè)前額葉皮層(Brodmann 46)和前額葉皮層(Brodmann 9)區(qū)域。

與選擇ERPs的過程類似，采用平均ROI和強(qiáng)度來確定刺激后活動(dòng)的無偏時(shí)間窗。對(duì)于第一個(gè)實(shí)驗(yàn)，考慮到活動(dòng)的峰值發(fā)生在5.5s，因而選擇了3.5-7.5s的時(shí)間窗。第二個(gè)實(shí)驗(yàn)在6s左右觀察到活動(dòng)峰值，因此選擇4-8s的時(shí)間窗。在進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析之前，使用isoutlier函數(shù)排除含極端值(偽跡超過25%)的被試。因此，fNIRS統(tǒng)計(jì)分析的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)為31名被試，第二個(gè)實(shí)驗(yàn)為29名被試。

在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，將每個(gè)區(qū)域選擇的通道合并為左聽覺皮層、右聽覺皮層和視覺皮層(ROI=3)。在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中，考慮了左聽覺皮層、右聽覺皮層、左背外側(cè)前額葉皮層、右背外側(cè)前額葉皮層和前額葉皮層(ROI=5)。分析了各種類型血紅蛋白(HbO、HbR和HbT)的ROIs和強(qiáng)度。然后對(duì)顯著性因素進(jìn)行了事后分析，并使用錯(cuò)誤發(fā)現(xiàn)率(FDR)進(jìn)行校正。第一個(gè)實(shí)驗(yàn)以視覺通道作為對(duì)照。將每一種血紅蛋白類型的ROI與HbO和HbR的基線進(jìn)行比較。此外，為了評(píng)估神經(jīng)血管耦合，在每個(gè)ROI中，對(duì)具有最高活性電極的P2和N1振幅(以降低數(shù)據(jù)維數(shù))與HbO、HbR和HbT的fNIRS強(qiáng)度進(jìn)行了Spearman相關(guān)性分析(經(jīng)FDR校正)。

結(jié)果

ERPs圖1B顯示了與強(qiáng)度相關(guān)的ERPs響應(yīng)，以及兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中用于分析的時(shí)間窗。在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，N1成分的PERMANOVA結(jié)果顯示了顯著的強(qiáng)度主效應(yīng)(p=0.005)。電極主效應(yīng)和交互作用(強(qiáng)度*電極)不顯著(所有p＞0.05)。經(jīng)FDR校正后顯示，強(qiáng)度1(77.9dB)與強(qiáng)度2(84.5dB)和3(89.5dB)之間存在顯著差異(p=0.006)。對(duì)于P2成分，PERMANOVA顯示強(qiáng)度的主效應(yīng)顯著(p＜0.001)，電極的主效應(yīng)和交互作用(強(qiáng)度*電極)不顯著(所有p＞0.05)。經(jīng)FDR校正后顯示，強(qiáng)度3(89.5dB)與強(qiáng)度1(77.9dB)和2(84.5dB)之間存在顯著差異(p＜0.001)。N1-P2峰-峰振幅的PERMANOVA結(jié)果顯示強(qiáng)度的主效應(yīng)顯著(p＜0.001)，電極的主效應(yīng)和交互作用(強(qiáng)度*電極)不顯著(所有p＞0.05)。經(jīng)FDR校正后顯示，強(qiáng)度1(77.9dB)與強(qiáng)度2(84.5dB)和3(89.5dB)之間(p＜0.001)，以及強(qiáng)度2(84.5dB)與強(qiáng)度3(89.5dB)之間存在顯著差異(p=0.001)。比較結(jié)果和數(shù)據(jù)分布如圖2所示。

對(duì)于具有五種強(qiáng)度的第二個(gè)實(shí)驗(yàn)，PERMANOVA分析顯示，N1成分的強(qiáng)度主效應(yīng)顯著(p＜0.001)，電極主效應(yīng)和交互作用(強(qiáng)度*電極)不顯著(所有p＞0.05)。事后FDR校正分析顯示，強(qiáng)度1(70.9dB)與強(qiáng)度3(84.5dB)、4(89.5dB)和5(94.5dB)之間存在顯著差異，以及強(qiáng)度5與強(qiáng)度2(77.9dB)、3(84.5dB)和4(89.5dB)之間也有顯著差異。對(duì)于P2成分，PERMANOVA 分析結(jié)果顯示，電極和強(qiáng)度的主效應(yīng)顯著，兩者之間的交互作用(強(qiáng)度*電極)不顯著。電極事后分析顯示，Cz電極點(diǎn)與FCC1和FCC2電極點(diǎn)之間存在顯著差異。對(duì)于強(qiáng)度，F(xiàn)DR校正結(jié)果顯示，強(qiáng)度1與強(qiáng)度2、3、4和5之間存在顯著差異，以及強(qiáng)度5與強(qiáng)度2和3之間也有顯著差異。最后，對(duì)于N1-P2峰峰差異，PERMANOVA分析顯示電極和強(qiáng)度的主效應(yīng)顯著，而交互作用(強(qiáng)度*電極)不顯著。電極的事后分析結(jié)果與P2的結(jié)果類似，Cz電極點(diǎn)與FCC1和FCC2電極點(diǎn)之間存在顯著差異。對(duì)于強(qiáng)度，F(xiàn)DR校正結(jié)果顯示，強(qiáng)度1與強(qiáng)度2、3、4和5之間存在顯著差異，以及強(qiáng)度5與強(qiáng)度2、3和4之間；強(qiáng)度2和3之間也存在顯著差異。事后比較和數(shù)據(jù)分布如圖3所示。

血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，首先對(duì)每個(gè)感興趣區(qū)域(ROI)與基線進(jìn)行了t檢驗(yàn)比較。對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行平均分析的結(jié)果顯示(圖4)，HbO和HbR發(fā)色團(tuán)的左右聽覺皮層與基線相比存在顯著差異。t值顯示了兩個(gè)聽覺皮層血流動(dòng)力學(xué)典型反應(yīng)的期望值，即HbO為正和HbR為負(fù)。同時(shí)，視覺ROI的血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)相較于基線的差異不顯著。

圖5顯示了不同ROI中HbO和HbR在三種聽覺刺激下測(cè)得的fNIRS血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)。HbO濃度的PERMANOVA分析顯示，ROI(p=0.007)和強(qiáng)度(p=0.006)的主效應(yīng)顯著，而兩者的交互作用(強(qiáng)度*ROI)不顯著(p＞0.05)。ROI的FDR校正結(jié)果顯示，視覺皮層與左右聽覺皮層之間存在顯著差異(p=0.023)。強(qiáng)度的FDR校正結(jié)果顯示，強(qiáng)度2(77.9 dB)與強(qiáng)度3(84.5 dB)之間存在顯著差異(p=0.012)。在HbR濃度方面，PERMANOVA顯示ROI具有顯著主效應(yīng)(p＜0.001)，而強(qiáng)度的主效應(yīng)和交互作用(強(qiáng)度*ROI)不顯著(所有p＞0.05)。進(jìn)一步分析顯示，視覺皮層與左右聽覺皮層之間存在顯著差異。HbT濃度的PERMANOVA分析顯示，強(qiáng)度的主效應(yīng)顯著(p=0.006)，而ROI的主效應(yīng)和交互作用(強(qiáng)度*ROI)不顯著(所有p＞0.05)。事后分析顯示，強(qiáng)度2(77.9dB)和3(84.5dB)之間存在顯著差異(p=0.007)。這些結(jié)果及其分布情況如圖6所示。

與實(shí)驗(yàn)一類似，在實(shí)驗(yàn)二中，將各個(gè)ROI的強(qiáng)度均值與基線進(jìn)行t檢驗(yàn)比較(經(jīng)FDR校正，圖7)。結(jié)果顯示，左聽覺皮層、右聽覺皮層、左背外側(cè)皮層和前額葉皮層的HbO發(fā)色團(tuán)存在顯著差異。對(duì)于HbR，所有ROI與基線相比均顯示出顯著差異。同樣，與第一個(gè)實(shí)驗(yàn)類似，HbO的t值為正，HbR的t值為負(fù)。如圖7所示，右背外側(cè)皮層的HbO濃度差異不顯著可能是由于背外側(cè)皮層的響應(yīng)存在延遲。

圖8顯示了五個(gè)ROI中HbO和HbR發(fā)色團(tuán)對(duì)五種聽覺刺激強(qiáng)度(70.9dB、77.9dB、84.5dB、89.5dB和94.5dB)的血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)。HbO濃度的PERMANOVA分析顯示，ROI(p＜0.001)和強(qiáng)度(p=0.003)的主效應(yīng)顯著，而交互作用(強(qiáng)度*ROI)不顯著(p＞0.05)。ROI的FDR校正顯示，右側(cè)聽覺皮層與左側(cè)聽覺皮層、右背外側(cè)皮層、左背外側(cè)皮層和前額葉皮層之間存在顯著差異。強(qiáng)度的事后分析顯示，強(qiáng)度5(94.5dB)與強(qiáng)度1(70.9dB)、2(77.9dB)和3(84.5dB)之間存在顯著差異。HbR濃度的PERMANOVA分析顯示，ROI(p＜0.001)和強(qiáng)度(p＜0.001)的主效應(yīng)顯著，而交互作用(強(qiáng)度*ROI)不顯著(p＞0.05)。ROI的FDR校正顯示，右側(cè)聽覺皮層與右背外側(cè)皮層、左背外側(cè)皮層和前額葉皮層之間存在顯著差異，以及左側(cè)聽覺皮層與前額葉皮層之間也存在顯著差異。強(qiáng)度的事后分析顯示，強(qiáng)度5與強(qiáng)度1、2、3和4之間存在顯著差異。顯著效應(yīng)和數(shù)據(jù)分布如圖9所示。

在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)的Spearman相關(guān)性分析中，由于PERMANOVA分析顯示不存在電極效應(yīng)，因此對(duì)EEG中央電極的N1和P2平均波幅與以ROI為單位的HbO、HbR和HbT進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果未顯示出顯著相關(guān)性。在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中，對(duì)Cz電極點(diǎn)的N1和P2振幅與以ROI為單位的HbO、HbR和HbT之間進(jìn)行了Spearman相關(guān)性分析(經(jīng)FDR校正)。與FCC1和FCC2電極點(diǎn)相比，Cz電極點(diǎn)的振幅更大，因此選擇Cz電極進(jìn)行相關(guān)性分析。然而，結(jié)果顯示HbO與HbT并沒有顯著的相關(guān)性，僅HbR發(fā)色團(tuán)與左側(cè)聽覺皮層的N1振幅和右背側(cè)皮層的P2振幅之間存在顯著相關(guān)性(經(jīng)FDR校正)，圖10顯示了Spearman相關(guān)矩陣和線性回歸，正如預(yù)期的那樣，N1與HbR呈正相關(guān)(p=0.002)，而P2與HbR呈負(fù)相關(guān)(p=0.031)。

結(jié)論

本研究為EEG和fNIRS檢測(cè)到的大腦中存在強(qiáng)度依賴性反應(yīng)提供了證據(jù)，支持在聽覺范式中存在神經(jīng)血管耦合的觀點(diǎn)。這些結(jié)果表明，同時(shí)記錄腦電和近紅外信號(hào)可以充分利用EEG的良好時(shí)間分辨率和fNIRS的空間分辨率，因?yàn)樯窠?jīng)血管耦合表明這兩種信號(hào)在功能上是相關(guān)的?？傮w而言，這項(xiàng)研究有助于我們理解電信號(hào)和血流動(dòng)力學(xué)信號(hào)如何在聽覺范式中相互作用，并強(qiáng)調(diào)了在未來研究中整合EEG和fNIRS的潛在益處。

參考文獻(xiàn)：Mu?oz, V., Mu?oz-Caracuel, M., Angulo-Ruiz, B.Y. et al. Neurovascular coupling during auditory stimulation: event-related potentials and fNIRS hemodynamic. Brain Struct Funct (2023). https://doi.org/10.1007/s00429-023-02698-9
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