慧创fNIRS“运动区与全脑检测优势”助力北航触力视觉研究及2篇SCI论文

本文为慧创学术研究部对使用慧创近红外设备进行研究的论文的归纳整理，旨在读者更方便地阅读和高效率理解，让fNIRS更好服务于科研和临床各种应用。尽管我们在本文的结构和文字上都做了很大的努力，但仍会有不尽如人意之处。如需获取全文，可点击文末链接或索引DOI编码。

北京航空航天大学的王党校教授团队在《Journal of Neural Engineering》接连发表了题为“Effect of force accuracy on hemodynamic response: an fNIRS study using fine visuomotor task”（2021，IF 5.043）和“fNIRS-based adaptive visuomotor task improves sensorimotor cortical activation ”（2022，IF 5.043）的系列研究论文。

慧创近红外脑功能成像系统NirScan

慧创近红外Nirscan系列，具有独一无二的全脑检测优势，独有的超微光技术获取运动区的信号易于反掌！使北京航空航天大学的研究深入到触力视觉领域，领先科研前沿。以下是两项研究的详细内容。

2021

第一篇

01

研究背景

从简单的日常活动到需要高度熟练的复杂操作，精细的运动控制在许多任务中都是基本和必要的运动功能。精细运动技能包括在肌肉-眼睛协调下手腕、手和手指的精确运动，以及在物体表面上施加适当的力，如用笔写字和外科手术。

尽管越来越多的神经影像学研究揭示了神经活动是如何被各种运动相关因素(如运动速度和力的大小)调节的，但很少有人致力于研究力的准确性的影响。因此，该研究旨在探讨当被试执行对力的准确性要求不同的视觉运动任务时，任务难度对神经活动的影响。为了研究力的准确性与皮层活动模式之间的关系，我们使用近红外脑功能成像(fNIRS)扫描健康参与者在不同力的准确性要求下执行精细视觉运动任务的情况。fNIRS是一种无创光学成像方法，通过测量氧合血红蛋白(HbO₂)和脱氧血红蛋白(HbR)的浓度变化来量化与神经活动相关的血流动力学反应。

02

研究方法

实验细节如图1所示，一共14名健康成年人被试，被试要求手持笔形工具，沿平面环形路径移动工具，同时在视觉引导下对平面产生一个恒定的力。被试被要求尽量减少工具与环形边缘之间的碰撞。当发生碰撞时，力反馈会被提供给参与者的手。一共分为四种难度条件，分别为高位置控制且高力控制难度、低位置控制且高力控制难度、高位置控制且低力控制难度和低位置控制且低力控制难度。

图1 实验任务

使用46通道的fNIRS系统(NirScan，慧创)记录fNIRS信号。研究利用fNIRS技术记录双侧前额叶、感觉运动区和枕区信号（图2），以氧合血红蛋白浓度作为皮层激活的指标，通过格兰杰因果关系计算这些区域的有效连接。

图2 fNIRS探头排布

03

研究结果和结论

研究结果是观察到整体上更强的激活(HbO₂，p=0.015)和脑网络连接(p<0.05)与初始力的准确性难度提高相关。而当被试面对任务过度困难时，激活和连接产生下降趋势，如图3所示。

图3 脑功能激活和有向连接结果

这些结果表明，任务难度的增加只会在一定程度上有利于精神投入，超过一定程度的神经反应会表现出较低的激活和连接模式，表明在过高的任务要求下，就会出现精神过载现象。研究结果提供了在精细视觉运动任务中力的准确性对血流动力学反应的倒U形效应的证据。本研究还强调了区域间连接改变在应对任务困难中的重要作用，增强了我们对潜在运动神经过程的理解，并为开发适应性神经康复策略提供了基础。

2022

第二篇

01

研究背景

基于脑机接口(brain-computer interaction, BCI)技术的神经康复作为一种促进手部运动功能恢复的工具越来越受到人们的关注。使用BCI神经康复的目的是诱导目标脑区特定的神经激活模式，通常是通过在大脑状态和外部设备或刺激之间构建闭环。闭环被认为是实现由运动皮层调节的自主运动控制的改善和促进新的运动通路的重建的必要条件。本研究通过一个闭环视觉运动任务来验证促进皮层兴奋性的有效性，该任务的难度是根据个体的感觉运动皮层激活而自适应调整的。

02

研究方法

第二篇和第一篇的实验范式和fNIRS探头排布基本相同。使用46通道的fNIRS系统(NirScan，慧创)记录fNIRS信号。区别在于将被试分为自适应组和对照组两组。对于适应组的被试来说，他们在实验阶段所选通道的fNIRS信号作为输入提取神经特征，生成控制器输出，以调整下一次试次的任务难度。将自适应视觉运动任务(自适应组)中获得的双侧前额叶皮层、感觉运动皮层和枕叶皮层的大脑激活变化与对照组中由相同时间的随机难度任务引起的大脑激活模式进行比较。

图4 实验设计

03

研究结果和结论

在干预过程中，适应组的双侧感觉运动皮层的激活显著增加，与对照组相比，前额叶和感觉运动区域之间的脑网络连接也增强了，如图5所示。

图5 视觉运动任务训练中的脑网络

综上所述，本研究的结果验证了基于fNIRS的自适应任务难度促进皮层兴奋性的有效性。得益于fNIRS的高生态效度，自适应视觉运动任务在精细手运动功能的神经康复中具有潜力。未来的研究将优化闭环训练的适应性策略，并进一步验证其对手运动障碍患者功能恢复的纵向影响。

论文链接：

2021年论文链接：Zheng, Y., Tian, B., Zhang, Y., & Wang, D. (2021). Effect of force accuracy on hemodynamic response: an fNIRS study using fine visuomotor task. Journal of Neural Engineering, 18(5), 056020.

DOI：10.1088/1741-2552/abf399

https://doi.org/10.1088/1741-2552/abf399

2022年论文链接：Zheng, Y., Tian, B., Zhuang, Z., Zhang, Y., & Wang, D. (2022). fNIRS-based adaptive visuomotor task improves sensorimotor cortical activation. Journal of Neural Engineering.

DOI：10.1088/1741-2552/ac823f

https://doi.org/10.1088/1741-2552/ac823f

关于慧创

• 北京航空航天大学科研成果转化

• 含两项国家重点研发计划等多项国家级项目

• 首个获医疗器械证的超100通道近红外脑功能成像设备NirScan
• 首个获医疗器械证的便携式近红外脑功能成像设备NirSmart

• 已在301医院、华山医院、华西医院、宣武医院等200余家三甲医院及科研单位示范应用

  
  

• 已支撑用户在Nature Human Behaviour等顶级期刊发表SCI论文70余篇

• 获得中国生物医学工程学会最高科技奖“黄家驷生物医学工程奖”

• 2022年6月成为清华大学研究生专业实践基地

• 成立了拥有10余位专业博硕士的学术研究部可对fNIRS临床与科研开展精准的高水平服务

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