SPA-fNIRS：系統(tǒng)生理學增強功能近紅外光譜
大家好，我是陳銳。
今天分享內(nèi)容主要來源一篇綜述性的文章，結(jié)合自己對fNIRS的經(jīng)驗和其中部分內(nèi)容撰寫，內(nèi)容僅供參考學習分享。
最近，看到一篇綜述性的文章，有關(guān)進一步完善fNIRS的測量過程，我個人覺得這是一個非常有意義的測量方法。它能完善數(shù)據(jù)的準確性和解釋性。
在本公眾號上已經(jīng)有大量的傳統(tǒng)fNIRS技術(shù)的相關(guān)介紹，可以查看圖片和鏈接：
今天給大家介紹了Systemic physiology augmented functional near-infrared spectroscopy (以下簡稱：SPA-fNIRS)技術(shù)，它是在傳統(tǒng)fNIRS基礎(chǔ)上增加了全身的其它信號的測量，如心肺健康的呼吸產(chǎn)生二氧化碳等氣體，可能也會影響大腦血氧變化。
SPA-fNIRS 的主要作用有兩個：
(1) SPA-fNIRS 能夠更完整地解釋和理解頭部測量的 fNIRS 信號，因為它們包含源自神經(jīng)血管耦合和全身生理源的過程。使用 SPA-fNIRS 測量的全身生理信號可用于剔除回歸 fNIRS 信號中的生理混雜成分，可以最大限度地減少誤解。
(2) SPA-fNIRS 能夠通過將大腦與整個身體的生理狀態(tài)聯(lián)系起來來研究具身大腦，從而對它們復雜的相互作用提供新的見解。
正確解釋 fNIRS 信號的復雜性
fNIRS 和 fMRI 都是通過確定神經(jīng)血管耦合引起的血流動力學和氧合變化來間接測量大腦活動的技術(shù)。但大腦活動并不是改變 fMRI（血氧水平依賴信號，BOLD，僅反映 [HHb]）或 fNIRS 測量的血流動力學信號的唯一因素。對于 fNIRS，所有信號變化都可以大致分為三個部分：（1）大腦隔室中的神經(jīng)元誘發(fā)變化（即，研究大腦活動時感興趣的成分）；（2）大腦隔室中的系統(tǒng)誘發(fā)變化,；(3) 腦外室的系統(tǒng)性誘發(fā)變化。三個附加過程也起作用：（1）腦室中的血管誘發(fā)變化；（2）腦外室中的血管誘發(fā)變化；（3）腦外室中的肌肉誘發(fā)變化。血管誘發(fā)的變化是由于血管舒縮，即血管壁張力的自發(fā)波動，肌肉誘發(fā)的變化是由頭部顳肌的活動引起的。
fNIRS 信號的組成部分
每個 fNIRS 信號由這六個分量組成（如圖）。每個分量對整體 fNIRS 信號的影響程度不能籠統(tǒng)地說明，因為分量的權(quán)重取決于許多因素，例如實驗范式、測量位置、fNIRS 測量的技術(shù)實施（如，測量類型和源-探測器分離以及被試的個體生理學和解剖學），這也突出表明需要使用其它生理技術(shù)測量這些分量的相關(guān)性，以獲得整體評估。
需要充分了解人腦活動和腦血流調(diào)節(jié)如何與全身生理學相關(guān)聯(lián)
在一項功能性任務(wù)期間系統(tǒng)生理學發(fā)生了多少變化不僅有助于消除這些干擾影響，還可以確定系統(tǒng)生理學如何調(diào)節(jié) 神經(jīng)血管耦合以及神經(jīng)元大腦活動，監(jiān)測這些系統(tǒng)性生理學變化，可以深入了解身體-大腦的相互作用。
SPA-fNIRS原理圖
問：什么是 SPA-fNIRS？
答：SPA-fNIRS 是一種能夠測量和分析 fNIRS 神經(jīng)影像數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)生理學數(shù)據(jù)的方法。
問：使用 SPA-fNIRS 代替?zhèn)鹘y(tǒng)fNIRS 有什么好處？
答：fNIRS 信號包含不同的成分，包括與全身生理變化相關(guān)的成分，而不僅與神經(jīng)血管耦合相關(guān)的成分。SPA-fNIRS 通過結(jié)合測量的系統(tǒng)生理學變化的信息來解碼 fNIRS 信號，并研究 fNIRS 信號與系統(tǒng)生理學之間的關(guān)系。這減少了對 fNIRS 信號變化誤解的可能性，并能夠更深入地了解大腦活動和全身生理學之間的相互作用。
問：SPA-fNIRS 研究建議測量哪些全身生理信號？最重要的是什么？
答：建議主要測量與心肺系統(tǒng)和自主神經(jīng)系統(tǒng)狀態(tài)相關(guān)的全身生理信號，即心率 (HR)、呼吸頻率 (RR)、平均動脈血壓、一氧化碳、皮膚電導（SC）以及血氧飽和度等等。HR和RR 是最容易實現(xiàn)并提供有關(guān)被試全身生理狀態(tài)的重要信息的測量方法。血氧飽和度在健康受試者中可能不太相關(guān)，但也很容易獲取。建議根據(jù)研究的任務(wù)或刺激來選擇生理信號。例如，當預期刺激會改變呼吸時（例如，說話），一氧化碳建議測量。如果實驗方案在被試中引起壓力，建議進行 SC、HR 和 MAP 測量。
問：全身生理學的變化是否會均勻地影響頭部的血流動力學？
答：在對 fNIRS 數(shù)據(jù)進行精確且無錯誤的解釋時，需要考慮系統(tǒng)生理變化的區(qū)域差異，因為整個大腦同樣受系統(tǒng)生理影響的。
問：SPA-fNIRS 數(shù)據(jù)應(yīng)該如何處理和分析？
答：目前還沒有最佳的選擇，正在進一步完善系統(tǒng)生理數(shù)據(jù)和 fNIRS 數(shù)據(jù)的使用。例如，生理數(shù)據(jù)能夠回歸（如，使用 GLM）系統(tǒng)生理學變化對 fNIRS 信號的影響或研究大腦和身體之間的相互作用（即神經(jīng)系統(tǒng)功能連接）。
問：軟件是否可用于執(zhí)行 SPA-fNIRS 數(shù)據(jù)處理和分析？
答：目前還沒有專門為 SPA-fNIRS 數(shù)據(jù)處理和分析而設(shè)計的軟件。目前可用的軟件，例如 Homer3、NIRS-SPM、NIRS Brain AnalyzIR 工具箱能夠使用 GLM 中的系統(tǒng)生理信號作為額外的回歸量，以消除 fNIRS 數(shù)據(jù)中的生理影響。具體工具箱介紹可參考文章《fNIRS工具箱》
問：短通道回歸與基于 SPA-fNIRS 的生理噪聲回歸相比如何？
答：雖然經(jīng)典的 fNIRS 設(shè)備只能用源-探測器（即3cm通道）進行測量，但較新的 fNIRS 設(shè)備也能夠在短距離通道（即8mm左右）下進行測量。3cm通道包含來自腦內(nèi)和腦外隔室的信息，短通道特別探測腦外隔室。根據(jù)3cm通道的位置數(shù)量優(yōu)化短通道的數(shù)量。還需要考慮腦外血流動力學的異質(zhì)性。這些方法提高了測量與神經(jīng)血管耦合相關(guān)的變化的能力并提高 fNIRS 測量在單受試者水平上的可重復性上依然存在困惑。
問：SPA-NIRS的哪些方面還需要進一步發(fā)展？關(guān)于 SPA-fNIRS 的實施和使用有哪些疑問？
答：SPA-fNIRS 的進一步發(fā)展應(yīng)側(cè)重于硬件開發(fā)，例如創(chuàng)建涵蓋 fNIRS 測量中所有相關(guān)生理信號的集成測量設(shè)備以及軟件開發(fā)，例如用于 SPA-fNIRS 信號處理和分析的數(shù)學方法作為方法的軟件實現(xiàn)（理想情況下是開源的）。關(guān)于 SPA-fNIRS 的應(yīng)用，未來的研究需要探索 SPA-fNIRS 的使用，例如在超掃描研究中，在自然環(huán)境中，與兒童一起使用或與其它神經(jīng)生理學測量相結(jié)合時，考慮的其它神經(jīng)活動的影響。SPA-fNIRS 將是研究大腦和身體之間相互作用的較好方法，支持在實驗研究中對生理學進行綜合評估。
問：SPA-fNIRS 會很快成為 fNIRS 神經(jīng)影像學研究的新標準嗎？
答：SPA-fNIRS應(yīng)該會有更多的研究。SPA-fNIRS 是否以及如何在 fNIRS 研究中實施和使用取決于研究設(shè)計和其它因素，例如生理測量所需設(shè)備的可用性，以及執(zhí)行額外數(shù)據(jù)分析和 SPA-fNIRS 測量的可行性。目前還沒有足夠的數(shù)據(jù)說明 SPA-fNIRS 測量在兒童（新生兒和嬰兒）中的實現(xiàn)過程和必要。但我們應(yīng)該要相信它將能帶給fNIRS更準確的信號解釋。
總之，關(guān)于 SPA-fNIRS 仍有許多基本的未解決問題。我們需要確定應(yīng)針對不同的實驗范式和被試群組（例如成人、兒童和新生兒）測量哪些全身生理參數(shù)，哪些信號處理方法最適合 SPA-fNIRS 數(shù)據(jù)以及哪些附加信息。
對此方法，感興趣的小伙伴，歡迎與我交流探討。
謝謝大家觀看，如有幫助，來個喜歡或者關(guān)注吧！
本文作者：陳銳
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