运动负荷对抗阻训练下皮层神经活动特征的影响:来自fNIRS的证据

目的:对不同负荷抗阻训练过程中的大脑皮层神经活动进行监测,探究高负荷训练过程中的皮层神经活动特征。方法:以18名成年男性为实验对象,采用4(运动负荷:20%1RM、40%1RM、60%1RM、80%1RM)*3(兴趣区:初级运动皮层(M1)、运动前区-辅助运动区(PMC-SMA)、背外侧前额叶(DLPFC))的被试内设计,对深蹲训练过程中的大脑皮层含氧血红蛋白浓度(HbO)进行测量,同时使用主观疲劳量表和心率手表监控内部运动负荷。结果:(1)在动作执行阶段,运动负荷越高,HbO mean水平越低,间歇阶段的HbO mean水平在20%1RMK-60%1RM范围内不断升高,但80%1RM下的HbO mean相比60%1RM却出现明显下降;(2)M1和PMC-SMA在动作执行阶段较DLPFC表现出更低的HbO mean水平,在间歇阶段较DLPFC表现出更高的HbO mean水平;(3)运动负荷和兴趣脑区存在交互作用,在动作执行阶段,运动负荷对抗阻训练下皮层HbO mean水平的调节在M1和PMC-SMA区域更明显,但这种调节效应在间歇阶段出现减弱的趋势;(4)随着运动负荷的递增,训练前后的主观疲劳等级差异和平均心率出现明显增加。结论:(1)大脑皮层在抗阻训练动作执行初期有一个能量损耗引发的负激活阶段,并且负激活程度和负荷大小成正相关;(2)运动负荷和大脑皮层激活强度在动作执行后续阶段呈非线性相关,即中低负荷范围内激活强度与负荷同步上升,高负荷条件下出现下降;(3)M1、PMC-SMA较DLPFC在抗阻训练过程中扮演更重要的主动调控角色。

不同水平足球运动员空间知觉能力差异:基于行为学和fNIRS的研究

空间知觉能力是决定足球运动员运动技能的关键,更是提升运动员竞技表现的核心因素。选取20名国家一级足球运动员(专家组)和20名高校足球俱乐部的体教专业大学生(新手组),采用功能性近红外光谱成像技术(fNIRS),探讨心理旋转任务下行为绩效、前额叶脑血氧(Oxy-Hb)激活以及脑功能连接的组间差异。结果显示:(1)专家组心理旋转任务正确率显著高于新手组(P<0.05),反应时显著短于新手组(P<0.01)。(2)专家组左右侧背外侧前额叶、额极区和右腹外侧前额叶激活低于新手组(P<0.05),并且脑间功能连接协同更强。研究认为,长期足球训练能够改变运动员的空间知觉加工模式,提高神经资源的利用效率,有利于大脑网络连接性,对认知功能的改善起到重要作用。

fNIRS超扫描技术的发展及研究热点

就fNIRS超扫描技术在心理学认知神经科学研究中取得的进展以及应用领域进行概述,主要包括模仿任务、协调任务、眼神交流、经济游戏、合作竞争和自然情景下的互动6方面.未来,fNIRS超扫描技术的发展方向包括提高空间分辨率、开发更精确的信号处理算法、与其他脑影像技术结合以获得更全面和准确的脑区功能信息.为研究脑功能调节的机制、诊断和治疗神经疾病、脑发育和老化、心理和行为的神经基础等神经科学研究和临床诊疗具有广泛的应用价值和意义.

花样跳绳对大学生手机依赖情况的影响:基于行为和fNIRS实验的证据

目的:探索花样跳绳训练对手机依赖大学生手机依赖程度的影响及其作用机制。方法:通过行为表现电脑测试以及近红外光谱成像技术探讨跳绳训练对28名大学生在Stroop任务中对抑制控制能力以及脑激活模式的影响。结果:1)实验组干预前后的手机依赖量表得分差异具有显著性(p=0.039);2) Stroop干扰效应的错误率,实验组测试次序的简单效应显著,F(1,127)=20.248,p=0.032;对照组测试次序的简单效应不显著;3)在Stroop任务的激活图中,跳绳训练组前、后在腹外侧前额叶(VLPFC)和前额极(FPA)的oxy-Hb信号差异较大。结论:跳绳训练通过提高手机依赖大学生的抑制抑制能力而减缓了手机依赖程度,在提高抑制抑制能力的同时,还激活了腹外侧前额叶(VLPFC)和前额极(FPA),即局部大脑区域活性的提高与认知表现的提高存在同步现象。

基于fNIRS和ECG的大脑警觉度客观检测研究

航天员执行操纵和维护设备等任务时需保持高警觉状态,以便应对突发情况,保护自身安全。针对目前警觉度检测尚无统一标准,单生理参数检测法可靠性差的问题,利用多模态参数检测法,采用PVT任务与2-back任务组合诱导警觉度降低,通过功能性近红外光谱技术(fNIRS)和心电技术(ECG)采集14名被试前额部分的氧合血红蛋白(HbO)信号、脱氧血红蛋白(Hb)信号以及ECG信号,并记录被试的行为学数据。结果表明:此实验范式成功诱导警觉度下降,在低警觉度状态下大脑代谢水平增加,复杂度增加,大脑前额区活跃度增加;心率降低,副交感神经活性增强。二者特征相结合增大了警觉度识别三分类准确度。在支持向量机模型下,14名被试的平均三分类正确率达到(80.37±5.76)%,较之前文献报道的正确率有所提升。验证了此特征模型检测警觉度水平的有效性及使用混合特征矩阵提高警觉度模型的鲁棒性。

定向运动员空间距离感知特征研究:来自行为学和fNIRS的证据

目的:探究不同空间场景下不同水平定向运动员空间距离感知的特征。方法:采用2(运动水平:专家、新手)×2(场景类型:地图场景、实景场景)的混合实验设计,通过功能性近红外光谱成像技术测量在空间距离感知任务下定向运动员背外侧前额叶(DLPFC)和腹外侧前额叶(VLPFC)中含氧血红蛋白(Oxy-Hb)浓度变化。结果:1)在地图场景条件下,专家组正确率显著高于新手组,反应时显著短于新手组;在实景场景条件下,专家组正确率显著高于新手组;专家组和新手组在实景场景下正确率显著高于地图场景,反应时显著低于地图场景。2)新手组在L-VLPFC、R-VLPFC和L-DLPFC脑区Oxy-Hb激活显著,且实景场景激活程度大于地图场景;专家组在L-DLPFC脑区Oxy-Hb激活显著,且地图场景激活程度大于实景场景;实景场景条件下,L-VLPFC、L-DLPFC和R-DLPFC脑区Oxy-Hb激活显著,新手组的血氧浓度高于专家组。3)专家组在地图场景下行为绩效与L-DLPFC脑区的激活水平显著相关;新手组在实景场景下行为绩效与L-DLPFC和R-DLPFC脑区的Oxy-Hb激活水平显著相关;专家组和新手组的Oxy-Hb激活程度与正确率呈正相关,与反应时呈负相关。结论:1)专家组在空间距离感知任务中表现出高任务绩效和专项认知优势,具体表现为Oxy-Hb激活程度低;2)不同空间场景类型对定向运动员空间距离感知加工产生了不同的行为绩效和脑加工特征,Oxy-Hb激活变化与认知行为表现存在相关性,受运动水平及场景类型制约,体现在不同的脑区。

基于EEG-fNIRS技术的纹理触觉感知研究

纹理触觉感知是指尖与物体接触摩擦时大脑所产生的物体表面特征随时间空间变化的感觉.在滑动摩擦过程中,纹理表面的微观几何形状会在皮肤中引起微小的变形和振动,被编码为神经冲动传递到神经中枢,人们以此来区分表面细微的纹理特征.本文中利用脑电图-功能近红外光谱(EEG-fNIRS)同步联合成像技术,搭建了多模态摩擦触觉感知测试平台,设计了不同纹理特征的样本,用于观察指尖摩擦振动诱发的大脑生理活动.摩擦振动试验结果表明声音信号的功率谱重心与摩擦系数近似呈负相关,可以反映试验样本的摩擦学行为;声音信号的梅尔频率倒谱系数(MFCC)的灰度直方图和分形维数等统计特征可以反应样本的纹理特征.EEG-fNIRS同步联合试验结果表明不同纹理表面主要激活左脑区域,共同激活的通道以中央后回为主,其中初级躯体感觉皮层SI的触觉响应最显著.手指触摸样本过程中,α节律为主要脑电成分,能量占比约45%,其次是δ节律和θ节律,能量占比约25%.脑电信号的样本熵和排序熵等特征参数不能很好地表征本试验样本的差异性.

左侧额中回参与汉字视觉空间分析的fNIRS证据

左侧额中回(MFG)是汉字阅读脑机制研究发现的一个典型脑区,它表现出在汉字阅读中的特异激活,一种普遍的解释认为其负责了汉字独特的视觉空间加工。但是,该解释没有得到直接的证据支持。本研究操纵汉字材料的视觉呈现空间频率,使用功能性近红外光谱成像(fNIRS)技术对此问题进行探讨。通过构建3(字类型:真字、假字和非字)×3(空间频率:完整频谱、低空间频率和高空间频率)的重复测量实验设计,记录被试在完成重复刺激检测的one-back任务时MFG的血氧浓度变化。结果发现左侧MFG表现出显著的字类型主效应,即假字比真字和非字需要更多MFG的激活;而且,左侧MFG还表现出显著的字类型与空间频率的交互作用,即在低空间频率条件下假字比真字和非字具有更强的MFG激活,而在另两种频率条件下并没有发现字类型的显著激活差异。结果表明左侧MFG的确对汉字的空间信息敏感,尤其是在需要更多字形/正字法加工的假字条件下以及对低空间频率信息的加工上都需要更多MFG的激活。研究结果为左侧MFG参与汉字正字法信息的视觉空间加工提供了直接的证据。

外语口语焦虑对言语互动质量的影响:fNIRS超扫描研究

外语口语焦虑是影响言语互动的重要因素。本研究使用功能性近红外成像超扫描(Hyperscanning)技术,通过两个实验探究了中英双语者在英语和汉语故事叙述任务中,口语焦虑对言语互动双方的行为和大脑活动模式的影响,实验1没有评价性压力,实验2包含评价性压力。两个实验一致发现:(1)英语任务中(相较于汉语)存在更强的口语焦虑,更低的言语互动质量;(2)相较于汉语,英语任务中每对被试左侧缘上回、左侧颞中回和左侧额极的脑间同步性显著减弱;(3)在英语任务中,左侧缘上回的脑间同步性与口语焦虑呈显著负相关、与言语互动质量呈显著正相关,且口语焦虑通过左侧缘上回脑间同步性的部分中介作用影响言语互动质量。本研究的结果表明焦虑情绪对言语互动存在负面的影响,而且这种影响可以通过大脑的同步性得以实现。

不同认知任务下定向运动员脑加工特征研究——来自fNIRS的证据

目的:利用功能性近红外光谱成像技术监测定向运动员在不同认知任务下大脑皮层脑血氧激活变化,揭示定向运动项目认知加工特征和内在机制。方法:24名定向运动员参加实验,通过行为测量和近红外光谱功能成像系统脑血氧激活程度的测量,记录并分析被试在识图决策和图景识别2种认知任务执行过程中的行为表现和大脑前额叶皮层的氧合血红蛋白浓度变化。结果:1)图景识别任务行为绩效显著好于识图决策任务;2)识图决策任务下,大脑左右腹外侧前额叶大脑皮层脑血氧激活程度显著大于图景识别任务;3)图景识别任务下,脑功能连接相关程度显著大于识图决策任务。结论:不同认知任务下大脑前额叶在认知加工模式上存在差异,左右腹外侧前额叶脑区在识图决策认知任务加工过程中起到重要作用,图景识别认知加工过程中,脑网络功能连接更强。

基于线性映射场的fNIRS信号特征提取与分析

大脑功能性激活的相关研究普遍存在特征提取依赖人工经验、深层次生理学信息难以挖掘两大问题。针对这两个问题,该文通过引入变分模态分解(VMD)技术,提出自适应VMD算法。该算法考虑了脑血氧信号在不同频段下的生理意义,降低了传统VMD对超参数选取的依赖。实验结果表明自适应VMD算法能够精确地提取出功能性近红外光谱(fNIRS)中富有生理学意义的有效模态分量,进而提升数据预处理效果。在此基础上,基于将时间序列映射成图像并使用深度卷积神经网络进行特征学习的思路,提出线性映射场(LMF)。基于LMF,该文以较低的运算量将fNIRS序列映射成2维图像,辅以深度卷积神经网络,实现了fNIRS生理信号深层次特征的提取。实验结果证明了所提出LMF的优势。最后,该文对提出方法的有效性进行了讨论与分析,说明了不同于循环神经网络仅能“顺序”地感知时间序列,卷积神经网络对时间序列的“跳跃”感知是其取得优异效果的关键。

基于fNIRS的游戏成瘾识别方法研究

网络游戏成瘾已在世界范围内发展成为一种新型精神疾病。随着脑功能成像技术的不断发展,功能性近红外光谱技术(functional Near-Infrared Spectroscopy,fNIRS)已经被广泛应用于各个领域中。本文根据网络游戏成瘾量表筛选出22名受试者,利用fNIRS采集受试者在停止信号任务期间前额叶脑血氧饱和度数据。使用3种传统机器学习方法和长短期记忆(Long Short-Term Memory,LSTM)神经网络对fNIRS信号进行分类,来区分游戏成瘾患者和健康人,得到的最高准确率为85.7%。本文利用fNIRS在游戏成瘾识别方面做了有益的尝试。

基于PCA的EEG-fNIRS特征融合

运动想象脑-机接口(MI-BCI)可解码用户运动意图,它无需任何外部刺激就能产生指令,可以为无法自主运动患者提供一种额外交流通道,辅助或改善其生活方式,但目前还没有一个比较好的方法能对MI-BCI进行高效解码。脑电图(EEG)和功能近红外光谱(fNIRS)是目前一种无创的功能神经成像技术。在单个模式上,EEG的空间分辨率较差,而时间分辨率较高,相比之下,fNIRS提供了更好的空间分辨率,所以文中采用双模态的方式对MI信号进行解码。由于EEG和fNIRS是两种不同类型的信号,如何对两种信号进行融合是目前研究的重点和难点,文中首先对特征提取后的两种信号进行归一化处理,然后采用主成分分析(PCA)算法进行信号融合。实验招募了12名被试做抬左右腿的运动想象。结果表明单独使用EEG和fNIRS进行信号解码精度最高为73.8%,使用PCA对EEG-fNIRS的特征进行融合后分类精度实现了81.2%,提高了7.4%。实验结果证明提出的方法可以为未来的多模态在线BCI系统提供新的思路。

脑功能成像的新方法——功能性近红外光谱技术(fNIRS)

功能性近红外光谱技术(functional near-infrared spectroscopy,fNIRS)利用血液的主要成分对600-900nm近红外光良好的散射性,从而获得大脑活动时氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的变化情况。目前该技术开始运用于自然情境下的高级认知、发展心理学、异常心理学等多个领域的研究。该技术具有造价较低、便携性好,无噪音、无创性和对实验过程中被试动作不会过份敏感等优点,但也存在空间分辨率不高和校正算法有待进一步完善等方面的不足。未来fNIRS的研究可以与fMRI等其他成像技术进行结合,开展婴幼儿和特殊人群的认知神经科学研究以及自然情境下大脑认知的神经机制研究。

急性有氧负荷对老年人执行功能的影响:来自fNIRS和行为实验的证据

目的:采用脑成像技术监测心理学任务过程中脑激活模式的变化来反映有氧运动对执行功能的影响,并结合认知行为表现来评价有氧运动对执行功能所产生的训练效益。方法:通过行为测量和近红外光谱功能成像(fNIRS)的方法探讨10 min中等强度自行车蹬踏运动对15名老年人在Flanker任务过程中的行为表现和脑激活模式的影响。结果:运动任务的Flanker效应的反应时显著低于对照任务[t(1,14)=-2.64,P<0.05]。在左侧额极区(L-FPA)上,运动任务的Flanker效应的oxy-Hb信号显著高于对照任务[t(1,14)=3.94,P<0.001]。结论:10min中等强度有氧负荷显著提高了老年人Flanker任务的行为操作表现,并增强了左侧额极区(L-FPA)的神经活性,且局部脑区神经活性的增加与认知表现的提高同步出现。

基于fNIRS的运动执行与运动想象脑激活模式比较

使用《运动想象问卷-修订版》筛选出的30名被试(男女各半),采用功能性近红外光谱成像技术(fNIRS)监测被试在执行实际举哑铃(男生,4磅和8磅;女生,2磅和4磅)任务和想象举同等重量哑铃任务时,其大脑皮层氧合血红蛋白浓度的变化。结果发现:男女被试在运动执行与运动想象任务下都激活了主运动皮层;且运动执行的大脑激活水平高于运动想象。在执行实际运动任务时,运动强度显著影响大脑皮层血氧浓度的变化,表现出左半球偏侧化优势;在执行想象运动任务时,运动强度没有影响大脑皮层血氧浓度的变化,且无偏侧化现象。

基于功能性近红外光谱技术探索脑卒中后偏瘫患者不同踝关节牵伸训练任务与皮层活动的相关性

目的:通过功能性近红外光谱技术(fNIRS)初步探讨脑卒中后偏瘫患者在执行不同踝关节牵伸训练任务过程中大脑皮层感兴趣区域(ROIs)的激活差异及其相关性。方法:将26例脑卒中偏瘫患者分为2组:非优势半球组患者14例,优势半球组患者12例。病例入组时,首先对受试者进行临床功能评估,再运用fNIRS监测受试者在执行患侧踝关节牵伸训练任务过程中ROIs氧合血红蛋白(oxy-Hb)的浓度变化。结果:主动踝关节背屈与跖屈训练任务的脑区激活程度高于被动踝关节背屈与跖屈训练及静息状态(P<0.05),而踝关节被动牵伸训练任务的脑区激活程度高于静息状态(P<0.05)。另外,优势半球组患者受累侧ROIs激活整体上高于非受累侧,且大脑半球偏侧化指数(LI)数值大于0的可能性大。非优势半球组患者在执行患侧踝关节牵伸训练任务时,感觉运动皮层(SMC)的激活程度与6min步行试验(6MWT)的步行距离成正相关(r=0.5531~0.6165,P<0.05)。结论:脑卒中后偏瘫患者踝关节不同牵伸训练任务与皮层活动存在一定的差异及相关性。

急性有氧运动对大学生执行功能的影响:来自fNIRS和行为实验的证据

目的:研究急性有氧运动对大学生执行功能的影响,探讨运动负荷引起执行功能变化的脑机制。方法:通过近红外光谱功能成像(f NIRS),测量短时中等强度有氧运动对16名大学生局部脑区的血液动力学变化的影响,并考察神经激活与行为表现的关系。结果:行为试验中,运动任务的反应时显著低于对照任务(t_((1,15))=-4.93,P<0.001)。近红外光谱试验中,右侧前额叶皮质区(R-DLPFC),运动任务的oxy-Hb信号显著高于对照任务(t_((1,15))=4.25,P<0.001);右侧额极区(R-FPA)上,运动条件下的oxy-Hb信号也显著高于对照任务(t_((1,15))=4.06,P<0.001)。结论:中等强度有氧运动可短暂提升大学生的执行功能水平,其中,Flanker任务的行为操作表现有所提高,右侧背外侧前额叶皮质区(R-DLPFC)与右侧额极区(R-FPA)的神经激活水平有所增加,且局部脑区的血液动力学变化与行为操作表现的提高具有一致性。

耳鸣患者存在隐形听损及脑功能降低

目的:探讨精细化纯音测听(P-PTA)联合功能性近红外光谱检测技术(fNIRS)治疗耳鸣的发作机制及脑网络功能变化特征。方法:将20例双侧急性耳鸣患者作为耳鸣组;将同期20名体检健康志愿者作为对照组。用精细化纯音测听(P-PTA)寻找常频听力(PTA)正常的急性双侧耳鸣患者(TNA)的隐形听力损失及耳鸣位点;用fNIRS测试TNA患者脑网络功能连通性(FC);分析TNA患者FC与隐形听损位点之间的关系。结果:TNA患者中有90%存在隐形听力损失;TNA患者脑网络功能连通性(FC)较正常对照组减弱;TNA患者脑网络FC越小,听损程度越大。结论:常频听力正常的急性耳鸣患者存在隐形听力损失及脑网络功能连通性异常,隐形听损的程度与脑网络功能减退有相关性。TNA患者可通过P-PTA测试早期发现隐性听损,并可通过fNIRS测试其脑网络功能变化,为后期的耳鸣治疗提供一定的依据。

基于功能近红外光谱技术(fNIRs)的帕金森病大鼠模型脑组织特性研究

利用功能近红外光谱技术(functionality near infrared spectroscopy,fNIRs)探索帕金森病(parkin-son′s disease,PD)大鼠模型的脑组织功能特性。通过小动物磁共振(magnetic resonance imaging,MRI)和电子计算机断层扫描(computed tomography,CT)对PD大鼠模型进行影像学研究,用fNIRs系统测试大鼠模型脑组织纹状体特征参数。实验结果表明,PD大鼠脑部没有明显的形态结构变化;优化散射系数(reducedscattering coefficient:μ′s)、脑血容量(cerebral blood volume:CBV)在PD大鼠的纹状体部与对照组间存在显著的差别;fNIRs测量参数(μ′s、CBV)与CT灌注(CTP)测定参数[CBF(cerebral blood flow),CBV]之间存在相关性。这些结果表明fNIRs可以作为PD研究的重要参考手段。