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fNIRS对成人运动任务行为中大脑皮层的评估

作者:杨施羽   发布时间:2021-06-25   阅读次数:2

功能近红外光谱(fNIRS)是一种有效的、间接的光学神经成像方法,基于神经元激活和血管反应的紧密耦合来监测大脑激活的血流动力学反应。因其独特的优点,使其天生适合于研究复杂运动刺激的皮质反应。该技术已被广泛用于研究运动任务时的皮质反应。

由于人类皮层的运动区,即初级感觉运动皮层(primary sensory - motor cortex, PSMC)和运动前皮层(pre - motor cortex, PMC)位于离头皮组织较近的位置,因此很容易进行光学测量。此外,用于复杂运动学习和运动控制的高级加工(如判断、规划、错误检测)的前额叶皮层(PFC)也可以通过fNIRS快速获取。图1为在三维解剖MRI图像上描绘的人类大脑皮层中每个运动相关区域的大致位置。

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图1

本文的目的是回顾有关文献的研究,评估该技术在运动表现和神经疾病恢复中的贡献。

皮质血流动力学对运动刺激的反应

血流动力学时间曲线图,显示运动刺激时氧合血红蛋白(HbO2)、总血红蛋白(HbT)和脱氧血红蛋白(HHb)的变化。广义上说,这一反应包括HbO2的快速增加和HHb的缓慢、低幅度的下降,这与区域脑血流(rCBF)的变化相适应,这种变化与代谢发生在激活的大脑区域并不匹配。运动刺激后最可靠和可重复的皮质血流动力学反应(2-20秒)包括HbO2和HbT的增加,以及HHb的减少。这种发色团变化模式代表了大脑激活时的血流动力学反应(Roy and Sherrington, 1890)。

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脑血管意外患者诱发的皮层血流动力学变化

1、增加同侧运动激活。神经成像数据表明,中风后患手的运动与同侧皮质的激活增加有关,这表明未受损皮质的运动区域可自适应地补偿疾病或损伤(Calautti和Baron, 2003)。

2、对侧受累半球血流动力学反应减弱。一些研究报告,与健康对照组相比,脑卒中和胶质瘤患者对侧受影响半球的皮质氧合变化较低或脱氧增加(Bhambhani等,2006;Fujiwara等人,2004;Murata等人,2002年;Sakatani等人,2003年)。

3、持续的侧前额叶和内侧前额叶激活。一个随机fNIRS研究,对失调性中风患者与健康对照者的跑步机行走进行比较表明:中风患者在加速和稳态跑步机时需要持续的侧向和内侧PFC激活,而健康受试者在加速后不需要持续的PFC激活(Mihara et al., 2007)。

在进行康复策略之后,大脑皮层反应

1、研究表明康复技术可以控制患者皮层的激活,并可能改善运动(再)学习(Miyai et al., 2002)。Miyai等人(2002)进行了一项非随机fNIRS研究,以确定瘫痪腿的机械辅助或骨盆区的便利技术是否能使中风患者在跑步机上行走任务中表现更好。客观测量显示:简化技术显著提高了受影响半球的节律和PMC激活。

2、有数据表明,上肢(如握力)纵向康复和下肢运动技能(如行走、跑步)可以“改善”侧性(Miyai et al., 2003;武田等,2007)。具体而言,这些数据表明:康复后,患侧大脑半球的对侧皮质氧合变化增加,而同侧皮质的贡献减少。最后,对侧PSMC的正常激活模式可能会恢复正常(Takeda et al., 2007)。因此,长期来看,受影响半球感觉运动激活的改善可能是中风功能恢复的基础。

由于fNIRS技术的独特优势,提供了揭示皮质控制现实的日常运动行为的潜力。未来的研究将会进一步提高其复杂性。

参考文献

Assessment of the cerebral cortex during motor task behaviours in adults: A systematicreview of functional near infrared spectroscopy (fNIRS) studiesDaniel Richard Leff a, Felipe Orihuela-Espina a, Clare E. Elwell b, Thanos Athanasiou a, David T. Delpy b,Ara W. Darzi a, Guang-Zhong Yang a⁎ NeuroImage 54 (2011) 2922–2936


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