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近红外脑功能成像在儿童领域的应用研究

作者:znion   发布时间:2019-06-17   阅读次数:129

九十年代以来,近红外脑功能成像技术(fNIRS)逐渐被引入神经影像研究领域,几十年来不断发展改进使得其应用越来越广泛。fNIRS的原理是通过发射近红外光穿透生物体表面,利用近红外光被大脑皮层血红蛋白吸收的原理,检测大脑皮层血液量的分布变化。当神经皮层发生反应时,血红蛋白的表现为:总的血红蛋白和氧合血红蛋白的浓度增加,脱氧血红蛋白的浓度降低。作为新兴的神经影像学技术,fNIRS在儿童领域有自己独特的优势。          


 fNIRS的技术特点及优势



首先,由于幼小儿童身心发育尚不成熟,自我控制能力差,对头动有较高要求的事件相关电位(ERP),功能磁共振成像(fMRI)等技术难以实施。而近红外脑功能成像技术具有较高的非侵害性,并且对实验中被试的头动容忍度较高。这使得其特别适用于研究幼小儿童,甚至是发展障碍儿童等特殊群体


其次,近红外脑功能成像技术具有较高的时间分辨率和空间分辨率。时间分辨率和空间分辨率在现有的脑成像技术中几乎都存在矛盾。fNIRS的空间分辨率比ERP高,时间分辨率比fMRI高,可以满足研究者在同一实验中同时获得大脑活动的时间进程和空间定位两方面的基本信息。


   最后,fNIRS技术与ERP和fMRI技术等研究手段相比,还具有较低成本、便携并且可以长时间重复测量等优势长时间重复测量的优势使其广泛使用于纵向追踪研究中。



       自闭症

Keehn等人(2013)利用 fNIRS 测量了具有不同自闭症风险的一岁以下幼儿左右额叶的脑活动。结果显示,与低自闭症风险的幼儿相比,高自闭症风险的幼儿在 3 个月时表现出功能连接更强,在 12 个月时功能连接更弱的异常特征。Li和Yu(2016)研究了 6 岁左右的自闭症儿童在观看动画片时的额叶皮质功能连接的效率。结果显示,自闭症儿童的额叶网络的连接效率较正常发育儿童更弱。这些研究证明额叶皮质的功能连接异常可能是自闭症的神经病理机制之一。

一项针对7~12岁自闭症儿童认知转换的神经机制的研究发现正常儿童完成认知转换任务时双侧前额叶均有显著激活,而自闭症儿童只有左侧前额叶有激活,右侧前额叶无明显反应。(如下图)

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另一项研究Kita用fNIRS对9~11岁自闭症儿童和正常儿童在自我面部识别任务中的前额叶活动进行了研究,发现自闭症儿童前额叶中与自我识别能力相关的右侧额叶的激活与正常儿童有显著差异,表明右侧前额叶功能异常是自闭症儿童的主要神经机制之一。综上所述,借助fNIRS技术,人们可以对儿童是否患有自闭症进行有效的预测。


多动症


研究发现,多动症(ADHD)患儿在执行go/no go 任务期间,额叶皮层表现出激活减弱的现象,并且研究发现ADHD治疗药物哌甲酯、托莫西汀可以改善患儿减弱的右外侧前额叶皮层激活。

另一项研究发现多动症患儿在完成被试抑制竞争反应能力的斯特鲁普(Stroop)词色任务时,其前额叶皮层氧合血红蛋白浓度的变化弱于正常儿童,表明ADHD 患儿不能很好地实现大脑前额叶的激活,大脑前额叶存在功能障碍。

 

 

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在Stroop任务中,相对于 ADHD儿童,健康儿童的氧合血红蛋白在右侧的背外侧前额叶有显著性的增加


       发展阅读障碍


以往技术的局限性,对早期发展性障碍儿童的研究非常少。fNIRS技术的出现为研究者探究发展性障碍儿童早期阶段、甚至是初生时期的前额叶功能异常提供了支持。作为一种新型的脑成像技术,fNIRS可能将成为发展性阅读障碍研究首选。

研究发现,相比于正常人,有阅读障碍的人在一系列功能和结构的神经影像研究中表现出了激活减少和灰质体积减少。Siok 等人发现中文阅读障碍的儿童相比于正常儿童,他们在左脑额中回的激活强度较少。这些研究表明fNIRS 将有效用于特殊儿童脑功能连接研究,成为发展阅读障碍儿童早期诊断和监测的工具。




小结



一直以来,前额叶皮质作为调控各项高级认知加工过程的脑区,是各种发展性障碍研究的焦点。既有研究表明,孤独症、注意缺陷多动障碍、发展性阅读障碍等多项发展性障碍儿童、青少年都表现出了前额叶功能的异常。

综上来看,尽管fNIRS技术出现时间较短,但研究者借助其独特的优势,在儿童前额叶功能成像研究中已经取得了许多重要成果。这对于丰富已有的儿童认知发展心理学理论,揭示儿童早期高级认知发展与前额叶发育的关系具有重要意义,也为儿童早期教育、发展性障碍儿童的早期诊断与治疗提供了重要依据


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