什么是多模态功能神经影像学测量，为什么使用它们？
“整体大于部分之和。”希腊著名哲学家亚里士多德的这句名言即是多模态功能神经成像的目的。
虽然单一的功能性成像技术通常足以满足神经科学应用的需求，但许多应用却需要多种方法的组合。
多模态功能神经成像允许评估大脑活动的两个或多个互补特征，以扩展有关大脑功能和神经行为的知识。它通过将测量神经元电活动的方法（脑电图EEG或脑磁图MEG）与血流动力学活动的测量（功能性磁共振成像fMRI，正电子发射断层扫描PET或功能性近红外光谱fNIRS）相结合。
其中EEG、fNIRS 具有无创便携等特点，能够进行很好的整合，因此，在本篇文章中，我们将讨论EEG和fNIRS的同步采集的优势及应用。
什么是脑电图？
脑电图（EEG）是一种非侵入性记录脑电活动的电生理监测方法，通过放置在头皮上的多个电极，记录大脑在一段时间内自发进行的电活动。
它一方面在临床上用于诊断癫痫病、睡眠障碍、麻醉深度、昏迷、脑病和脑死亡，另一方面在实验心理学领域中作为提供大脑活动信息的一种工具，并且还是一种神经成像方法，在计算神经科学中也得到了广泛应用。
什么是fNIRS？
fNIRS 是一种新兴的脑功能成像技术，利用的是近红外光的可穿透性和吸收性，穿透头皮，肌肉和颅骨等组织，记录近红外光被吸收的强度。由刺激诱发的神经活动会使激活脑区的血流量增加，从而导致血容量增加，该现象可通过局部氧合血红蛋白（HbO）、脱氧血红蛋白（HbR）或总血红蛋白（HbT）的浓度来评估。
通常在皮层激活期间，局部HbO浓度增加，HbR浓度降低，我们使用650~950nm的近红外光进行测量，测量到光强度后，将刺激呈现期间与无刺激（基线）、控制刺激期间的光强进行比较。相对于基线的脑区激活变化称为血液动力学反应，血液动力学函数（理想状态下激活后的血液动力学反应，HRF）和测量到的神经活动存在线性关系。
为什么要进行同步？
EEG和fNIRS的信号来源不同，但具有良好的同质性，且各有优势。
EEG价格较低，时间分辨率高，信号直观，能够准确地实时显示在不同认知活动中大脑的功能活动状态；fNIRS便携性好，无噪音，无创且对受试者动作不敏感，空间分辨率高，可实现对人体大脑高级认知功能的研究。
两项技术的结合主要有以下优点：
- 两种方法在时间分辨率和空间分辨率上可以实现互补；
- EEG和fNIRS反映了潜在神经元活动密切相关的不同方面，可以提供互补的信息；
- 能够通过获取电活动以及对刺激的血流动力学来探索神经血管耦合的能力；
- 两种技术适应面广，可以从简单的视觉刺激实验到临床监测，适应人群可从婴幼儿到老年人的全覆盖；
- EEG和fNIRS都具有设备相对小巧，价格相对低廉的优势，可以整合在便携式设备上。
二者结合的应用
将EEG和fNIRS进行整合发挥二者的优势，可以准确、全面、实时地测量大脑在认知过程中的活动，实现全面、实时的脑成像分析，从而应用于认知活动研究、脑功能定位、以及情绪、认知负荷、警觉等状态监测，以及脑机接口等。
基于EEG和fNIRS的同步系统主要包括以下应用：
认知研究
EEG和fNIRS同步采集能够更好地理解大脑的激活机制和大脑皮层的认知活动，为人机交互和人因工程领域的研究发展提供有效的数据支持。
脑机接口研究
脑机交互是人机交互的终极手段，旨在帮助残疾人修复视觉、听觉等感知功能和运动功能，让正常人的工作生活更加健康高效。通过EEG-fNIRS联合，可以提高运动想象和SSVEP的识别精度和速度。
临床研究分析脑功能疾病
通过脑功能状态监测可及时判断脑疾病，利用脑电图、诱发电位、BCI、近红外等脑成像技术对大脑的功能状态进行客观定量测量，提取出实时的脑功能状态指标。而通过EEG-fNIRS联合监测，可从多角度分析大脑状态。该项技术可应用于癫痫病检测、中风患者恢复评估和手术过程中的麻醉状态实时监测等。
EEG-fNIRS系统同步方案
目前，市面上许多脑科学设备研发公司都进行了相关技术的合作开发，其中知名的近红外光谱成像技术研发公司Artinis 与其合作伙伴脑电研发公司TMSi共同开发了脑电近红外同步测试套装，将EEG和fNIRS真正无缝集成到一个系统中。
TMSi公司专门为其SAGA脑电系统打造了环形电极，使fNIRS的近红外光极探头更容易和电极一起布置，并且位置重复性更好。
组合式 NIRS-EEG 支架 |左：EEG 电极和 NIRS 光极的等距顶视图。右图：EEG 电极、NIRS 光极和 EEG 凝胶的等距底视图。
为了提供更完整的用户体验，Artinis 还重新设计了数据记录和分析软件Oxysoft，加入了NIRS-EEG 软件包，以记录与NIRS设备同步的EEG 数据。这个软件套件中结合了两种模式，可以在采集近红外数据的同时，同步采集EEG数据，两种模态数据将同步和整合在一个数据文件中。下图展示了如何在 Oxysoft 中合并 EEG 数据。
NIRS-EEG 软件包，一个 Oxysoft 扩展，用于记录与 NIRS 数据同步的 EEG 数据。
在一个平行项目中，Artinis还与西班牙脑电生产商Neuroelectrics联手推出 Starstim fNIRS，这是一种用于大脑刺激和成像的可穿戴解决方案。它将 tCS（tDCS、tACS、tRNS）、EEG 和 fNIRS 结合在一个头帽中，在进行电刺激的同时也采集大脑的活动。
这个系统允许临床医生和研究人员测量受试者的静息态和人物的大脑皮层活动以及血氧变化，包括经颅电刺激前、刺激中、刺激后的全过程。
Oxysoft 和 NIC（(Neuroelectrics Instrument Controller）软件包
如上所述，脑电图和fNIRS同步采集可以评估大脑的电活动和血流动力学，并且这两种方法都是非侵入性的，具有低成本和便携的特点。将两种信号进行同步分析，可以克服单一脑功能成像的局限性，为研究提供了更多可能性，在脑科学领域的多方位探究上向前迈进一大步。
如需获取相关解决方案，欢迎致电4006-111-556详询！
附EEG-fNIRS同步采集相关研究文献：
[1]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). https://doi.org/10.1186/s12938-022-00980-1
[2]Wei-Peng Teo, David White, Helen Macpherson, Chapter 3 – Using noninvasive methods to drive brain–computer interface (BCI): the role of electroencephalography and functional near-infrared spectroscopy in BCI, Editor(s): Pablo Diez, Smart Wheelchairs and Brain-Computer Interfaces, Academic Press, 2018, Pages 33-63, ISBN 9780128128923,https://doi.org/10.1016/B978-0-12-812892-3.00003-0.
[3]Makii Muthalib, Pierre Besson, Anirban Dutta, Mitsuhiro Hayashibe, Stephane Perrey, Chapter 24 – Neurophysiological Correlates of tDCS-Induced Modulation of Cortical Sensorimotor Networks: A Simultaneous fNIRS–EEG Study, Editor(s): Hasan Ayaz, Frédéric Dehais, Neuroergonomics, Academic Press, 2019, Pages 147-151, ISBN 9780128119266,https://doi.org/10.1016/B978-0-12-811926-6.00024-5.
[4]Rezaee, Z., Ranjan, S., Solanki, D. et al. Feasibility of combining functional near-infrared spectroscopy with electroencephalography to identify chronic stroke responders to cerebellar transcranial direct current stimulation—a computational modeling and portable neuroimaging methodological study. Cerebellum 20, 853–871 (2021). https://doi.org/10.1007/s12311-021-01249-4
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