功能性近紅外光譜技術(shù)在利手、非利手主動(dòng)抓握-釋放任務(wù)下腦區(qū)激活研究中的應(yīng)用

李晁金子，黃富表，杜曉霞，張豪杰，張通

1.首都醫(yī)科大學(xué)康復(fù)醫(yī)學(xué)院，北京市 100068；2.中國(guó)康復(fù)研究中心北京博愛醫(yī)院，a.神經(jīng)康復(fù)科；b.作業(yè)療法科，北京市 100068

功能性近紅外光譜技術(shù)(functional near-infrared spectroscopy,fNIRS)是一項(xiàng)新的無(wú)創(chuàng)腦功能成像技術(shù)，在近二十年內(nèi)快速發(fā)展[1]。在神經(jīng)科學(xué)方面，fNIRS的應(yīng)用涉及阿爾茨海默病、癡呆、抑郁、癲癇、帕金森病、腦卒中康復(fù)等多個(gè)方面[2-4]，具有時(shí)間分辨率高、成本低、便攜、操作相對(duì)簡(jiǎn)單等多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)[5]，特別是當(dāng)功能磁共振、腦電圖等技術(shù)受金屬植入物或電脈沖影響無(wú)法實(shí)施時(shí)，提供了一種良好的補(bǔ)充，有很高的臨床應(yīng)用潛力[6-7]。

目前健康人在不同運(yùn)動(dòng)模式下的腦活動(dòng)已有較多功能磁共振研究[8-9]，認(rèn)為手主動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，腦區(qū)激活多集中于感覺運(yùn)動(dòng)區(qū)(sensorimotor cortex,SMC)、運(yùn)動(dòng)前區(qū)(premotor cortex,PMC)、輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)(supplementary motor area,SMA)和小腦等，這些區(qū)域被定義為手運(yùn)動(dòng)任務(wù)相關(guān)的感興趣區(qū)(region of interest,ROI)[10]。

本研究采用fNIRS，觀察右利手健康人在執(zhí)行主動(dòng)抓握-釋放握力器任務(wù)下，利手、非利手運(yùn)動(dòng)時(shí)SMC、PMC 的激活模式，并探討近紅外數(shù)據(jù)處理方法。

1 對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

2019年8月至12月，在北京市豐臺(tái)區(qū)公開招募右利手健康人15 例，其中男性9 例，女性6 例；年齡24～75 歲，平均(46.00±17.68)歲；均無(wú)神經(jīng)系統(tǒng)疾?。桓鶕?jù)Edinburgh利手調(diào)查[11]判定為右利手。

本研究經(jīng)中國(guó)康復(fù)研究中心醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)審查批準(zhǔn)(No.2019-112-1)，并在醫(yī)學(xué)研究登記備案信息系統(tǒng)進(jìn)行登記(No.MR-11-21-009751)。

1.2 方法

1.2.1運(yùn)動(dòng)任務(wù)

采集前，受試者在坐位、閉眼、清醒狀態(tài)下完成fNIRS檢查，檢查時(shí)雙手放在膝上，上臂和軀干放松，避免頭部運(yùn)動(dòng)。

隨后受試者借助聽覺節(jié)拍器，以穩(wěn)定的速度，在15 s 內(nèi)用左手或右手重復(fù)抓握-釋放88.8 N 握力器5次。采用Block 設(shè)計(jì)：開始前預(yù)掃描10 s 以獲取矯正圖像；然后休息30 s，不用于統(tǒng)計(jì)分析；之后左手重復(fù)運(yùn)動(dòng)15 s，休息30 s，連續(xù)5 個(gè)周期；再休息60 s，換右手完成相同任務(wù)過程。

受試者在使用單手執(zhí)行抓握-釋放任務(wù)的過程中避免除運(yùn)動(dòng)任務(wù)所需的其他動(dòng)作，同時(shí)這一過程由實(shí)驗(yàn)者監(jiān)測(cè)和視頻記錄。

1.2.2數(shù)據(jù)采集

采用ETG-4100 48通道近紅外腦功能成像儀(日立公司)，波長(zhǎng)695 nm 和830 nm 的近紅外光由光纖束引導(dǎo)至大腦，采樣率10 Hz，測(cè)量氧合血紅蛋白(oxyhemoglobin,O2Hb)和脫氧血紅蛋白(deoxyhemoglobin,Dex-O2Hb)濃度。4×4 陣列探頭2 塊，覆蓋于雙側(cè)ROI相應(yīng)的頭皮上，每塊探頭包括8 個(gè)發(fā)射光纖和8 個(gè)接收光纖，間距3 cm，可監(jiān)測(cè)9×9 cm矩形范圍[12]。

參考腦電國(guó)際10-20 系統(tǒng)的Cz、C3、C4、F3 和F4 位置，確保探頭覆蓋6 個(gè)ROI[13]，即雙側(cè)SMC、PMC 和前額葉皮質(zhì)(prefontal cortex,PFC)。采用3D 定位筆在標(biāo)準(zhǔn)化腦上標(biāo)記每個(gè)探頭的準(zhǔn)確位置[14]，采用MATLAB 工具箱中NIRS-SPM 工具將這些坐標(biāo)在蒙特利爾神經(jīng)研究空間(Montreal Neurological Institute,MNI)轉(zhuǎn)換為48個(gè)通道位置，建立3D通道分布圖[15](圖1)。根據(jù)平均MNI 坐標(biāo)和Brodmann 分區(qū)對(duì)應(yīng)關(guān)系，6個(gè)ROI 區(qū)被以下通道覆蓋：左SMC 包括通道4、5、6、8、9 (C3 兩側(cè))；右SMC 區(qū)包括通道25、29、32、36、39(C4兩側(cè))；左PMC 包括通道11、12、13、15、16；右PMC 包括通道26、30、33、37、40；左PFC包括通道18、19、20、22、23；右PFC 包括通道27、31、34、38、41。

1.2.3數(shù)據(jù)處理

采用SPM-HOMER軟件包進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。手動(dòng)標(biāo)記原始數(shù)據(jù)有明顯運(yùn)動(dòng)偽影或通道損壞部分，并行偽跡檢測(cè)和矯正。應(yīng)用0.01～0.1 Hz帶通濾波消除由于心跳(0.8～2.0 Hz)、呼吸(0.1～0.33 Hz)和Meyer 波(0.1 Hz 或更低)引起的干擾[16-17]。將光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為O2Hb 和Dex-O2Hb 濃度。采用NIRS-SPM 軟件包去線性漂移、一般線性回歸模型(general linear regression model,GLM)擬合，根據(jù)任務(wù)期O2Hb 和Dex-O2Hb 濃度變化估算非利手任務(wù)(左)和利手任務(wù)(右)下的β值；基于小波描述長(zhǎng)度(wavelet-minimum description length,MDL)校正信號(hào)失真。根據(jù)β 值計(jì)算T 統(tǒng)計(jì)圖檢驗(yàn)平均O2Hb和Dex-O2Hb濃度變化的顯著性，繪制通道激活圖。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 19.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。左手任務(wù)和右手任務(wù)下β 值與基線值(β=0)行t檢驗(yàn)，明確激活通道，激活通道定義為相對(duì)于基線有顯著性差異的通道，分別取5個(gè)Block任務(wù)期和休息期激活通道β值的平均值用于統(tǒng)計(jì)分析。兩個(gè)任務(wù)下同一通道的差異采用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)；兩個(gè)任務(wù)同一腦區(qū)的差異采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)。顯著性水平α=0.05。

2 結(jié)果

2.1 根據(jù)O2Hb分析

2.1.1激活通道

右手任務(wù)顯著激活通道46 個(gè)，其中左側(cè)23 個(gè)，右側(cè)23 個(gè)；未激活通道為通道21、31。左手任務(wù)顯著激活通道45 個(gè)，其中左側(cè)22，右側(cè)23，未激活通道為通道18、21、31。見圖2。

圖2 運(yùn)動(dòng)任務(wù)下O2Hb濃度估算的激活腦區(qū)

2.1.2利手-非利手比較

β值雙手間有顯著性差異的通道9個(gè)，涉及3個(gè)腦區(qū)：左SMC (通道4、5、8、9)、左PMC (通道12、13)、右SMC(通道29、32、36)。

右手任務(wù)下，左SMC平均β值更高(P＜0.05)，左側(cè)PMC 平均β 值與左手任務(wù)無(wú)顯著性差異(P＞0.05)。左手任務(wù)下，右側(cè)SMC 平均β 值更高(P＜0.05)。見表1。

表1 運(yùn)動(dòng)任務(wù)下根據(jù)O2Hb濃度估算的β值(mol/L)

2.2 根據(jù)Dex-O2Hb分析

2.2.1激活通道

右手任務(wù)顯著激活通道29 個(gè)，其中左側(cè)15 個(gè)，右側(cè)14 個(gè)；未激活通道為通道7、10、14、17、18、20、21、22、24、25、31、33、38、42、44、45、46、47、48。左手任務(wù)顯著激活通道29個(gè)，其中左側(cè)13 個(gè)，右側(cè)16 個(gè)，未激活通道為通道7、14、16、17、18、19、20、21、22、23、24、31、34、42、44、45、46、47、48。見圖3。

圖3 運(yùn)動(dòng)任務(wù)下Dex-O2Hb濃度估算的激活腦區(qū)

2.2.2利手-非利手比較

圖1 健康人腦3D通道分布

β 值雙手間有顯著性差異的通道10 個(gè)，涉及4 個(gè)腦區(qū)：左SMC (通道1、4、5、8、9)、左PMC (通道12)、右PMC (通道26)、右SMC(通道32、36、38)。右手任務(wù)下，左SMC平均β值更高(P＜0.05)；左手任務(wù)下，右SMC 平均β 值與右手任務(wù)顯著性差異(P＞0.05)。右手任務(wù)下左PMC (通道12)和右PMC (通道26)β值更高(P＜0.05)，但僅有單一通道激活，不能進(jìn)行腦區(qū)水平比較。見表2。

表2 運(yùn)動(dòng)任務(wù)下根據(jù)Dex-O2Hb濃度估算的β值(mol/L)

3 討論

本研究采用fNIRS 及NIRS-SPM 軟件分析利手和非利手執(zhí)行復(fù)雜運(yùn)動(dòng)任務(wù)時(shí)，雙側(cè)SMC、PMC 的激活特點(diǎn)，結(jié)果顯示，無(wú)論根據(jù)O2Hb 或Dex-O2Hb 分析，均可獲得雙側(cè)手運(yùn)動(dòng)相關(guān)ROI(SMC、PMC)的激活圖像。根據(jù)O2Hb 分析，利手運(yùn)動(dòng)下雙側(cè)激活通道數(shù)相同，非利手運(yùn)動(dòng)下對(duì)側(cè)激活通道更多，對(duì)側(cè)SMC激活程度更高。根據(jù)Dex-O2Hb 分析，利手運(yùn)動(dòng)下對(duì)側(cè)激活通道更多，對(duì)側(cè)SMC 激活程度更高，且在通道12 (對(duì)側(cè)PMC)和通道26 (同側(cè)PMC)激活更強(qiáng)；非利手運(yùn)動(dòng)時(shí)，各通道激活水平均無(wú)顯著性差異。提示根據(jù)O2Hb分析更為敏感。

fNIRS 的生理學(xué)基礎(chǔ)是神經(jīng)-血管耦聯(lián)機(jī)制：血紅蛋白含氧量不同，組織對(duì)光譜的吸收不同；檢測(cè)大腦血氧濃度變化，可間接了解腦血流動(dòng)力學(xué)[18-19]。采用fNIRS 監(jiān)測(cè)血流動(dòng)力學(xué)的參數(shù)包括O2Hb、Dex-O2Hb和總血紅蛋白濃度，刺激任務(wù)中，O2Hb 濃度增加，總血紅蛋白濃度增加，Dex-O2Hb 濃度減少。研究顯示[20]，O2Hb最為敏感。與本研究結(jié)論一致。

采用fNIRS 分析上肢和手運(yùn)動(dòng)時(shí)腦區(qū)激活的機(jī)制研究，早期多集中于簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)刺激，如手指敲擊任務(wù)、手指彎曲任務(wù)、對(duì)指任務(wù)、拇指對(duì)掌任務(wù)等，發(fā)現(xiàn)利手簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)側(cè)初級(jí)運(yùn)動(dòng)區(qū)(primary motorcortex,M1 區(qū))激活，激活區(qū)域較非利手范圍小[21]。近年來，針對(duì)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)任務(wù)刺激的研究逐漸增多，如持筷任務(wù)[22]。復(fù)雜運(yùn)動(dòng)刺激涉及的ROI 有M1、SMC、PMC 等，其中雙側(cè)SMC 激活與動(dòng)作啟動(dòng)、調(diào)控有關(guān)；此外，前額葉負(fù)責(zé)更高水平的信息處理，如運(yùn)動(dòng)的判斷、計(jì)劃、糾錯(cuò)等。本研究采用的主動(dòng)抓握-釋放握力器任務(wù)為復(fù)雜運(yùn)動(dòng)任務(wù)模式，研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)時(shí)雙側(cè)PMC、SMC 激活，與簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)時(shí)腦區(qū)激活不同，與早期復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的研究一致[23]。

由于雙側(cè)大腦半球在解剖和功能上具有不對(duì)稱性，利手或非利手完成同一運(yùn)動(dòng)任務(wù)時(shí)，雙側(cè)腦區(qū)激活有差異。本研究顯示，利手或非利手執(zhí)行抓握-釋放握力器任務(wù)時(shí)，均出現(xiàn)雙側(cè)SMC 和PMC 激活，對(duì)側(cè)SMC 和PMC 激活更強(qiáng)；利手任務(wù)下，對(duì)側(cè)SMC 激活較非利手任務(wù)更強(qiáng)，這與此前的研究并不完全一致[22]。提示執(zhí)行這一運(yùn)動(dòng)任務(wù)時(shí)，出現(xiàn)與執(zhí)行簡(jiǎn)單任務(wù)時(shí)相似的對(duì)側(cè)腦區(qū)激活更強(qiáng)，但同時(shí)又包含復(fù)雜運(yùn)動(dòng)模式下腦區(qū)激活的特點(diǎn)，即雙側(cè)SMC 和PMC 參與完成。出現(xiàn)這一結(jié)果的原因考慮樣本量小、不同運(yùn)動(dòng)任務(wù)影響等，有待進(jìn)一步研究。

目前應(yīng)用fNIRS 采用的任務(wù)沒有統(tǒng)一模式和標(biāo)準(zhǔn)，刺激類型、持續(xù)時(shí)間、刺激強(qiáng)度均可引起不同血流動(dòng)力學(xué)改變[24]，可通過改變?nèi)蝿?wù)的頻率[25]、強(qiáng)度[26-27]和復(fù)雜性[28-29]進(jìn)行調(diào)節(jié)，研究中應(yīng)注意不同任務(wù)對(duì)結(jié)果的影響。本研究缺乏其他指標(biāo)的對(duì)比，如潛伏期、峰值[2]等。

進(jìn)一步研究可關(guān)注健康人和腦卒中患者腦網(wǎng)絡(luò)或腦區(qū)間的功能連接方面[30]；可在通道水平進(jìn)行其他指標(biāo)分析；比較腦卒中患者與健康人腦激活的差異，進(jìn)行療效評(píng)估和機(jī)制研究。

利益沖突聲明：所有作者聲明不存在利益沖突。