SPA-fNIRS：系統(tǒng)生理學(xué)增強(qiáng)功能近紅外光譜
大家好，我是陳銳。
今天分享內(nèi)容主要來(lái)源一篇綜述性的文章，結(jié)合自己對(duì)fNIRS的經(jīng)驗(yàn)和其中部分內(nèi)容撰寫，內(nèi)容僅供參考學(xué)習(xí)分享。
最近，看到一篇綜述性的文章，有關(guān)進(jìn)一步完善fNIRS的測(cè)量過(guò)程，我個(gè)人覺(jué)得這是一個(gè)非常有意義的測(cè)量方法。它能完善數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和解釋性。
在本公眾號(hào)上已經(jīng)有大量的傳統(tǒng)fNIRS技術(shù)的相關(guān)介紹，可以查看圖片和鏈接：
今天給大家介紹了Systemic physiology augmented functional near-infrared spectroscopy (以下簡(jiǎn)稱：SPA-fNIRS)技術(shù)，它是在傳統(tǒng)fNIRS基礎(chǔ)上增加了全身的其它信號(hào)的測(cè)量，如心肺健康的呼吸產(chǎn)生二氧化碳等氣體，可能也會(huì)影響大腦血氧變化。
SPA-fNIRS 的主要作用有兩個(gè)：
(1) SPA-fNIRS 能夠更完整地解釋和理解頭部測(cè)量的 fNIRS 信號(hào)，因?yàn)樗鼈儼醋陨窠?jīng)血管耦合和全身生理源的過(guò)程。使用 SPA-fNIRS 測(cè)量的全身生理信號(hào)可用于剔除回歸 fNIRS 信號(hào)中的生理混雜成分，可以最大限度地減少誤解。
(2) SPA-fNIRS 能夠通過(guò)將大腦與整個(gè)身體的生理狀態(tài)聯(lián)系起來(lái)來(lái)研究具身大腦，從而對(duì)它們復(fù)雜的相互作用提供新的見(jiàn)解。
正確解釋 fNIRS 信號(hào)的復(fù)雜性
fNIRS 和 fMRI 都是通過(guò)確定神經(jīng)血管耦合引起的血流動(dòng)力學(xué)和氧合變化來(lái)間接測(cè)量大腦活動(dòng)的技術(shù)。但大腦活動(dòng)并不是改變 fMRI（血氧水平依賴信號(hào)，BOLD，僅反映 [HHb]）或 fNIRS 測(cè)量的血流動(dòng)力學(xué)信號(hào)的唯一因素。對(duì)于 fNIRS，所有信號(hào)變化都可以大致分為三個(gè)部分：（1）大腦隔室中的神經(jīng)元誘發(fā)變化（即，研究大腦活動(dòng)時(shí)感興趣的成分）；（2）大腦隔室中的系統(tǒng)誘發(fā)變化,；(3) 腦外室的系統(tǒng)性誘發(fā)變化。三個(gè)附加過(guò)程也起作用：（1）腦室中的血管誘發(fā)變化；（2）腦外室中的血管誘發(fā)變化；（3）腦外室中的肌肉誘發(fā)變化。血管誘發(fā)的變化是由于血管舒縮，即血管壁張力的自發(fā)波動(dòng)，肌肉誘發(fā)的變化是由頭部顳肌的活動(dòng)引起的。
fNIRS 信號(hào)的組成部分
每個(gè) fNIRS 信號(hào)由這六個(gè)分量組成（如圖）。每個(gè)分量對(duì)整體 fNIRS 信號(hào)的影響程度不能籠統(tǒng)地說(shuō)明，因?yàn)榉至康臋?quán)重取決于許多因素，例如實(shí)驗(yàn)范式、測(cè)量位置、fNIRS 測(cè)量的技術(shù)實(shí)施（如，測(cè)量類型和源-探測(cè)器分離以及被試的個(gè)體生理學(xué)和解剖學(xué)），這也突出表明需要使用其它生理技術(shù)測(cè)量這些分量的相關(guān)性，以獲得整體評(píng)估。
需要充分了解人腦活動(dòng)和腦血流調(diào)節(jié)如何與全身生理學(xué)相關(guān)聯(lián)
在一項(xiàng)功能性任務(wù)期間系統(tǒng)生理學(xué)發(fā)生了多少變化不僅有助于消除這些干擾影響，還可以確定系統(tǒng)生理學(xué)如何調(diào)節(jié) 神經(jīng)血管耦合以及神經(jīng)元大腦活動(dòng)，監(jiān)測(cè)這些系統(tǒng)性生理學(xué)變化，可以深入了解身體-大腦的相互作用。
SPA-fNIRS原理圖
問(wèn)：什么是 SPA-fNIRS？
答：SPA-fNIRS 是一種能夠測(cè)量和分析 fNIRS 神經(jīng)影像數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)生理學(xué)數(shù)據(jù)的方法。
問(wèn)：使用 SPA-fNIRS 代替?zhèn)鹘y(tǒng)fNIRS 有什么好處？
答：fNIRS 信號(hào)包含不同的成分，包括與全身生理變化相關(guān)的成分，而不僅與神經(jīng)血管耦合相關(guān)的成分。SPA-fNIRS 通過(guò)結(jié)合測(cè)量的系統(tǒng)生理學(xué)變化的信息來(lái)解碼 fNIRS 信號(hào)，并研究 fNIRS 信號(hào)與系統(tǒng)生理學(xué)之間的關(guān)系。這減少了對(duì) fNIRS 信號(hào)變化誤解的可能性，并能夠更深入地了解大腦活動(dòng)和全身生理學(xué)之間的相互作用。
問(wèn)：SPA-fNIRS 研究建議測(cè)量哪些全身生理信號(hào)？最重要的是什么？
答：建議主要測(cè)量與心肺系統(tǒng)和自主神經(jīng)系統(tǒng)狀態(tài)相關(guān)的全身生理信號(hào)，即心率 (HR)、呼吸頻率 (RR)、平均動(dòng)脈血壓、一氧化碳、皮膚電導(dǎo)（SC）以及血氧飽和度等等。HR和RR 是最容易實(shí)現(xiàn)并提供有關(guān)被試全身生理狀態(tài)的重要信息的測(cè)量方法。血氧飽和度在健康受試者中可能不太相關(guān)，但也很容易獲取。建議根據(jù)研究的任務(wù)或刺激來(lái)選擇生理信號(hào)。例如，當(dāng)預(yù)期刺激會(huì)改變呼吸時(shí)（例如，說(shuō)話），一氧化碳建議測(cè)量。如果實(shí)驗(yàn)方案在被試中引起壓力，建議進(jìn)行 SC、HR 和 MAP 測(cè)量。
問(wèn)：全身生理學(xué)的變化是否會(huì)均勻地影響頭部的血流動(dòng)力學(xué)？
答：在對(duì) fNIRS 數(shù)據(jù)進(jìn)行精確且無(wú)錯(cuò)誤的解釋時(shí)，需要考慮系統(tǒng)生理變化的區(qū)域差異，因?yàn)檎麄€(gè)大腦同樣受系統(tǒng)生理影響的。
問(wèn)：SPA-fNIRS 數(shù)據(jù)應(yīng)該如何處理和分析？
答：目前還沒(méi)有最佳的選擇，正在進(jìn)一步完善系統(tǒng)生理數(shù)據(jù)和 fNIRS 數(shù)據(jù)的使用。例如，生理數(shù)據(jù)能夠回歸（如，使用 GLM）系統(tǒng)生理學(xué)變化對(duì) fNIRS 信號(hào)的影響或研究大腦和身體之間的相互作用（即神經(jīng)系統(tǒng)功能連接）。
問(wèn)：軟件是否可用于執(zhí)行 SPA-fNIRS 數(shù)據(jù)處理和分析？
答：目前還沒(méi)有專門為 SPA-fNIRS 數(shù)據(jù)處理和分析而設(shè)計(jì)的軟件。目前可用的軟件，例如 Homer3、NIRS-SPM、NIRS Brain AnalyzIR 工具箱能夠使用 GLM 中的系統(tǒng)生理信號(hào)作為額外的回歸量，以消除 fNIRS 數(shù)據(jù)中的生理影響。具體工具箱介紹可參考文章《fNIRS工具箱》
問(wèn)：短通道回歸與基于 SPA-fNIRS 的生理噪聲回歸相比如何？
答：雖然經(jīng)典的 fNIRS 設(shè)備只能用源-探測(cè)器（即3cm通道）進(jìn)行測(cè)量，但較新的 fNIRS 設(shè)備也能夠在短距離通道（即8mm左右）下進(jìn)行測(cè)量。3cm通道包含來(lái)自腦內(nèi)和腦外隔室的信息，短通道特別探測(cè)腦外隔室。根據(jù)3cm通道的位置數(shù)量?jī)?yōu)化短通道的數(shù)量。還需要考慮腦外血流動(dòng)力學(xué)的異質(zhì)性。這些方法提高了測(cè)量與神經(jīng)血管耦合相關(guān)的變化的能力并提高 fNIRS 測(cè)量在單受試者水平上的可重復(fù)性上依然存在困惑。
問(wèn)：SPA-NIRS的哪些方面還需要進(jìn)一步發(fā)展？關(guān)于 SPA-fNIRS 的實(shí)施和使用有哪些疑問(wèn)？
答：SPA-fNIRS 的進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)側(cè)重于硬件開(kāi)發(fā)，例如創(chuàng)建涵蓋 fNIRS 測(cè)量中所有相關(guān)生理信號(hào)的集成測(cè)量設(shè)備以及軟件開(kāi)發(fā)，例如用于 SPA-fNIRS 信號(hào)處理和分析的數(shù)學(xué)方法作為方法的軟件實(shí)現(xiàn)（理想情況下是開(kāi)源的）。關(guān)于 SPA-fNIRS 的應(yīng)用，未來(lái)的研究需要探索 SPA-fNIRS 的使用，例如在超掃描研究中，在自然環(huán)境中，與兒童一起使用或與其它神經(jīng)生理學(xué)測(cè)量相結(jié)合時(shí)，考慮的其它神經(jīng)活動(dòng)的影響。SPA-fNIRS 將是研究大腦和身體之間相互作用的較好方法，支持在實(shí)驗(yàn)研究中對(duì)生理學(xué)進(jìn)行綜合評(píng)估。
問(wèn)：SPA-fNIRS 會(huì)很快成為 fNIRS 神經(jīng)影像學(xué)研究的新標(biāo)準(zhǔn)嗎？
答：SPA-fNIRS應(yīng)該會(huì)有更多的研究。SPA-fNIRS 是否以及如何在 fNIRS 研究中實(shí)施和使用取決于研究設(shè)計(jì)和其它因素，例如生理測(cè)量所需設(shè)備的可用性，以及執(zhí)行額外數(shù)據(jù)分析和 SPA-fNIRS 測(cè)量的可行性。目前還沒(méi)有足夠的數(shù)據(jù)說(shuō)明 SPA-fNIRS 測(cè)量在兒童（新生兒和嬰兒）中的實(shí)現(xiàn)過(guò)程和必要。但我們應(yīng)該要相信它將能帶給fNIRS更準(zhǔn)確的信號(hào)解釋。
總之，關(guān)于 SPA-fNIRS 仍有許多基本的未解決問(wèn)題。我們需要確定應(yīng)針對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)范式和被試群組（例如成人、兒童和新生兒）測(cè)量哪些全身生理參數(shù)，哪些信號(hào)處理方法最適合 SPA-fNIRS 數(shù)據(jù)以及哪些附加信息。
對(duì)此方法，感興趣的小伙伴，歡迎與我交流探討。
謝謝大家觀看，如有幫助，來(lái)個(gè)喜歡或者關(guān)注吧！
本文作者：陳銳
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