脑科学图书推荐| 以更自然的方式观察大脑：近红外光谱脑功能成像
纵观人类历史，虽然科学家常常遇到诸多阻碍，但科学的巨轮从未停止过前行。如今，我们对自然、宇宙与生命都有了比以往更深刻的理解，许多困扰着前人的难题对我们来说已不再神秘。但有一样事物，我们对它的认识却才刚刚起步。它与我们朝夕相伴，却又神秘而难以触及；我们惊讶于它神奇的能力，却又对它的工作原理知之甚少。这个事物就是我们神奇的大脑。大脑是我们意识的载体，让我们体会到喜怒哀乐，也控制着我们的行走坐卧；让我们能够独自一人静默地思考深刻的哲学问题，也让我们能彼此合作建构出复杂的社会组织。
有人说，21 世纪是脑的世纪，无数的科学家正试图揭开它的神秘面纱。但是，人类的双眼却不能直接看到隐藏在头骨下的大脑，更无从知晓其精细的神经活动。要想揭开大脑的秘密，我们还需要一件利器——脑成像技术。
跨时代的观测技术往往对推动科学发展起着重要作用，比如显微镜催生了现代生物学，望远镜催生了现代天文学，而脑成像技术对脑科学发展来说就是 21 世纪的显微镜。脑成像技术可以分为结构性和功能性成像技术两类。前者用于揭示大脑的解剖结构与形态，被称为脑结构成像；而后者更关注大脑发生认知活动时的状态及其动态变化过程，被称为脑功能成像。
20 世纪初期，德国精神科医生 Berger（1933）首次从人类的头皮电信号中观察到了与心算相关的神经活动，这是以检测头皮电活动为目标的 EEG 和 ERP 的起源。与此同时，人们也意识到神经元放电耗能时会产生额外的代谢需求，进而引起大脑局部的血氧变化。代谢变化和血氧变化都是神经活动的间接产物，基于这种间接成像的思路，在 20 世纪 70 年代左右产生了追踪代谢产物的 PET；20 世纪 90 年代贝尔实验室的 Ogawa 等（1990）提出了 BOLD，人们开始检测血氧变化带来的局部磁场变化。此后，fMRI 因其非侵入性和毫米级的空间分辨率成为主流的脑功能成像技术，为理解人脑功能提供了大量的重要证据。20 世纪 90 年代初，fNIRS 进入脑功能成像领域研究者的视野。fNIRS 作为一种成本低、生态效度高的非侵入式成像技术，在过去的 20 多年中飞速发展，在婴幼儿发育、社会交互等许多传统脑成像难以涉足的领域表现出不可替代的作用。
2009 年，笔者的研究从脑功能磁共振成像（fMRI）领域转入新兴的近红外光谱脑功能成像（fNIRS）领域。从一无所知，到对该技术及其应用有一定的了解和经验，直到最终做出系列原创性的成果，历经十余年。由于缺少能够帮助研究者快速、系统、全面地了解该项技术的教材或者专著，我们只能依托前期 fMRI 研究的基础与经验，参阅 fNIRS 的研究论文和综述文献，零零散散地进行学习和探索，中间经历了种种挫折。为了让国内的同行不再走我们走过的弯路，我们的研究团队在 2014 年发起并成功举办了首届全国近红外光谱脑成像年度学术会议，为研究人员提供了一个相互交流学习的平台；此外，我们还组织了 fNIRS 技术的系统培训来分享我们对 fNIRS 技术与应用的认识和经验。其间，不少学员和国内的研究者建议我们写一本教材，以便在更大范围内推广这项技术。非常幸运，这个想法得到了“十三五”国家重点出版物出版规划项目“认知神经科学书系”的支持和认可。在相关部门的支持下，本书的撰写和出版计划也终于提上了日程。
考虑到广大基础与临床认知神经科学研究者的背景知识结构，笔者在内容的选取、安排以及写作风格方面进行了相应的调整。撰写过程中，在保证内容完整性和严谨性的前提下，尽量避免复杂的生理物理理论与数学公式，采用了较为直观的方式来介绍相关内容。
第一章主要介绍了 fNIRS 的起源与发展历史，通过与 fMRI、EEG 等常见脑成像技术的比较来介绍我们对 fNIRS 技术特点的理解和认识，以便读者阅读后能够在 fNIRS 的历史发展及其在脑成像大家族中的地位两个维度上对 fNIRS 技术形成总体认识。
第二章简要地介绍了 fNIRS 成像的基本生理原理和基本光学原理、成像设备的组成及相关器件。对成像设备的介绍主要围绕应用最为广泛的连续波系统展开。其他更为复杂的成像技术（如时域成像系统与频域成像系统、扩散层析成像系统等）在认知神经科学研究领域占比较低，故将其放入章节末尾的扩展阅读部分。
第三章中，除常规的实验设计内容介绍外，笔者还分享了研究团队多年来在 fNIRS 数据采集过程中积累的实践经验，以期对 fNIRS 数据采集的规范化做出贡献。
第四章略过了常识性的统计知识（如 t 检验、方差分析等），对 fNIRS 脑成像特有的数据分析过程，如 fNIRS 信号预处理、基于 GLM 模型的个体血氧响应指标计算以及多重比较校正等方面做了更为详尽的介绍。此外，考虑到基于 fNIRS 的认知神经科学研究通常采用群体研究，本书并未采用功能磁共振脑成像数据分析原理的常规介绍方式（个体水平的统计推断与群体水平的统计推断并存），而是采用了与行为数据分析进行类比的方法，凝练出个体效应提取与群体统计两个环节来展开对 fNIRS 脑成像数据分析方法的介绍。从以往的经验来看，这种结构化与讲解的方式更有助于广大研究者理解 fNIRS 数据分析的原理。
第五章详述了 fNIRS 技术在其优势领域中的应用情况，以期使研究者更好地了解和借鉴该领域已有的研究方法与成果。
第六章（前沿技术专题）结合了国际上 fNIRS 的研究趋势以及作者研究团队的成果，介绍了一些有前景的技术以及应用，包括静息态脑成像、多脑成像及 fNIRS 多元数据分析等。
值得一提的是，fNIRS 的脑机接口与神经反馈是一个很有前景的前沿方向，受清华大学高上凯老师之邀，该部分内容已被纳入“类脑计算与类脑智能研究前沿”丛书中的《脑-计算机交互研究前沿》一书中，有兴趣的读者可以参阅。
近红外光谱脑功能成像
朱朝喆 著
北京：科学出版社，2020.12
（认知神经科学书系／杨玉芳主编）
“十三五”国家重点出版物出版规划项目
ISBN 978-7-03-067849-2
责任编辑：崔文燕
近红外光谱脑功能成像（fNIRS）是一种新型的脑成像技术，因具有生态效度高、可移动等优势，迅猛发展并成为当今脑成像领域不可或缺的成员。本书首先介绍了该技术的起源、发展与特点；然后从成像原理与设备参数、实验设计、光极板准备、fNIRS 信号和定位数据采集、个体血氧响应指标计算、群体实验效应统计等方面系统介绍了 fNIRS 技术与方法；最后综述了 fNIRS 的优势应用领域（儿童脑功能与认知发展、社会交互、高生态效度场景）与前沿技术（静息态脑成像、多脑成像、多元数据分析），以及fNIRS领域常用的定位与数据分析软件。
本书可供近红外光谱脑功能成像技术与方法领域的研究者、应用该技术研究基础与临床认知神经科学问题的学者、医生参考，也可作为fNIRS脑功能成像相关领域研究生课程的教材。
目录
CATALOGUE
丛书序（杨玉芳 吴艳红）
前言
缩略语表
第一章 绪论 001
第一节 fNIRS技术的起源与发展 002
第二节 fNIRS技术优势与不足 004
第二章 fNIRS成像原理与设备 007
第一节 神经血管耦合 007
第二节 光学检测原理 009
第三节 fNIRS的设备组成与技术参数 012
第四节 扩展阅读 018
第三章 fNIRS实验设计与数据采集 022
第一节 fNIRS研究的因变量 022
第二节 fNIRS自变量的定义与操纵 023
第三节 fNIRS实验刺激呈现 028
第四节 混淆因素的控制 032
第五节 受试者的抽样与分配 034
第六节 数据获取 036
第四章 fNIRS数据分析 047
第一节 fNIRS数据预处理 047
第二节 个体血液动力学响应指标计算 050
第三节 群体统计推断和多重比较 057
第四节 fNIRS数据空间标准化与实验结果报告 061
第五章 fNIRS在认知神经科学中的应用 069
第一节 脑发育与认知发展 069
第二节 社会交互 087
第三节 高生态效度下的一般认知过程研究 099
第六章 fNIRS前沿技术专题 110
第一节 fNIRS静息态脑成像 110
第二节 fNIRS多脑成像 122
第三节 基于ICA的fNIRS数据分析 132
附录 156
附录1 fNIRS常用软件工具包 156
附录2 脑颅骨位置参考系统 183
索引 190
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（本期编辑：王芳）