崔旭研究员：近红外技术在脑科学的应用和案例分析

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这里是行上行下，我是喵君姐姐~

在3.12——3.20中，“心仪科技”推出了“认知与脑调控”直播周的活动，邀请了各位学者向大家介绍关于脑电、近红外、眼动技术等相关知识。

其中崔旭研究员向我们介绍了关于近红外技术在脑科学中的应用，并进行了案例分析。本期就对该直播课程进行了文字转录。

主讲人：崔旭博士，斯坦福大学脑影像研究员，近红外“超级扫描”技术最早研究者之一。

PS：以下内容均来自于直播课程。后台回复关键词“近红外应用”即可获得所述的视频链接与其它资料啦！

首先，我们来看看对近红外直观的感受。下图是若干年前我做近红外时的一张照片。右边是近红外的仪器，中间的线能够进行激光信号传导，以便及时地采集我们的脑电信号。

图1 近红外仪器

下面我们来看下面一幅图。其中一个是我，另外一个是助研。我们在做一个“超扫描”的实验。可以通过视频近距离感受近红外实验是怎么做的。

背后是一个近红外的测试仪器。我们当时想到的办法是把帽子戴到两个人的头上，这样仪器就可以同时测两个人的大脑信号。用这种方法我们可以做很多有意思的分析。

图2 "超扫描"实验

图中的两个人在玩扑克牌的游戏，出牌的时候可以撒谎，比如说你出的是6，但其实出的是9。这个实验的目的其实是鼓励人去撒谎，以此研究两个人交往作用中的相互动态。

我们可以看到他们在做实验的过程中并没有受到仪器的干扰。但如果使用功能性磁共振，就做不到。首先，被试是坐着的，并且交流非常自然。虽然他们的头部有少许的移动，但这种程度的移动是可以允许的，并不是像功能性磁共振那样，一点点头动都不行。

现在稍微讲一下近红外的基本原理。我们可以看到头上包括好多光极，每个点都代表一个光极，有的是红色，有的是蓝色。对这个仪器而言，主要测的是前脑。当然对于不同的仪器，测量范围也不一样。

运动的轨迹主要是类似于“香蕉”一样的弧线，从左到右，测量的就是其中的一小块区域。需要强调的是，光子在大脑中的运动是随机的，各个地方都有，只是在检测的时候，只检测到了走特定路径的光子。

图3 近红外原理

在讲案例之前，我们先来看一下近红外的优缺点，比较的对象是fMRI。

它们测量的东西是类似的，都是关于血流的变化。fNIRS测量的是含氧和脱氧的血红蛋白，fMRI只测量一个东西，即BOLD signal。其他的差异如下图所示：

图4 fNIRS与fMRI的差异

如今近红外在脑科学上的应用上面越来越活跃。可以看到下面的分析图，这是用文献鸟进行分析的。从90年代到现在，关于近红外的文章，增长速度很快。

图5 近红外在脑科学上的应用

而fMRI的应用趋势，在最近五六年速度开始放慢。EEG增长也比较快。但是使用fMRI研究的文章还是大于fNIRS和EEG的，因为它的空间分辨率非常高，可以测全脑。

图6 fMRI和EEG在脑科学上的应用

国内使用近红外来研究脑科学也比较积极。国家排名如下图所示：

图7 fNIR使用频率国家排名

近红外在脑科学中的应用包括：超扫描；运动、体育研究；婴儿；老年人；田野研究；脑疾病研究（PTSD、自闭等）；脑机接口；诊断；治疗。下面就主要来介绍一下这几个方面。

1. 超扫描

案例一：同时测量两人的大脑

两个人共同完成一个合作任务。这里测量的是前脑，不仅是由于前脑测量比较容易，还是因为前脑参与了人与人之间的社会性关系交互。

实验比较简单，首先在屏幕上呈现一个灰色的圈，大概1s之后，这个圈会变为绿色。被试需要同时按键盘，若同时按键就加1分，若按键时间不一致，那就减1分，因此这个任务必须要求合作。赢的分越多越好。

图8 实验流程及结果

我们使用了小波分析的方法，分析了两个人的大脑之间有没有相关性。结果图如上所示，横坐标是时间，纵坐标是频率，准确来说是频率的倒数，即周期。颜色越红，就代表两人的相关性越大。我们发现在6.4s的时候，两人有非常强的相关性，说明在这个周期（或频率）下，两人有很强的同步性。

上面在0.8s的时候也显示出了相关性，这是由于每个人心鞘频率差不多，这个点我们一般不考虑。我们一般只考虑在实验方面的相关性。我们也做了一些对照组，但只有在合作的时候才显示出强相关。

案例二：超扫描的三人测量

他们就坐在一起讨论一个问题，内容如下。在讨论过程中，自然而然会有一个leader出现，另外两个人便会跟着他的思路走。随后派出一个人向主试汇报讨论的结果。

图9 小组讨论

结果发现，通过他们之间的脑信号同步性。在谈话30s的时候，就可以预测到谁是leader。这是一个非常有意思的事情，因为讨论至少要花5、6分钟的时间，而在讨论半分钟的时候，就可以通过脑部之间的同步性，预测出谁是leader。

图10  实验结果

案例三：超扫描的多人测量

目前为止测量的最多人数为25个人。以后我们还可以测量更多的人。

图11 “超扫描”多人测量

另外，用近红外还可以研究多样的社会关系。

比如说恋人、老师与学生、表演者和听众、母亲和孩子等。这里仅仅列了4种关系，但其实还有很多方面。

图12 用“超扫描”研究社会关系

2.运动、体育研究

案例一：模拟外科手术时前脑的变化

其实fNIRS的一个好处在于它不要求被试必须一动不动。这个实验被试为医学生‘分为两组，一组接受培训，一组没有进行培训。实验的内容是让他们模拟外科手术的一些动作，看下他们的大脑有没有什么变化。这是便携式的近红外，没有线，因此非常方便。结果发现，与未培训组相比，培训组在“精密切割”任务中的左PFCA活跃度降低（蓝色区域）。

图13 模拟外科手术时前脑的变化

案例二：研究人在杠铃负荷时大脑变化

这个实验中被试不需要用大脑，而是在做杠铃起重练习。主要是想检测在体育运动的背景下能否检测到大脑的改变。结果发现，当比较不同的负荷水平时，在双侧上顶叶（SPL）内，有氧血红蛋白（HbO2）信号发生了改变，而对于脱氧血红蛋白（HHb）没有。

图14 研究人在杠铃负荷时大脑变化

案例三：驾驶时驾驶员的脑信号

实验情景是在真实的驾驶活动中。结果表明，与简单驾驶相比，在复杂驾驶里面，大脑的血液动力学活动水平会增加。因此说明在驾驶的过程中，大脑的血液动力学活动水平随之认知工作量的增加而增加。

图15 驾驶时驾驶员的脑信号

3.婴儿研究

案例一：6个月大的早产儿与足月婴儿比较

结果发现在做一些运动动作时，足月婴儿的激活反应主要是单侧的，早产儿的激活反应主要是双侧的。这也可以说明fNIRS是非常安全的，因为它可以用于婴儿研究。

图16 6个月大的早产儿与足月婴儿比较

4. 老年人研究

案例一：60—70岁的老年人，练太极拳的比较

我们再到另一个极端，fNIRS也可以测量老年人。这里主要是探究对于60-75岁的老年人，练太极拳会不会对大脑信号变化产生影响。首先把被试分为太极拳组和非太极拳组，要求被试完成某项认知任务。结果表明太极拳组反应时更快，前脑的脑信号也更高。

图17 60—70岁的老年人，练太极拳的比较

5. 田野研究

案例一：在农场研究农药对健康的影响

我们传统的实验都是在实验室做的，但有的时候如果我们想做的实验对象是农民，或山区的一些人，甚至是土著人等，我们就可以使用便携式近红外仪器来研究。

这里的实验主要是探究在农场里使用农药是否会对农民的健康产生影响。除了生理上的影响之外，另外一个指标就是脑信号。

图18 在农场研究农药对健康的影响

6. 脑疾病研究

对疾病的研究，近红外做的还是蛮多的。统计的结果如下。

图19  使用fNIRS研究脑疾病

案例一：创伤后应激障碍（PTSD）退伍军人

我们让具有PTSD的退伍军人做了一个记忆任务，然后就发现在编码过程中，他们的大脑有所激活，但在检索过程中具有明显的失活功能。

图20 创伤后应激障碍（PTSD）退伍军人

案例二：自闭症儿童和正常儿童（大约10岁）

类似于测量静息态一样，这里使用fNIRS测量了自闭症儿童的大脑信号的变化，探究和正常儿童有什么差异。结果发现通过使用深度学习的方法，用fNIRS测量的自发信号，可以实现高度准确的分类，灵敏度为97.1%,特异性为94.3%。

图21 自闭症儿童和正常儿童（大约10岁）的比较

7. 脑机接口BCI

什么是脑机接口呢？我们常说的就是类似于“读心术”、“超能力”。对于现代科技来讲，这个已经不算是科幻了，因为我们有些技术已经可以在一定的准确率范围之内读取一个人的大脑在想什么。

案例一：解读用大脑想像左手右手运动

让5名健康志愿者想象左手和右手运动。我们的问题就是，能否使用fNIRS探测他是在想象左手还是右手运动。这是个非常简单的实验，因为只有两个状态，而不是像现实生活中那样，一个人会想很多。但至少是一个起步。结果发现使用HMM，可以达到89%的准确率。表明fNIRS在BCI的发展中具有前景。

图22 解读用大脑想像左手右手运动

8. 诊断

在精神病学中存在一个严重问题，我们一直缺乏一个客观的生物指标，帮助医生临床诊断是哪一种精神病。一般使用的都是各种各样的问卷，但这并不是特别客观。因此我们就使用了fNIRS来帮助医生诊断。

案例一：重度抑郁症的fNIRS生物指标

本研究召集了27名重度抑郁症患者（MDD）和24名健康被试，让他们做了一个情绪的面部识别。通过小波分析，得出并不是像两个人的超扫描那样是两个人之间的大脑关联，而是同一个人的含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的关系图。

图23 实验流程

结果发现，对于健康对照组，他们的含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白之间的联系特别密切；但在MDD中，它们的关联会没那么强烈。因此我们就可以把含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白之间的关联性作为一个指标。

虽然我们并没有将fNIRS信号作为一个绝对化的标准，但至少它可以作为一个参考，为临床诊断抑郁症提供可靠的预测指标，也为使用经颅磁刺激改善病情提供了基础。

图24 重度抑郁症的fNIRS生物指标

9. 治疗

关于这方面的资料比较少见，文献也不是很多。关于经颅红外激光刺激（TILS），它与TMS有异曲同工之妙，只不过把磁场换为了红外线。

案例一：经颅红外激光刺激（TILS）

使用１０６４ｎｍ的激光照射健康被试的前脑，看一下末端酶细胞色素c-氧化酶（CCO）是否会有变化。

结果发现，0-8分钟的时候，进行照射的情况下CCO浓度显著增加，而对照组没什么变化。说明这种刺激可以在一定程度上使大脑中的某些化学物质产生变化。当然这方面的研究还比较新，但能为以后将TILS应用到治疗过程提供一定的思路与方向。

本期的内容就到此结束啦！

直播活动主题：心仪科技“认知与脑调控”直播周

直播主讲题目：近红外技术在脑科学的应用和案例分析

主播主讲人：崔旭博士，斯坦福大学脑影像研究员，近红外“超级扫描”技术最早研究者之一。 

直播主办方：上海心仪电子科技有限公司

本期主要讲解了近红外fNIRS的原理，以及通过案例分析，简述其在研究上面的应用，包括：超扫描、运动与体育研究、婴儿、老年人、田野研究、脑疾病研究（PTSD、自闭等）、脑机接口、诊断、治疗等9个方面的研究，希望能对大家有所帮助！在这里也十分感谢“心仪科技”的支持以及崔旭博士的讲授。

文中统计软件：文献鸟（https://storkapp.me）

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排版：华华

校对：喵君姐姐

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