卷第第期光学学报年月 ! 文章编号视觉非随意注意的近红外脑功能成像技术与事件相关脑电位检测技术研究‘铭龚辉“李婷李黎杜鹏骆清华中科技大学生物医学光子学教育部重点实验室武汉光电国家实验室筹武汉摘要近红外脑功能成像技术是近年来发展起来的新技术与心理学研究常用的事件相关脑电位检测技术相比能提供电生理信号之外的与脑功能活动相关的血液动力学信息后对两种技术检测的结果进行处理和比较分析额叶与其相关设计了非随意注意的经典范式对同一组被试者分别使用近红外脑功能成像技术和事件相关脑电位检测技术检测其在实验过程中脑活动变化然结果发现近红外脑功能成像技术测出的非随意注意源定位在前脑电皮层分布一致甚至近红外脑功能成像技术测出的源定位范围可以缩小到区血液激活先于并在完成后显著增强的现象支持深入研究脑机理的可能性因此近红外脑功能成像技术可有效地应用于脑的高级功能研究关键词医用光学血液动力学非随意注意近红外脑功能成像事件相关脑电位检测技术中图分类号文献标识码侧进￡们 ! 军乙。七勺叭压。州威呱乙 几。乙月公械卿, 界尹卜勺俪亡拍俪卿艺亡军留邝乞晚配耐 酬 !∀#∃%%∀ ∋() #∋∋ %∋(% & 引言‘j4泛的好评[〕近红外脑功能成像技术(f[NIRI)活动过程中的脑皮层血氧代谢信息白浓度变化se(△[oxyHb])能提供脑功能含氧血红蛋△本实验室已经研制出基于连续光的便j可对脑的高级功能5携式近红外脑功能成像器[tot-Hb〕deox犷Hb〕)和血容(△仁)[2「—度变化(脱氧血红蛋白浓前额叶激活血液变化信息进行灵敏检测并在.〕6应用于语言研究中取得一些有意义的结果[区—’」是近年来发展目前研究者们普遍采用事件相关脑电位检测起来的新技术具有价格低廉可便携实时非侵人测量等特性已经在脑研究和临床检测中得到越来越广‘(ERP)技术成熟应用最为广泛通常被当作脑功能研究的金标—在各种脑功能成像技术中发展最为国家自然科学基金(3007026100资助课题作者简介导师简介::李婷(1983一)女湖北薪春人博士研究生主要从事认知功能成像的研究骆清铭(1966一)男教授博士生导师主要从事生物医学光子学的研究通信联系人:收稿日期2006。n0收到修改稿日期:0026~11光学27卷准叫的结果认为典型波P3a是刺激物获得注意资源的.”」即非随意注意的功能区伴随着较强的0标志L1a当究者们深人研非随意注意时通3P研究常把—来研究非随意注意仁」并且取得了有意义,前24h内没有服用任何镇静剂或精神类药物被试者均为右利手且视力或矫正视力正常件相关脑电位检测技术检测脑电用近红;外脑功能成像技术检测前额叶血氧代谢变化用事所有被试的近红前额叶作为焦点但由于其复杂性仅依靠皮层脑电信息难以深人研究迫切需要从多方面获取前额叶的激活信息外脑功能成像和事件相关脑电位检测数据有效而且行为参量正确率接近10%实验材料及实验程序on软setinta刺激由Pre件控制刺激物为单个正三角图形(非靶刺激)单个倒三角图形(靶刺激)或无近几年一些研究者使用功能核磁共)来研究心理学但是由于其环境的抑振技术“MRI制性尤其在用于非随意注意研究中会引起难以避免的脑功能活动干扰而近红外脑功能成像技术不规则的线条图案(新异刺激;图案各不相同)以黑色会给被试者带来不舒适的感觉适合于非随意注意的研究激活活脑功能活动时近红外脑功能成像技术可背景白色线条呈现于显示器(亮度60。d/耐).三角形边长均为69。m实验时个新异刺激0以检测出血氧供应增强引起的△[。xy和血容正〕。个靶刺激和140个非靶刺激伪随机呈现靶刺—下降(当活动较强时也可能引起[deoxy〕—升高)本文尝试使用近红外脑功能成像技术和事显著升高及耗氧引起的[deoxy负激激或新异刺激连续出现次数不超过两次刺激呈现时IJ为100ms刺激间隔(SOA)为900一1100msb件相关脑电位检测技术分别检测非随意注意实验中被试的脑功能活动变化通过结果的比较分析探讨近红外脑功能成像技术在脑的高级功能研究中的有被试者平视前方约120。m的显示屏中心垂..0直视角30水平视角32要求被试者对靶刺激随机尽快准确地按键对其他刺激不反应按键的被试人数基本一致使用左右手效性血氧代谢记录.21方被试者法采用本实验室研制的便携式连续光16导近红外脑功能成像仪器困如图1所示记录16导三波长735nm的出射光强变化信号用00女)自愿参加本实验.(实验前被试者签署知情同意声明)年龄为况6士...18岁受教育程度年限为168士12年所有被5名健康大学生(18男弹性纺织带将柔性探头绑缚于被试者前额上探头下侧与眉毛上侧齐平中线位于人脑矢状面左右对称同时记录光信号数据与行为数据实验数据存试者均未患过精神类疾病或严重躯体损伤在实验入硬盘图1便携式连续光16导近红外脑功能成像器实物图(左)及近红外脑功能成像器探头使用示例(右).Fig1Pietureof16血氧代谢数据分析Hb〕△[tot第二步用邻近两个数值的均值平使用本实验室编写的近红外脑功能成像技术数据处理软件对所有连续的近红外脑功能成像技术记录进行离线分析r伯(Be首先使用基于血模型和比尔一朗定律的算法将光强变化数据转换衡奇异值(由于被试者前额肌肉突然运动造成幅度o第三步用主成过大的抖动或者算法溢出造成的)rneaeoonentanalysis方法消份分析(piiplmp除各种干扰或生理噪声(如心脏或脉搏搏动呼吸等为血液参量变化数据如△[deox犷Hb]△「。xy对血液变化的影响)提取前额叶血液动力学变化信期李婷等:视觉非随意注意的近红外脑功能成像技术与事件相关脑电位检测技术研究息第四步用静息时段的测量数据进行基线校准.an43软件对EEG原始数据进行离线分析使用Sc使用5点汉宁窗对数据曲线进行平滑滤波第五步-de提取实验过程中各被试者在各通道的△「oxy△[tHb]△[。xyot曲线的平稳时段的幅先删除坏数据再依次消除眼电干扰脑电分段基线校准伪迹剔除加平均并使用30然后按照刺激种类进行分类叠Hz无相移低通数字滤波器对所值最后对同一通道所有被试者的平稳变化幅值进行叠加平均并参考16个通道对应前额叶的位置将幅值强度分布转化为三种参量的变化强度分布图像有平均文件进行平滑滤波刺激等的P3a皮层分布等最后得到新异刺激靶脑电记录及数据分析采用NeuroseanSynAmps72导脑电记录系3.1结果与讨能源定位分析被试者前额叶皮层的血液激活分布以不同的电极帽记录32导脑电统(Eleetroeneephalograph电极按国际100血液动力学参量的变化幅度分布表征被试的△「deoxy在本文随意系统放置参考电极为双侧乳突连线记录水平及注意与非随意注意相间的脑功能活动过程中所有△[oxy垂直眼电电极与皮肤接触阻抗小于5kn记录带.z采样为2000Hz/CH同时宽为005一100H率记录EEG数据行为数据实验完成后在硬盘备份tot〕△「平均最大稳定幅度分布图像如图2所示图2近红外脑功能成像器测得的前额叶皮层血液激活强度分布.strionofaveragedbloodaetivityintensityovertheprefrontallobebyfNIRIFig2Dibuti由图2可看出注意功能活动过程中前额叶血液响应显示出显著激活但是激活分布比脑电特异)表现出较强的不均匀性皮层分布(图3三个子图均表现出正激活的偏左侧化强激活区(红色填充区域区)均位于Brodmann46区中部△[oxy△[tot[oxy〕激活分布比较相似表现出正激活但是△tot的激活范围比△仁更广且强度也更大而△[deoxy-Hb]的正激活区只限于红黄色填充区xy(A区);仅有△[de-Hb]分布显示出大面积的负激o活并且负激活较强的区域刚好与正激活区相邻从上述对图2的分析可以看出前额叶的血量供应明显增多而大面积区域的[deox犷Hb」减少且幅度远小于oxyox-Hb显著tot△「-Hb]△「〕大面积区域的[y]图3非随间注意的脑电分布减去随意注意的脑电分布得到的非随意注意头皮电位P3a特征分布.eristieP3adistrionrelatedwithoeularFig3CharaetbutinonseleetiveattentionattainedbysubtraetingP3a增大且幅度超过△「ott可见血氧供应也显著distributlonniseleetiveattentionfromP3a增加这一现象说明注意功能活动与前额叶血氧激stributioninnonseleetiveattentiondi活调制相关其中激活最强的A区内激活模式-这说明该区域的氧耗较大而A区邻近区[deoxy与其他激活区不同区[doexy也显著增加〕Hb〕下降推测其原因与A区调制邻近区域加快对光学-27卷eodxHb]y输出有关并且。区的血容及「yx一步确定前额叶的显著激活是与实验任务中的非随意注意相关也在升高说明该区域血氧供应也增强而且相本文选择红色区域对应的近红外脑功对比其他区域增强幅度更大是实验任务的功能区由A区显示的急剧能成像技术通道及对应的事件相关脑电位检测技术电极FPI分析新异刺激引发的各自波形变化,,耗氧及其血氧供应调制的空间特性可以推测A区近红外脑功能成像技术测得的结果与事件相关定义某一新异刺激S呈现至下一个新异刺激呈现前的这一段时程为T考虑到血液变化较慢和新异刺激在序列中随机出现导致Tj脑电位检测技术的结果一致随意注意并没有引起前额叶的P3a显著激活而非随意注意才与前额叶不相等不便于叠加紧密相关并且引起左前额稍强的激活如图3或图2中的红色线框区域所示而且近红外脑功能成像平均本文选取孔时段所有被试的平均血液参量变化曲线引发的所有被试FPI曲线进行分析。。技术测得的结果显示出前额叶血液激活的不均匀特性;强激活部位对邻近区域血液供应的影响等丰富。ox如图4所示由图4看出使得△〔y〕tot△「deoxy升高△「下降符合正常激活5’2」并在随后的第一个靶刺激时段前期达到[模式,信息从这些信息可以推测前额叶中与实验任务相oann6区中部明显比关的定位即Brdm分区的4峰值而在随后第2个靶刺激呈现之前渐渐恢复至3静息状态曲线按照5引发的激活一恢复模式变化。事件相关脑电位检测技术的定位范围小弥补了头皮电位活动扩散导致事件相关脑电位检测技术难以精确定位激活区的缺点着而靶刺激对血液激活的调制不明显不能使曲线趋势发生显著的变化并且没有规律性地显示出正常激活模式由此判断与该区域的特异激活紧密时程分析相关的是新异刺激引发的非随意注意而不是靶刺激引发的一般性注意激活图像的分析只能确定前额叶的显著激活及偏左侧化与实验任务相关;结合时程分析才能进‘ou。.u祠臼月拐三翁芝与et畔.亘1T畔et.-T钾g麒司卜-deo”\\才导气命卜夕沁_国叼丫价火了衬一{伫仪广杯{:10、}}苍臀一Dtts:曲n—l人L,‘.OxyXy15S20noPligPnima25t/s3035\\\\FPIIJV.一住0200、卜一255心300000图4最后一个新异刺激呈现至实验结束时段中最强激活区域的血液参量变化及电位变化.oodaetivationehangeandpotentvatedareaintheperiodfromnovelstiFig4AveragedblialehangeintihemostaetimulPresentedtotheendofexperiment图4显示出一个激活一恢复模式的完成大约需要35(采样率为4Hz)而FP在I曲线显示53。呈现后约310msFPI开始出现于470ms左右脑先启动增强血氧能量供应和输出deoxy的正调制命令才保证了非随意注意功能神经放电的完成;神经放电的同时释放的神经递质可能使得正调血液参量变化的启动比P3a出现得早而且曲线变化速度的突然变化时间与P3a结束的时间结束制增强血氧供应进一步加强确保该部分脑区在随后立即接受强度更大的任务时有充足的能量储备;当血氧供应储备较大且deoxy被大量输出或者氧耗减弱(deoxy不再继续增加)后该部位脑比较相近推测此现象的原因为非随意注意刺激首先启动了血氧代谢补给的较小调制直到当与随意注意的相关神经放电完成后才增大调制效力该:现象支持了对非随意注意功能执行的深人理解大区氧含量增大到一定程度时可能就启动了相反的调制使得曲线渐渐恢复到静息状态上述现象提孕3期李婷等:视觉非随意注意的近红外脑功能成像技术与事件相关脑电位检测技术研究535.〕J示了近红外脑功能成像技术提供的血液变化信息有利于探讨神经血管藕合究非随意注意的脑机制speetroseopyforthemeasurementofeerebralbloodflow[J‘2〔〕的关系有利于深人研4YokoHoshi.Funetionalnearrarn了IedMillimWdoes.骆清铭邓晖龚辉等用于脑血流量检测的近红外光谱.术〔J」红外与毫米波学报一244..ychohysology￡p」Ps结论0000以al二Designandevaluationof本文尝试使用近红外脑功能成像技术研究非随意注意发现非随意注意的源定位在Brodmann分区46区中部与事件相关脑电位检测技术检测的结aportableeontinuous000.尸roeSPIE.C〕〔Left00以al二Prefrontallobewordpairs:Aeontributedtosemantieeneodingstudyof[Junrelatednea-rinfrared00speetroseopy果一致并且比事件相关脑电位检测技术的源定位范围更小并观察到非随意注意过程中先出现血液的激活后出现与非随意注意相关的典型脑电波n艺caPs夕chologieas汇一54(inChinese).杨炯炯曾绍群骆清铭等左前额叶参与非相关词对的语义编.码过程来自光学成像的佐证仁J〕心理学报.ta」Ac—00而当该波消失时血液激活突然显著增强的现象该:现象支持这一推测非随意注意的执行区中部自iong以al.ObservingonprefrontalaetivatidiffusiveimagingJ.taPhoton￡ea[」人rduingsemantieeneodingwith000nearinfraredeSinia先启动血氧供应增强的调制保证足够能量后才开始与该功能相关的神经放电而该过程中释放的神经递质反过来进一步增强血氧供应调制.曾绍群杨炯炯龚辉等用近红外光学漫射成像方法观测语.义编码在前额叶的响应〔J〕光子学报000本文研究eit)艺表明近红外脑功能成像技术在高级脑功能的研究中具有功能解剖定位区域小提供的丰富血氧代谢[M.eng:eonoyyPressEmDailji〕Bi00信息便于与脑电结合的优点有望成为深人研究高级脑功能的重要技术魏景汉社0罗跃嘉0..:事件相关脑电教程[M〕北京经济日报出版rsceneeNeuo￡Course0诬t艺veversityPressUni罗跃嘉0M]〔.ng:BejngBeiijii0000.参考文献nvasiveinfraredmonitoringofeerebraland1FransF.Jobsis.Noni.aloxygensuffieieneyandeireulatoryparameters[J〕myoeardi&entsinTi.赵仑.:认知神经科学教程仁M〕北京北京大学出版社.entsin:M]Ti〔alSeieneesPressSoei.ERP实验教程[M〕天津:天津社会科学出版社0000ence艺.endJ〕T〔r..ual.不〕JeNr12A.00o压vlenhod”aunr000戌al二0.eeuronalacti访ty〔J〕而n0unotticalhcor吻pligfe一3827一988‘al二rinfraredNea-不今从欢d.凡乞〔巧A.00
