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慧创近红外脑功能成像应用 | 医疗精神领域亟需fNIRS有效高通道全脑检测!

发表时间: 2022-09-22 09:56:50

作者: 丹阳慧创医疗设备有限公司

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慧创超百通道近红外脑功能成像设备,可以遍及全脑各部分脑区,同时具有轻便,受限制因素少等优点,为精神领域的脑功能研究助力!

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本文作者 | 兰孟颖  中科院生物物理研究所博士  慧创脑科学学术专家

目前,fNIRS的应用已涉及临床医学,精神病学,神经疾病学的认知神经功能等的研究,还涉及在特殊人群的诊疗效果评估、认知功能检测等方面,是一项无创、便携、价格实惠的新型脑功能设备,为脑功能研究的应用与发展提供了新思路。

近年来,fNIRS被应用于各个领域,根据“fNIRS”为词条,在Web of Science中检索的类别截至2022年9月如图1所示。可以看出,fNIRS已经趋于向多方向领域应用。

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图1 fNIRS相关研究方向

同时,fNIRS在全脑高通道的研究日益涌现,越来越多的临床与科研将目标放眼全脑。

fNIRS高通道的应用

目前,慧创近红外脑功能成像产品已经实现全脑高通道同步检测,而同类型其他产品还只能局限于单一部分脑区的检测。

慧创产品:支持全脑成像。

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其他同类产品:只能同时支持1~2个脑区,不支持全脑区同时检测。

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覆盖全脑的技术要求首先是多通道同步测量;其次是灵敏度足够高,能够探测头发覆盖区域的微弱信号;慧创近红外脑功能成像产品采用三波长、雪崩二极管、超微光探测专利技术得以实现真正覆盖全脑检测。

慧创近红外高通道研究实例

此前,北京大学第六医院与北京师范大学联合发表了高水平论文[1],该研究利用慧创fNIRS设备通过80通道,覆盖了额叶,枕叶和顶叶,对患有注意缺陷多动障碍(ADHD)的儿童与成年人进行全脑静息数据分析,并将测量通道分为六个网络:视觉网络(VN),体感网络(SMN),背侧注意网络(DAN),腹侧注意力网络(VAN),额顶网络(FPN)和默认模式网络(DMN)进行研究。结果揭示了行为障碍可能是儿童ADHD持续到成年的影响因素,为多动症的大脑发育提供了证据。(图2)

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图2 对ADHD进行全脑静息数据分析

此外,另一篇文章中也利用慧创fNIRS设备通过80通道对全脑的功能网络连接分析发现[2],与正常组相比,注意力缺陷多动障碍儿童的功能连接性降低,脑网络拓扑结构中断,与核心症状的关系中尤其是右额顶和视觉区的功能性连接与多动症患儿的多动/冲动评分呈显著负相关,同时出现在局部效率没有发现差异,而全局效率显著降低的表现,这为ADHD的诊断提供了潜在的生物标志物。(图3)

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图3 注意力缺陷多动障碍儿童的功能连接降低

同时还有很多研究已经聚焦全脑高通道,例如有研究[3]采用高通道的fNIRS对行动型谎言和言语型谎言的大脑神经活动进行研究。(图4)

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图4 测量期间氧合血红蛋白浓度变化的z平均

还有两项研究[4、5]采用高通道的fNIRS覆盖左右额叶和枕叶脑区,分别对不同完整性的字母识别以及不同视觉识别速度进行研究,对双侧额叶和枕叶的大脑激活差异进行了分析。(图5)

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图5 头部通道放置示意图

虽然已经有了部分研究成果,但是在fNIRS方面的研究还是受到探头和传统设备性能的限制,无法覆盖全脑或足够的研究范围,导致更多有意义的fNIRS工作未能开展。

慧创高通道全脑覆盖的fNIRS可以满足这样的全脑网络检测。

精神疾病在枕叶研究的重要性

视觉认知功能是精神领域研究的方向,对视觉认知功能的研究有助于精神疾病的诊断,而视觉功能的研究依赖于枕叶的视觉皮层相关脑区,因此,采用高通道的测量,对大脑的认知功能进行多脑区甚至全脑的联合同步检测,有助于精神领域的研究与发展。

已有研究利用fMRI对于精神障碍变异性进行探究[6],结果发现视觉皮层(枕上和舌上回)的变异性增加最为突出,并且与冲动控制和注意力不集中等一般症状具有相关性。(图6)

在ADHD儿童的研究中[14],通过脑电研究发现与注意力缺陷相关的枕叶区对早期视觉信息处理缓慢。枕叶被认为与神经疾病包括枕叶癫痫,枕叶梗死,中风患者的梦境丧失损伤有关,同时功能性枕叶异常还被证实与精神分裂症有关[15]。因此,对于枕叶的研究也将是精神领域的重要对象。

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图6 脑部区域在精神障碍患者和匹配的健康对照组之间显示出显着的变异差异。

目前市面上普通的近红外成像产品多以前额叶作为研究对象,甚少涉及覆盖枕叶的检测,而枕叶对于精神领域的研究发展,也将是不可或缺的组成部分。

慧创超百通道近红外脑功能成像设备,可以覆盖全脑,对于脑疾病、全脑整体功能作用后的表现研究,在有头发的枕叶也能采集到优质的信号,为医生的临床研究和科研工作提供了有价值的研究手段。

精神疾病在全脑fMRI的检测

精神疾病在全脑fMRI的研究很多,已有研究对精神分裂症,自闭症谱系障碍(ASD)和ADHD患者进行了全脑变异性分析,结果发现,与健康对照相比,对于精神分裂症,超过20%的大脑区域显示出变异性的显著差异[6]。

精神分裂症是神经精神疾病中大脑拓扑差异的典型例子[7],长期以来一直被假设为大脑连接异常的结果[8、9、10]。结构和功能连接的变化可能是导致神经精神疾病的新型生物标志物[11]。

已有研究证明,大脑静息状态下的自发活动以及与任务相关的活动在很大程度上取决于底层结构连接和动态工作点的属性[12]。还有研究采用全脑静息态网络连接研究了重度抑郁的大脑功能表现,对13个网络进行了分析,结果揭示了重度抑郁可能与多个静息态脑网络内功能连接的改变有关[13]。

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图7 不同功能相关的静息态网络组分

深入了解大脑网络活动功能障碍是探究如何导致精神健康障碍的基础,不仅可以更深入地了解静息状态和任务/刺激诱发活动背后的大脑机制,还可以发现神经精神疾病的原因,作为个体患者的潜在生物标志物,这将是未来研究的趋势方向。此外,这些信息可用于监测现有疗法的进展,有助于早期阶段的结果预测,及为特定患者群体量身定制特定治疗,为新的干预措施和治疗方法敞开大门。

可以看出,已有不少专业的医生与科研工作者采用高通道fNIRS进行了一系列全脑范围的研究。同时,功能磁共振作为大脑功能活动影像检测的金标准,已有大量研究聚焦全脑进行研究,fNIRS作为“戴在头上的功能核磁”,同时拥有无创、便携、敏感性能突出等优势,它的理想应用状态也应该是在全脑皮层范围进行研究。

传统的功能核磁共振检测价格高昂,移动性能弱,对患者状态的要求高,若采用近红外脑功能设备即可解决这些困扰,快速便捷的检测到全脑信号,因此很多可期待的成果可以由fMRI向fNIRS进行迁移,在精神疾病领域的发展做出贡献,为精神领域的临床与研究工作提供便利,成为更多临床医生及科研工作者的首选。

fNIRS在精神领域对传统部分脑区的研究成果数量繁多,而对于全脑的探索如同地下黄金般有待开采。可以发现,采用全脑检测是未来临床及科研的趋势,也是提高成果产出效率的路径方向,更是临床研究获取更全面脑功能信息的不二选择。

慧创超百通道近红外脑功能成像设备,可以遍及全脑各部分脑区,同时具有轻便,受限制因素少等优点,为精神领域的脑功能研究助力!


参考文献

1、Liu, N., Jia, G., Li, H., Zhang, S., Wang, Y., Niu, H., ... & Qian, Q. (2022). The potential shared brain functional alterations between adults with ADHD and children with ADHD co-occurred with disruptive behaviors. Child and adolescent psychiatry and mental health, 16(1), 1-11.

2、Wang, M., Hu, Z., Liu, L., Li, H., Qian, Q., & Niu, H. (2020). Disrupted functional brain connectivity networks in children with attention-deficit/hyperactivity disorder: evidence from resting-state functional near-infrared spectroscopy. Neurophotonics, 7(1), 015012.

3、Palacios, V. A., Saito, H., Oi, M., Meng, S., Yamada, R., & Itsukushima, Y. (2014). Are Action-based Lies easier to detect than Speech-based Lies?: A Near-Infrared Spectroscopy Study. JCSS Japanese Congnitive Science Society, 580-585.

4、Jiang, Y., & Wang, S. (2008). Study of Activation in Frontal Cortex and Visual Cortex during Visual Interpolation for Incomplete Objects using NIRS. In SCIS & ISIS SCIS & ISIS 2008. Japan Society for Fuzzy Theory and Intelligent Informatics. 130-133

5、Jiang, Y., & Wang, S. (2007, May). Speed dependency of cerebral blood volume changes during visual cognitive activation measured with NIRS. In 2007 3rd International IEEE/EMBS Conference on Neural Engineering. IEEE. 306-309

6、Zhang, J., Cheng, W., Liu, Z., Zhang, K., Lei, X., Yao, Y., ... & Feng, J. (2016). Neural, electrophysiological and anatomical basis of brain-network variability and its characteristic changes in mental disorders. Brain, 139(8), 2307-2321.

7、Deco, G., & Kringelbach, M. L. (2014). Great expectations: using whole-brain computational connectomics for understanding neuropsychiatric disorders. Neuron, 84(5), 892-905.

8、E. Bleuler. (1911). Dementia Praecox or the Group of Schizophrenias (Version Translation by Zinkin, 1950), International Universities Press, New York.

9、E. Kraepelin. (1919). Dementia Praecox and Paraphrenia, Krieger, Huntington.

10、Carl, W. (1874). Der aphasische Symptomencomplex. Eine psychologische Studie auf anatomischer Basis.

11、Castellanos, F. X., Di Martino, A., Craddock, R. C., Mehta, A. D., & Milham, M. P. (2013). Clinical applications of the functional connectome. Neuroimage, 80, 527-540.

12、Deco, G., & Corbetta, M. (2011). The dynamical balance of the brain at rest. The Neuroscientist, 17(1), 107-123.

13、Veer, I. M., Beckmann, C. F., Van Tol, M. J., Ferrarini, L., Milles, J., Veltman, D. J., ... & Rombouts, S. A. (2010). Whole brain resting-state analysis reveals decreased functional connectivity in major depression. Frontiers in systems neuroscience, 4, 41.

14、Nazari, M. A., Berquin, P., Missonnier, P., Aarabi, A., Debatisse, D., De Broca, A., & Wallois, F. (2010). Visual sensory processing deficit in the occipital region in children with attention-deficit/hyperactivity disorder as revealed by event-related potentials during cued continuous performance test. Neurophysiologie Clinique/Clinical Neurophysiology, 40(3), 137-149.

15、Tohid, H., Faizan, M., & Faizan, U. (2015). Alterations of the occipital lobe in schizophrenia. Neurosciences Journal, 20(3), 213-224.


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