近紅外腦功能成像在嬰幼兒及兒童腦功能發(fā)育與疾病診斷的應用

近紅外腦功能成像（fNIRS）是一種新興的腦功能成像技術，可以在大腦活動期間獲得大腦組織內(nèi)脫氧血紅蛋白（HbR）和氧合血紅蛋白（HbO）的變化情況，是一種非侵入性腦成像技術；具有適用范圍廣泛、運動偽跡不敏感、電磁兼容性好、時空分辨率高等優(yōu)勢。
 

由于兒童特別是嬰幼兒的自我控制能力較差，因此對兒童進行腦功能成像的研究往往較為困難。而fNIRS由于其便攜性及較高的抗運動干擾能力，為嬰幼兒及兒童腦功能發(fā)育、腦疾病診斷等研究提供了一種新的途徑。
fNIRS用于研究嬰兒早產(chǎn)與腦疾病
 

Makiko I（2014）等人使用fNIRS研究了在足月同齡時，足月兒、早期早產(chǎn)兒、唐氏綜合征患兒的大腦功能發(fā)育差異。fNIRS探頭覆蓋嬰兒額葉、顳葉和枕葉區(qū)域。為了揭示皮層網(wǎng)絡的功能連通性，計算了所有測量通道之間的時間相關性。功能連接特征分為四種類型：短程連接、對側-橫向連接、同側-縱向連接、其他連接。研究發(fā)現(xiàn)足月兒的平均功能連通性與早產(chǎn)兒無明顯差異，而唐氏綜合征組嬰兒的平均功能連通性低于其他2組。研究還發(fā)現(xiàn)，對于功能連接的四種類型，短程連接強度最高，對側-橫向連接第二高。為了檢驗血液動力學的局部特性是否反映病理狀態(tài)，該研究小組計算了各組嬰兒HbO與HbR濃度時間序列的相位差。計算結果表明，唐氏綜合征組與其他2組有顯著性差異[1]。
 

圖 各組嬰兒不同類型網(wǎng)絡連接比較
 

Watanabe H（2017）等人提出了一種檢測足月兒、晚期早產(chǎn)兒、早期早產(chǎn)兒神經(jīng)血管和代謝功能發(fā)育細微差異的方法（這些嬰兒沒有明顯的臨床問題表現(xiàn)）。他們主要研究了由fNIRS獲得含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白自發(fā)低頻(小于0.1Hz)振蕩變化的時均相位差(hPod)。研究發(fā)現(xiàn)各組嬰兒的hPod值隨年齡增長均出現(xiàn)從同相模式到反相模式的發(fā)展變化，如圖3所示。早期早產(chǎn)兒與晚期早產(chǎn)兒和足月兒相比，具有不同的hPod發(fā)育模式。在相同修正胎齡(37–39 and 40–43 wk)條件下，早期早產(chǎn)兒hPod值低于足月兒，表明早期早產(chǎn)兒出生后循環(huán)過程可能有了較深的發(fā)展。然而，在出生8-13周后，早期早產(chǎn)兒的hPod值與晚期早產(chǎn)兒和足月兒相比發(fā)展較慢。這一發(fā)現(xiàn)表明，早期早產(chǎn)兒在出生第一年的前半段時間在神經(jīng)血管系統(tǒng)發(fā)育的結構或功能方面可能會發(fā)生改變[2]。
 

圖 各組hPod隨胎齡變化曲線
 

fNIRS用于嬰幼兒認知研究
 

近年來，隨著fNIRS在幼兒神經(jīng)機制研究中的應用，人們將對神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育生長最快的時期——嬰幼兒階段的人類大腦發(fā)展機制有更為深入地了解，從而使發(fā)展認知神經(jīng)科學真正能“開創(chuàng)了一個使人們更充分地理解發(fā)展的心理學和生物學的新時期”。
 

Zhang D等人（2017）使用fNIRS研究了新生兒被動聆聽恐懼、憤怒、快樂和中性韻律時的腦功能反應，以探究在生命早期情感韻律的處理方式。該研究發(fā)現(xiàn)，右側顳葉皮質（主要位于顳中回和顳上回）對于帶有情感的韻律表現(xiàn)出增強的反應，而右側頂葉區(qū)域(大致位于邊緣上回)相對于快樂和中性的韻律，對恐懼的敏感性較高。這些發(fā)現(xiàn)突出了右半球在新生兒情緒韻律知覺中的重要作用[3]。
 

圖 右側顳中回對于4種情感韻律的HbO與HbR響應曲線
 

該團隊在2019年對新生兒情感韻律處理的神經(jīng)機制做了更深一步的研究，使用fNIRS來檢測0到4天的新生兒在母語和外語中辨別語言韻律所傳達的情感的能力。結果發(fā)現(xiàn)，母語播放的快樂、恐懼和憤怒的韻律增強了右側顳上回的神經(jīng)活動相對于中性韻律，而外語則不會，如下圖。這一結果表明，對情感韻律的敏感性是通過產(chǎn)前接觸母語的聲音刺激而形成的。此外，敏感神經(jīng)關聯(lián)在新生兒中的分布比嬰兒更多，表明在新生兒期和嬰兒早期之間有較高水平的神經(jīng)專門化[4]。
 

圖 母語/外語不同情感韻律的HbO與HbR響應曲線
 

fNIRS用于注意缺陷多動障礙（ADHD）的研究
 

注意缺陷多動障礙（ADHD）在我國稱為多動癥，是兒童期常見的一類心理障礙。表現(xiàn)為與年齡和發(fā)育水平不相稱的注意力不集中和注意時間短暫、活動過度和沖動，常伴有學習困難、品行障礙和適應不良。國內(nèi)外調(diào)查發(fā)現(xiàn)患病率3%～7%，男女比為4～9比1。部分患兒成年后仍有癥狀，明顯影響患者學業(yè)、身心健康以及成年后的家庭生活和社交能力。
 

Yasumura A等人（2014）使用可以反映執(zhí)行控制受抑制的Stroop任務（ST）和反向Stroop任務（RST）評估ADHD兒童的特征。他們將三組兒童做了比較，分別為ADHD兒童、典型的發(fā)育中兒童(TDC)、自閉癥兒童(ASD)。每一位受試者在電腦上用觸控面板進行ST和RST測試時，使用fNIRS測量前額葉皮層氧合血紅蛋白的變化。3組在RST期間的行為表現(xiàn)有顯著性差異，而在ST段沒有顯著差異。結果表明，ADHD組的顏色干擾大于TDC組。此外，右側前額葉皮層活動與注意缺陷的嚴重程度呈負相關。ADHD兒童表現(xiàn)出與顏色抑制有關的一些問題，這一癥狀是由右側前額葉皮層的低活動所影響的[5]。
 

圖前額葉區(qū)HbO濃度隨時間變化曲線（左側：STR，右側：ST）
 

Gu Y等人在2018年，研究了使用fNIRS信號來對ADHD患兒與正常小孩進行分類。他們采用的實驗范式為n-back任務，采用多變量模式分析將ADHD與健康對照者進行鑒別，并通過排列試驗評價分類性能的顯著性。結果表明，在留一交叉驗證中，86.0% (p<0.001)的參與者可以被正確分類。最具識別力的腦區(qū)包括雙側背外側前額葉皮層、下內(nèi)側前額葉皮層、右后前額葉皮層和右顳葉皮層[6]。
 

fNIRS用于孤獨癥的研究
 

孤獨癥有明確的醫(yī)學界定，也稱自閉癥，又稱孤獨性障礙(autistic disorder)等，是廣泛性發(fā)育障礙(pervasive developmental disorder，PDD)的代表性疾病。主要特征是漠視情感、拒絕交流、語言發(fā)育遲滯、行為重復刻板以及活動興趣范圍的顯著局限性，一般在3歲以前就會表現(xiàn)出來。
 

自閉癥譜系障礙(ASD)兒童具有自我面部識別的特殊性，而自我面部識別是一種促進社會發(fā)展的基本認知能力。Kita Y等人在2011年使用近紅外光譜(Nirs)技術，研究了ASD患者自我面部識別受限的神經(jīng)基質及潛在影響因素。研究對象為11名健康成年男性，13名正常發(fā)育的男性和10名患有ASD的男孩。在自我面部識別過程中，觀察其額葉血流動力學活動與被試掃描策略(眼動)。父母和患者也分別對ASD嚴重程度和自我意識等因素進行評估。血氧水平在右側額葉下回較左側額葉下回高。在兩組兒童中，血氧激活水平反映了ASD的嚴重程度，較嚴重的ASD特征與較低的激活水平相對應。這些發(fā)現(xiàn)表明，右額葉下回負責自我面部識別，該區(qū)域的功能障礙是ASD特征的重要神經(jīng)基礎之一[7]。
 

圖 三組的HbO隨時間變化波形（正常成人組(紅)、正常兒童組(綠)、ASD組(藍)）
 

小結
 

由于fNIRS的非侵入性、便攜性、抗運動偽跡干擾強、時空分辨率高等優(yōu)勢，使其越來越多的被用于嬰幼兒與兒童認知神經(jīng)科學、腦功能發(fā)育、腦疾病診斷等研究。因此相信fNIRS將會在嬰幼兒及兒童的研究上有一番廣闊的天地，在腦功能領域出更多更好的成果。
 

參考文獻
 

【1】Makiko I, Hama W, Kojiro Y, Yuki K, Yoshihiko S, Shinya T, Naoto T, Gentaro T. Functional connectivity of the cortex of term and preterm infants and infants with Down's syndrome[J]. NeuroImage, 2014, 85: 272–278.

【2】Watanabe H, Shitara Y, Aoki Y, Inoue T, Tsuchida S, Takahashi N, Taga G. Hemoglobin phase of oxygenation and deoxygenation in early brain development measured using fNIRS[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2017, 114(9): E1737–E1744.

【3】Zhang D, Zhou Y, Hou X, Cui Y, Zhou C. Discrimination of emotional prosodies in human neonates: A pilot fNIRS study[J]. Neuroscience Letters, 2017, 658: 62–66.

【4】Zhang D, Chen Y, Hou X, Wu Y. Near-infrared spectroscopy reveals neural perception of vocal emotions in human neonates[J].Human Brain Mapping, 2019.

【5】Yasumura A, Kokubo N, Yamamoto H, Yasumura Y, Nakagawa E, Kaga M, Hiraki K, Inagaki M. Neurobehavioral and hemodynamic evaluation of Stroop and reverse Stroop interference in children with attention-deficit/ hyperactivity disorder[J]. Brain and Development, 2014, 36: 97-106.

【6】Gu Y, Miao S, Han J, Liang Z, Ouyang G, Yang J, Lin X. Identifying ADHD children using hemodynamic responses during a working memory task measured by functional near-infrared spectroscopy[J]. Journal of Neural Engineering, 2018, 15(3), 035005.

【7】Kita Y, Gunji A, Inoue Y, Goto T, Sakihara K, Kaga M, Inagaki M, Hosokawa T. Self-face recognition in children with autism spectrum disorders: A near-infrared spectroscopy study[J].Brain and Development, 2011, 33: 494–503