基于功能性近紅外光譜技術(shù)的兒童與成人視皮層區(qū)功能活動(dòng)研究△

張 穎 曹 寧 畢愛(ài)玲 吳曉彤 張莉唯 龔 勝 吳建峰 溫 瑩 畢宏生

隨著各種腦功能研究技術(shù)的不斷發(fā)展，視覺(jué)科學(xué)方面的研究已經(jīng)不僅僅局限于單純視覺(jué)器官結(jié)構(gòu)或功能的改變，相應(yīng)視皮層結(jié)構(gòu)或功能的改變也成為一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。視覺(jué)信息被低位的視網(wǎng)膜光感受器接受后，傳遞至高級(jí)視覺(jué)中樞，經(jīng)感知和處理可以引起視皮層的血流動(dòng)力學(xué)改變。功能性磁共振成像(fMRI)研究發(fā)現(xiàn)，初級(jí)視覺(jué)皮層的血流動(dòng)力學(xué)改變與年齡之間存在一定的相關(guān)性，給予健康年輕人與老年人同樣強(qiáng)度的視覺(jué)刺激時(shí)，老年人初級(jí)視覺(jué)皮層區(qū)域的血流動(dòng)力學(xué)改變(波幅下降)，空間激活程度降低[1-3]。Fabiani等[4]和Ward等[5]利用功能性近紅外光譜技術(shù)(fNIRS)研究發(fā)現(xiàn)，老年組受試者大腦皮層血流動(dòng)力學(xué)改變較年輕組明顯減小。而目前對(duì)于視皮層功能活動(dòng)的年齡相關(guān)性研究大多集中在年輕人與老年人之間，對(duì)兒童與成人之間腦功能變化的差異性研究報(bào)道較少。

fNIRS作為腦功能成像研究的基本手段之一，是一種非侵入性的光學(xué)神經(jīng)成像技術(shù)，可以捕捉到與神經(jīng)放電相關(guān)的血流動(dòng)力學(xué)改變[6]。近紅外光對(duì)人體組織有很強(qiáng)的穿透性，不同組織對(duì)光線(xiàn)的吸收波長(zhǎng)和吸收率也不相同。在物理層面，fNIRS利用了氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的不同光學(xué)吸收特性來(lái)檢測(cè)血液中這兩種生色基團(tuán)與神經(jīng)活動(dòng)有關(guān)的光強(qiáng)度變化。在生理水平上，神經(jīng)-血管耦合機(jī)制的特性是fNIRS檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)[7-8]。研究表明，利用fNIRS和fMRI檢測(cè)的大腦代謝活動(dòng)之間具有很好的一致性[9-10]。本研究應(yīng)用fNIRS探討兒童與成人視皮層區(qū)功能活動(dòng)的變化。

1 資料與方法

1.1 一般資料本研究共納入了46位健康志愿者。將志愿者分為兩組，其中兒童組28人，年齡為(9±3)歲；成人組18人，年齡為(23±4)歲，兩組志愿者年齡差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.000)。所有受試者裸眼視力均可達(dá)20/20(Snellen 視力表)，無(wú)斜視、弱視、屈光不正及其他眼部器質(zhì)性疾病，無(wú)精神、神經(jīng)及心理性疾病。所有受試者或受試者監(jiān)護(hù)人均簽署知情同意書(shū)，本研究已經(jīng)通過(guò)山東中醫(yī)藥大學(xué)附屬眼科醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)的審核并獲批準(zhǔn)。

1.2 視皮層區(qū)功能活動(dòng)檢測(cè)

1.2.1 視覺(jué)刺激研究表明，與其他視覺(jué)刺激任務(wù)相比，黑白翻轉(zhuǎn)棋盤(pán)格的視覺(jué)刺激產(chǎn)生的皮層活動(dòng)最為顯著[11]。因此，本研究中將黑白棋盤(pán)格翻轉(zhuǎn)作為視覺(jué)刺激任務(wù)，其黑白對(duì)比度設(shè)置為100%，翻轉(zhuǎn)頻率為2 Hz，基線(xiàn)期和休息期為均勻的黑色圖像。為了使受試者更好地集中注意力，在每個(gè)圖像的中間都設(shè)置了一個(gè)固視點(diǎn)(紅色“X”)。試驗(yàn)中所需要的視覺(jué)任務(wù)均采用E-Prime軟件編寫(xiě)生成，然后通過(guò)一臺(tái)電腦控制呈現(xiàn)。試驗(yàn)需要在安靜、昏暗的環(huán)境中進(jìn)行。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，受試者需坐在距離電腦屏幕1 m處并保持全程注視電腦屏幕正中央的紅色“X”，控制電腦按照基線(xiàn)期(30 s的黑色圖像)、刺激期(30 s的黑白棋盤(pán)格翻轉(zhuǎn))、恢復(fù)期(50 s的黑色圖像)的順序自動(dòng)播放視覺(jué)任務(wù)。試驗(yàn)過(guò)程中禁止受試者說(shuō)話(huà)或者發(fā)出動(dòng)作，可以正常呼吸與眨眼。

1.2.2 數(shù)據(jù)采集fNIRS設(shè)備采用日立ETG-4000近紅外腦功能成像儀，通過(guò)端口將fNIRS設(shè)備與呈現(xiàn)視覺(jué)任務(wù)的控制電腦進(jìn)行連接并保證在受試者接受視覺(jué)刺激時(shí)fNIRS可以同步地檢測(cè)到視皮層血紅蛋白含量的實(shí)時(shí)變化。在試驗(yàn)開(kāi)始前需要將帶有檢測(cè)探頭的檢測(cè)帽固定于受試者枕部區(qū)域，這項(xiàng)試驗(yàn)中總共采用了10個(gè)探頭以及12個(gè)通道。采用3D定位儀對(duì)每個(gè)探頭及通道進(jìn)行定位，并利用Matlab軟件對(duì)3D定位的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)概率配準(zhǔn)方法將每個(gè)通道的位置與MNI空間坐標(biāo)及對(duì)應(yīng)的大腦區(qū)域進(jìn)行配準(zhǔn)，配準(zhǔn)概率最高的區(qū)域如表1所示。通道01、02、05、06、09、10對(duì)應(yīng)大腦右半球，其中通道02、06、10對(duì)應(yīng)初級(jí)視皮層區(qū)，通道01、05、09對(duì)應(yīng)次級(jí)視皮層區(qū)；通道03、04、07、08、11、12對(duì)應(yīng)大腦左半球，其中通道03、07、11對(duì)應(yīng)初級(jí)視皮層，通道04、08、12對(duì)應(yīng)次級(jí)視皮層。由此，設(shè)置四個(gè)感興趣區(qū)域：左/右側(cè)初級(jí)視皮層和左/右側(cè)次級(jí)視皮層。

表1 MNI空間坐標(biāo)和相應(yīng)的Brodmann分區(qū)

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)學(xué)分析將fNIRS設(shè)備采集到的原始光譜數(shù)據(jù)通過(guò)Matlab(R2013b)的NIRS-SPM8工具箱進(jìn)行降噪、濾波以及基線(xiàn)校正等預(yù)處理，將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)一般線(xiàn)性模型進(jìn)行線(xiàn)性擬合[12-13]，模型方程為Y=βX+ε，Y是實(shí)際測(cè)量得到的近紅外響應(yīng)信號(hào)；X為解釋變量，由血流動(dòng)力學(xué)響應(yīng)函數(shù)卷積獲得；β是擬合度系數(shù)，它反映Y中可以被解釋變量X解釋的大?。沪疟硎卷憫?yīng)殘差，即信號(hào)響應(yīng)Y中不能被模型解釋的部分。利用一般線(xiàn)性模型進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，計(jì)算出不同條件下的β值。β值的正負(fù)代表正負(fù)相關(guān)性。

研究發(fā)現(xiàn)，氧合血紅蛋白是fNIRS檢測(cè)中對(duì)血流變化最敏感的指標(biāo)[6,14]，因此本研究中主要以氧合血紅蛋白來(lái)評(píng)估視皮層功能變化情況。將氧合血紅蛋白的數(shù)據(jù)通過(guò)Matlab軟件分析得出β值，每個(gè)通道均包括基線(xiàn)期β值和刺激期β值。利用SPSS 21.0分析軟件分別對(duì)兒童組以及成人組內(nèi)受試者單通道的基線(xiàn)期與刺激期β值進(jìn)行配對(duì)樣本t檢驗(yàn)。Δβ=β值刺激期-β值基線(xiàn)期，對(duì)兒童組與成人組受試者的Δβ值進(jìn)行組間獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)。檢驗(yàn)水準(zhǔn)：α=0.05。

2 結(jié)果

2.1 兩組受試者刺激期與基線(xiàn)期β值的比較除了兒童組中的通道12外，其余通道兩組受試者刺激期β值均顯著高于基線(xiàn)期，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均為P<0.05)，這表示在視覺(jué)刺激下這些通道均被顯著激活(表2)。根據(jù)t值以及通道的位置分布可以作出激活熱量圖(圖1)，熱量圖說(shuō)明不論是在兒童組還是成人組，黑白棋盤(pán)格翻轉(zhuǎn)視覺(jué)刺激均能引起受試者視皮層區(qū)功能活動(dòng)發(fā)生改變。

表2 兩組受試者單通道刺激期與基線(xiàn)期β值配對(duì)t檢驗(yàn)結(jié)果

圖1 視覺(jué)刺激引起的視覺(jué)皮層激活的熱量圖 A:兒童組熱量圖；B:成人組熱量圖。根據(jù)各組基線(xiàn)期和刺激期配對(duì)t檢驗(yàn)結(jié)果所繪制。右邊的顏色條對(duì)應(yīng)t值的大??；顏色越紅，t值越大，視皮層功能激活反應(yīng)越明顯。

2.2 兒童組和成人組受試者視皮層功能激活反應(yīng)程度比較兒童組受試者與視覺(jué)刺激同步的雙側(cè)初級(jí)視皮層的Δβ值均顯著高于成人組(均為P<0.05)；兒童組受試者與視覺(jué)刺激同步的雙側(cè)次級(jí)視皮層的Δβ值也均顯著高于成人組(均為P<0.05)。這些結(jié)果說(shuō)明不論是初級(jí)視皮層還是次級(jí)視皮層，兒童組受試者的視皮層功能激活反應(yīng)程度均明顯高于成人組(表3)。

3 討論

本研究的目的是利用fNIRS探討兒童與成人接受黑白棋盤(pán)格視覺(jué)刺激時(shí)的視皮層功能活動(dòng)變化。結(jié)果顯示，兩組受試者對(duì)視覺(jué)刺激都有特征性的反應(yīng)，在黑白棋盤(pán)格翻轉(zhuǎn)視覺(jué)刺激過(guò)程中氧合血紅蛋白濃度增加而脫氧血紅蛋白濃度降低，這一現(xiàn)象與之前的研究結(jié)果一致[15]。另外，兒童組與成人組比較發(fā)現(xiàn)，兒童組針對(duì)視覺(jué)任務(wù)視皮層激活的程度更高。此前一項(xiàng)關(guān)于兒童與成人閱讀任務(wù)的fMRI研究表明，兒童在紋狀體外皮質(zhì)(Brodmann 18區(qū)，Brodmann 19區(qū))的激活程度高于成人[16]，這與我們研究的部分結(jié)果相一致。

研究表明，正常兒童腦血流速度比正常成人快。因?yàn)槟X是機(jī)體的最高級(jí)神經(jīng)中樞，其功能和代謝活動(dòng)極為活躍，在組織快速生長(zhǎng)發(fā)育期，正常兒童耗氧量明顯高于正常成人，隨著年齡的增長(zhǎng)耗氧量會(huì)有所下降。于亞茹等[17]利用經(jīng)顱多普勒超聲檢測(cè)健康兒童腦血流動(dòng)力學(xué)的變化情況，在嬰兒期時(shí)腦血流速度最慢，以后隨著年齡的增長(zhǎng)會(huì)逐漸加快，至6歲左右達(dá)高峰，之后隨著年齡增長(zhǎng)呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。Biagi等[18]應(yīng)用動(dòng)脈自旋標(biāo)記技術(shù)回顧性研究了4～78歲健康人(分為兒童、青少年和成人三個(gè)年齡段)的灰質(zhì)和白質(zhì)的腦血流速度，比較三個(gè)不同年齡組發(fā)現(xiàn)，腦血流速度隨著年齡的增加而降低。此外，兒童和成人受試者之間的腦灌注量有很大的差異，在16歲左右腦血流速度會(huì)出現(xiàn)快速的下降。其他研究也支持這一結(jié)果[19-21]。Leung等[22]的研究不僅發(fā)現(xiàn)腦血流速度隨年齡呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，還發(fā)現(xiàn)大腦白質(zhì)和灰質(zhì)的腦血管反應(yīng)性在大約15歲前與年齡呈正相關(guān)，之后則隨著年齡的增長(zhǎng)而逐漸下降。因此，我們推測(cè)兒童與成人視皮層血流動(dòng)力學(xué)的差異性變化可能與腦血流速度或腦血管反應(yīng)性的年齡依賴(lài)性有關(guān)。

在兒童與青少年的發(fā)育過(guò)程中，個(gè)體大腦的生理和組織也經(jīng)歷了顯著的變化——大腦體積逐漸增加，同時(shí)產(chǎn)生了大量的神經(jīng)元、突觸和樹(shù)突棘等，因此多余的神經(jīng)元突觸連接會(huì)被系統(tǒng)性地修剪以形成更有效的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[23]。Chugani[24]研究發(fā)現(xiàn)，兒童在2～5歲時(shí)其神經(jīng)元連接的修剪率達(dá)到峰值，有近40%突觸密度損失。兒童的大腦體積和質(zhì)量在7歲時(shí)與成人幾乎相同，但其平均神經(jīng)元突觸密度明顯高于成人，大約是成人的1.4倍。成人大腦神經(jīng)元突觸密度的減少或許也是大腦視皮層功能活動(dòng)反應(yīng)程度較兒童下降的一個(gè)原因。神經(jīng)活動(dòng)的減少和血管系統(tǒng)的顯著改變可能共同導(dǎo)致了大腦視皮層功能活動(dòng)下降，對(duì)此我們希望未來(lái)可以將fNIRS與其他神經(jīng)影像學(xué)或生理學(xué)技術(shù)相結(jié)合來(lái)詳細(xì)闡明成人與兒童視皮層功能活動(dòng)差異的原因。

Kang等[25]利用BOLD-fMRI比較了兒童及成人接受刺激后大腦空間激活的差異，在左側(cè)輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)和右側(cè)感覺(jué)運(yùn)動(dòng)區(qū)，兒童的BOLD信號(hào)激活程度更高，但在視皮層區(qū)兒童與成人之間無(wú)顯著差異。這與本研究結(jié)果不太一致，我們認(rèn)為造成這種差異的原因可能與運(yùn)動(dòng)反饋的參與有關(guān)。在Kang等[25]的研究中，受試者在刺激開(kāi)始或結(jié)束時(shí)需要按下按鈕進(jìn)行反饋，而在本研究中，不論兒童還是成人均是被動(dòng)接受刺激，沒(méi)有任何需要判斷或者反饋的信息，因此本研究能夠更準(zhǔn)確地聚焦于視皮層的功能變化。同樣應(yīng)用fMRI的其他研究表明，兒童局部腦區(qū)較成人有更大的BOLD信號(hào)改變，但這些研究中涉及的腦區(qū)均與我們的研究不同[26-27]。

本研究中，我們利用fNIRS技術(shù)檢測(cè)受試者視皮層氧合血紅蛋白的變化進(jìn)而探討兒童與成人視皮層功能活動(dòng)的差異，結(jié)果表明兒童的視皮層功能活動(dòng)反應(yīng)程度要明顯高于成人，并且fNIRS作為一種無(wú)創(chuàng)的光學(xué)腦成像技術(shù)為眼科神經(jīng)系統(tǒng)的研究提供了一種新的方法。