近红外脑功能成像在婴幼儿及儿童脑功能发育与疾病...-2
fNIRS用于婴幼儿认知研究
近年来，随着fNIRS在幼儿神经机制研究中的应用，人们将对神经系统发育生长最快的时期——婴幼儿阶段的人类大脑发展机制有更为深入地了解，从而使发展认知神经科学真正能“开创了一个使人们更充分地理解发展的心理学和生物学的新时期”。
Zhang
D等人（2017）使用fNIRS研究了新生儿被动聆听恐惧、愤怒、快乐和中性韵律时的脑功能反应，以探究在生命早期情感韵律的处理方式。该研究发现，右侧颞叶皮质（主要位于颞中回和颞上回）对于带有情感的韵律表现出增强的反应，而右侧顶叶区域(大致位于边缘上回)相对于快乐和中性的韵律，对恐惧的敏感性较高。这些发现突出了右半球在新生儿情绪韵律知觉中的重要作用[3]。
图 右侧颞中回对于4种情感韵律的HbO与HbR响应曲线
该团队在2019年对新生儿情感韵律处理的神经机制做了更深一步的研究，使用fNIRS来检测0到4天的新生儿在母语和外语中辨别语言韵律所传达的情感的能力。结果发现，母语播放的快乐、恐惧和愤怒的韵律增强了右侧颞上回的神经活动相对于中性韵律，而外语则不会，如下图。这一结果表明，对情感韵律的敏感性是通过产前接触母语的声音刺激而形成的。此外，敏感神经关联在新生儿中的分布比婴儿更多，表明在新生儿期和婴儿早期之间有较高水平的神经专门化[4]。
图 母语/外语不同情感韵律的HbO与HbR响应曲线
fNIRS用于注意缺陷多动障碍（ADHD）的研究
注意缺陷多动障碍（ADHD）在我国称为多动症，是儿童期常见的一类心理障碍。表现为与年龄和发育水平不相称的注意力不集中和注意时间短暂、活动过度和冲动，常伴有学习困难、品行障碍和适应不良。国内外调查发现患病率3%～7%，男女比为4～9比1。部分患儿成年后仍有症状，明显影响患者学业、身心健康以及成年后的家庭生活和社交能力。
Yasumura
A等人（2014）使用可以反映执行控制受抑制的Stroop任务（ST）和反向Stroop任务（RST）评估ADHD儿童的特征。他们将三组儿童做了比较，分别为ADHD儿童、典型的发育中儿童(TDC)、自闭症儿童(ASD)。每一位受试者在电脑上用触控面板进行ST和RST测试时，使用fNIRS测量前额叶皮层氧合血红蛋白的变化。3组在RST期间的行为表现有显着性差异，而在ST段没有显著差异。结果表明，ADHD组的颜色干扰大于TDC组。此外，右侧前额叶皮层活动与注意缺陷的严重程度呈负相关。ADHD儿童表现出与颜色抑制有关的一些问题，这一症状是由右侧前额叶皮层的低活动所影响的[5]。
图前额叶区HbO浓度随时间变化曲线（左侧：STR，右侧：ST）
Gu
Y等人在2018年，研究了使用fNIRS信号来对ADHD患儿与正常小孩进行分类。他们采用的实验范式为n-back任务，采用多变量模式分析将ADHD与健康对照者进行鉴别，并通过排列试验评价分类性能的显着性。结果表明，在留一交叉验证中，86.0%
(p<0.001)的参与者可以被正确分类。最具识别力的脑区包括双侧背外侧前额叶皮层、下内侧前额叶皮层、右后前额叶皮层和右颞叶皮层[6]。
fNIRS用于孤独症的研究
孤独症有明确的医学界定，也称自闭症，又称孤独性障碍(autistic
disorder)等，是广泛性发育障碍(pervasive developmental
disorder，PDD)的代表性疾病。主要特征是漠视情感、拒绝交流、语言发育迟滞、行为重复刻板以及活动兴趣范围的显著局限性，一般在3岁以前就会表现出来。
自闭症谱系障碍(ASD)儿童具有自我面部识别的特殊性，而自我面部识别是一种促进社会发展的基本认知能力。Kita
Y等人在2011年使用近红外光谱(Nirs)技术，研究了ASD患者自我面部识别受限的神经基质及潜在影响因素。研究对象为11名健康成年男性，13名正常发育的男性和10名患有ASD的男孩。在自我面部识别过程中，观察其额叶血流动力学活动与被试扫描策略(眼动)。父母和患者也分别对ASD严重程度和自我意识等因素进行评估。血氧水平在右侧额叶下回较左侧额叶下回高。在两组儿童中，血氧激活水平反映了ASD的严重程度，较严重的ASD特征与较低的激活水平相对应。这些发现表明，右额叶下回负责自我面部识别，该区域的功能障碍是ASD特征的重要神经基础之一[7]。
图 三组的HbO随时间变化波形（正常成人组(红)、正常儿童组(绿)、ASD组(蓝)）
小结
由于fNIRS的非侵入性、便携性、抗运动伪迹干扰强、时空分辨率高等优势，使其越来越多的被用于婴幼儿与儿童认知神经科学、脑功能发育、脑疾病诊断等研究。因此相信fNIRS将会在婴幼儿及儿童的研究上有一番广阔的天地，在脑功能领域出更多更好的成果。
参考文献
【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
