額葉皮層的復(fù)雜性fNIRS在阿爾茨海默病和視覺空間測試中的診斷應(yīng)用

01

研究背景

視覺空間能力下降和記憶力衰退被認(rèn)為是阿爾茨海默病 (AD) 的癥狀，可以在早期階段通過臨床測試進(jìn)行評估。但是，單個測試中的表現(xiàn)通常不能診斷 AD。功能性神經(jīng)成像，例如功能性近紅外光譜 (fNIRS)，可以在生態(tài)環(huán)境中的這些測試中使用，以支持診斷。神經(jīng)影像學(xué)不應(yīng)改變允許自由醫(yī)患互動的臨床實踐。然而，標(biāo)準(zhǔn)功能神經(jīng)影像分析所必需的塊設(shè)計范式需要測試適應(yīng)。新的信號分析程序（例如，信號復(fù)雜性評估）可能有助于在不改變實驗條件的情況下建立大腦信號差異。此研究評估了在視覺空間和短期記憶能力的三個測試（時鐘繪圖測試、數(shù)字跨度測試、Corsi 塊敲擊測試）中早期 AD 和健康對照的額葉皮層的 fNIRS 復(fù)雜性（通過樣本熵度量）。
 

02

研究方法
 

2.1、實驗被試

研究共有22名有效被試，其中AD患者11人（女性4人，平均年齡72.2歲），健康對照組 11人（女性3人，平均年齡67.5歲）。
 

2.2、實驗材料

視覺刺激包含圖片刺激。
 

2.3、實驗流程

實驗任務(wù)包括時鐘繪制測試 (CDT)、數(shù)位跨度測試 (DST)、Corsi敲擊測試 (CBBT)，測試之間有休息時間。CDT 包括向患者展示一張 A4 大小的空白紙，并要求畫一個帶有代表時鐘的數(shù)字的圓圈。最后，患者被要求在特定時間繪制時鐘指針。DST中要求患者以 1 秒的速度重復(fù)由檢查員口頭呈現(xiàn)的一系列長度增加（從兩個開始）的數(shù)字。如果參與者無法重復(fù)該序列，則披露另一個相同長度的序列。當(dāng)參與者無法準(zhǔn)確重復(fù)相同長度的兩個系列時，測試停止。在 CBTT 中，醫(yī)生連續(xù)敲擊位于木板上的越來越多的立方體（從兩個開始）（圖 1a），其順序必須被患者記住。用食指以每秒 1 個立方體的速度觸摸立方體。參與者必須在醫(yī)生之后立即以相同的順序點擊立方體序列。

圖1. 實驗任務(wù)流程。

2.4 數(shù)據(jù)采集和處理

實驗采用商業(yè)頻域近紅外光譜儀（Imagent，ISS Inc.，Champaign，Illinois）。該儀器由 32 個激光二極管光源、16 個發(fā)射 690 nm 的光和 16 個 830 nm 的光以及 4 個光電倍增管 (PMT) 組成。光調(diào)制頻率為 110 MHz，而 PMT 調(diào)制頻率為 110.005 MHz。在測試期間對源采用了時間復(fù)用（開關(guān)模式：16；采樣頻率：10 Hz）。紅外燈光纖位于額葉和前額葉區(qū)域。適用于 NIRS 的 EEG 頭盔放置探測器和源的分布見圖1a。將所有被試的channel分布在MNI空間顯示見圖2。

圖2. 探測器channel在MNI空間內(nèi)的分布。

03

研究結(jié)果

總體上，CDT階段AD和健康對照組顯示出了顯著差別。單獨channel的統(tǒng)計比較地圖如圖3所示。樣本熵 (SampEn)和多尺度熵 (MSE)作為復(fù)雜性的度量。CDT和DST采用SampEn，CBTT采用MSE。

圖3. 不同任務(wù)階段的不同channel的統(tǒng)計比較地圖。

04

實驗結(jié)論

基于通道的fNIRS復(fù)雜性分析揭示了AD 誘導(dǎo)的 BA 9,10 和 46 中方向不均勻的變化。基于多元線性回歸的 fNIRS 任務(wù)相關(guān)復(fù)雜性的多變量分析提供了對 AD 的良好特異性和敏感性。將該結(jié)果與在三個測試 (CDT) 之一中預(yù)測 AD 的測試性能進(jìn)行比較。這些發(fā)現(xiàn)雖然是初步的，但似乎證實了 AD 可能導(dǎo)致腦電活動和神經(jīng)血管耦合失調(diào)的假設(shè)，這種失調(diào)可能比明顯的行為障礙更早出現(xiàn)。此實驗結(jié)果證明了 fNIRS 和復(fù)雜性指標(biāo)支持早期 AD 診斷的能力。

Perpetuini, D., Chiarelli, A.M., Cardone, D., Filippini, C., Bucco, R., Zito, M. and Merla, A., 2019. Complexity of frontal cortex fNIRS can support Alzheimer disease diagnosis in memory and visuo-spatial tests. Entropy, 21(1), pp.1-13.

DOI: 10.3390/e21010026