当代科学技术的进步为我们提供了全新的方式来理解和研究人类大脑，其中一项引人注目的功能性近红外光谱成像（fNIRS）技术，它能够无创地测量脑部活动的血氧变化，为我们揭示大脑的奥秘。近年来，fNIRS在各个领域都取得了显著的进展和广泛的应用。
Artinis是一家专注于fNIRS设备和解决方案的公司，提供一系列先进的fNIRS设备，如Brite、OxyMon、PortaLite、OctaMon等。这些设备具有高精度、便携性和易于使用的特点，适用于多个应用领域和研究目的。
本期文章将分享Artinis近红外脑成像系统在不同领域的最新研究案例，包括大脑皮层研究、临床与康复应用、高海拔低氧环境研究、运动科学研究，以及与虚拟现实等技术结合等。通过这些案例，希望能使大家进一步了解fNIRS技术的发展及Artinis不同设备型号的适用范围。
2022年artinis大脑研究设备论文发表统计
01 大脑皮层研究
近年发表的关于大脑皮层研究的应用主要分为三个领域：认知神经科学、应用神经科学和临床神经科学。由于后面的段落我们将介绍临床和康复的研究，因此下面将重点关注认知研究。
前额叶皮层–认知研究
认知研究涵盖了使用fNIRS进行认知训练、运动干预和心理负荷等研究应用。
Frutueux[1]等人使用OxyMon台式近红外脑成像系统测试前额叶在进行N-back任务和随机数生成任务时的认知负荷对脑活动的影响，研究结果表明，前额叶皮层的血流动力学活动与心理负荷呈正相关。
( A ) 一名参与者额头上的光极设置 ( B ) 实验过程示意图
为了研究定制认知训练对前额叶皮层神经效率的影响，Jeun[2]等人首先开发了一个算法，基于在不同认知任务中使用OctaMon便携式fNIRS系统测量的前额叶fNIRS信号，预测被试的认知任务表现水平。接着，被试参与基于虚拟现实的空间认知训练，训练难度根据个体定制。前额叶脑区的血流动力学活动和TMT连线测验（Trail Making Test）表现被用作研究定制认知训练对神经效率的影响的指标。结果显示，被试在TMT连线测验中的表现显著提高，并且前额叶脑活动显著减少。研究结果预示个性化认知训练可以增强神经效率。
运动皮层
Bonnal[3]等人在步行任务中使用Brite便携式脑成像系统进行研究。测试健康参与者在外骨骼的协助下行走时皮层运动区域的氧合血红蛋白（O2Hb）和脱氧血红蛋白（HHb）的变化。为了研究运动激活是否受到体力和力量的影响，研究人员调整了外骨骼的辅助程度，共设置了4个水平。O2Hb的变化在不同辅助作用下呈现出显著差异。这些发现表明，涉及运动控制的大脑区域的激活水平与产生的体力负荷量相关，同时对于机器人介导的步态训练的康复研究也具有重要意义。
( a ) 穿戴外骨骼行走的参与者；( b ) 具有运动范围的机械设计
02 临床和康复
在临床研究中，fNIRS可以用于研究不同疾病对大脑的影响、疾病产生的潜在原因，以及不同治疗手段和康复的效果。
Ding[4]等人使用PortaLite便携式脑成像系统在被试的前额叶皮层上进行了fNIRS测量，评估了跑步机训练对帕金森患者运动能力和步态改善的影响，并将帕金森病患者在进行跑步机训练前后的大脑连接和活动效果与健康对照组进行了比较。
在Du[5]等人进行的疼痛管理研究中，对经皮神经电刺激（transcutaneous electrical nerve stimulation,TENS）作为治疗肌筋膜疼痛综合征的疗法进行了评估。研究者将被试随机分配到实验组（接受TENS治疗）和对照组，并使用Brite便携式脑成像设备测量干预前后的fNIRS信号。结果显示，在实验组中，与疼痛知觉相关的大脑皮层区域的脑活动显著降低，这表明TENS对慢性疼痛患者的疼痛具有缓解效果。
03 高海拔低氧环境下研究
在较高海拔地区，由于海拔的升高，大气中的氧气浓度会减少，导致人们暴露在低氧环境中，大脑受到低氧环境的影响导致脑氧合降低，这可能会影响认知功能、运动控制以及其他大脑活动。
通过使用NIRS技术，可以非侵入性地测量大脑和肌肉组织中的氧合血红蛋白（O2Hb）和脱氧血红蛋白（HHb）的相对变化。这种技术可以帮助研究人员了解在高海拔环境下，人体的氧合状况以及相关生理和生物学变化。这些研究有助于增进对高海拔生理适应性、运动能力和认知功能的理解，以及在高海拔地区的医疗和健康管理方面的应用。
Rosales[6]等人使用OxyMon系统，测量前额皮层、运动皮层和肌肉（髂外侧肌）的NIRS信号，研究了急性常压和低压低氧对人体生理的影响。研究结果表明，在所有条件下，运动时肌肉氧合减少，HHb增加。与海平面相比，在高海拔低氧条件下，脑氧合较低。
04 运动科学研究
fNIRS在运动科学中的应用有助于评估运动耐力、监测训练过程、促进康复和优化运动表现。通过了解大脑和肌肉组织的氧合变化，可以更好地理解运动的生理和认知效应，并为个体的训练和康复提供个性化的指导。
近一年内，Artinis的便携式fNIRS设备PortaLite、OctaMon和Brite均被用于多项运动科学研究。如Sathe等人使用Brite设备测量了从事体育运动和平时几乎不运动的年轻人在动态平衡测试中前额叶皮层的氧合情况。研究结果显示，运动组的表现明显优于非运动组，这种差异也在前额叶皮层激活区域的活化差异中可见。
05 多模态研究
fNIRS可以与其他技术结合使用，例如脑电图（EEG）或经颅电刺激（tES），以获得更全面的脑活动数据，有助于深入理解脑功能和认知过程，并为治疗和干预策略的开发和优化提供支持。在2022年，共发表了四篇结合fNIRS与其他技术结合进行多模态研究的研究论文，其中两篇是fNIRS与EEG的结合，另外两篇是fNIRS与tES的结合。
fNIRS和EEG提供了互补的信息，可以用于改善机器学习算法在认知或情绪状态检测中的性能。Chu[7]等人旨在利用64通道EEG和2通道fNIRS检测心理负荷。参与者随机执行不同难度水平的MATB（Multi-Attribute Task Battery）任务。
研究人员计算了HHb（脱氧血红蛋白）以及O2Hb（氧合血红蛋白）与EEG频带功率之间的相关性，并将这些相关性指标与EEG功率谱特征一起作为特征集合，以检测心理负荷的程度。接着使用特征选择来最小化EEG通道的数量，以实现简约且灵活的设置。
最终结果显示，增加EEG通道的数量在一定程度上能够提高分类准确性。此外，随着任务难度增加，EEG的θ频带功率和前额叶区域的O2Hb浓度增加，而HHb浓度减少。
06 虚拟现实研究
fNIRS越来越多地被用于测量虚拟现实（VR）实验期间的脑活动，如临床和心理研究中的测试治疗和暴露疗法，以及发展和认知研究等。
De With[8]等人使用fNIRS技术结合虚拟现实情境来检测焦虑障碍患者及对照组的恐惧水平，使用Brite便携式脑成像监测系统测量被试前额叶的激活情况。组间分析结果显示，在面对恐惧和无恐惧情境时，两组之间存在显著差异，焦虑实验组的反应强度高于对照组。
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参考文献：
[1]Agbangla NF, Audiffren M, Pylouster J, Albinet CT. Load-Dependent Prefrontal Cortex Activation Assessed by Continuous-Wave Near-Infrared Spectroscopy during Two Executive Tasks with Three Cognitive Loads in Young Adults. Brain Sciences. 2022; 12(11):1462.
[2]Jeun YJ, Nam Y, Lee SA, Park J-H. Effects of Personalized Cognitive Training with the Machine Learning Algorithm on Neural Efficiency in Healthy Younger Adults. International Journal of Environmental Research and Public Health. 2022; 19(20):13044.
[3]Bonnal J, Monnet F, Le B-T, Pila O, Grosmaire A-G, Ozsancak C, Duret C, Auzou P. Relation between Cortical Activation and Effort during Robot-Mediated Walking in Healthy People: A Functional Near-Infrared Spectroscopy Neuroimaging Study (fNIRS). Sensors. 2022; 22(15):5542.
[4]Ding, H., Droby, A., Anwar, A.R. et al. Treadmill training in Parkinson’s disease is underpinned by the interregional connectivity in cortical-subcortical network. npj Parkinsons Dis. 8, 153 (2022).
[5]Jiahao Du, PhD and others, Analgesic Electrical Stimulation Combined with Wrist-Ankle Acupuncture Reduces the Cortical Response to Pain in Patients with Myofasciitis: A Randomized Clinical Trial, Pain Medicine, Volume 24, Issue 3, March 2023, Pages 351–361.
[6]Rosales, A.M., Shute, R.J., Hailes, W.S. et al. Independent effects of acute normobaric hypoxia and hypobaric hypoxia on human physiology. Sci Rep 12, 19570 (2022).
[7]Chu, H., Cao, Y., Jiang, J. et al. Optimized electroencephalogram and functional near-infrared spectroscopy-based mental workload detection method for practical applications. BioMed Eng OnLine 21, 9 (2022).
[8]de With LA, Thammasan N and Poel M (2022) Detecting Fear of Heights Response to a Virtual Reality Environment Using Functional Near-Infrared Spectroscopy. Front. Comput. Sci. 3:652550.
