SPA-fNIRS：系统生理学增强功能近红外光谱

大家好，我是陈锐。

今天分享内容主要来源一篇综述性的文章，结合自己对fNIRS的经验和其中部分内容撰写，内容仅供参考学习分享。

最近，看到一篇综述性的文章，有关进一步完善fNIRS的测量过程，我个人觉得这是一个非常有意义的测量方法。它能完善数据的准确性和解释性。

在本公众号上已经有大量的传统fNIRS技术的相关介绍，可以查看图片和链接：

链接：fNIRS技术合集

今天给大家介绍了Systemic physiology augmented functional near-infrared spectroscopy (以下简称：SPA-fNIRS)技术，它是在传统fNIRS基础上增加了全身的其它信号的测量，如心肺健康的呼吸产生二氧化碳等气体，可能也会影响大脑血氧变化。

SPA-fNIRS 的主要作用有两个：

(1) SPA-fNIRS 能够更完整地解释和理解头部测量的 fNIRS 信号，因为它们包含源自神经血管耦合和全身生理源的过程。使用 SPA-fNIRS 测量的全身生理信号可用于剔除回归 fNIRS 信号中的生理混杂成分，可以最大限度地减少误解。

(2) SPA-fNIRS 能够通过将大脑与整个身体的生理状态联系起来来研究具身大脑，从而对它们复杂的相互作用提供新的见解。

正确解释 fNIRS 信号的复杂性

fNIRS 和 fMRI 都是通过确定神经血管耦合引起的血流动力学和氧合变化来间接测量大脑活动的技术。但大脑活动并不是改变 fMRI（血氧水平依赖信号，BOLD，仅反映 [HHb]）或 fNIRS 测量的血流动力学信号的唯一因素。对于 fNIRS，所有信号变化都可以大致分为三个部分：（1）大脑隔室中的神经元诱发变化（即，研究大脑活动时感兴趣的成分）；（2）大脑隔室中的系统诱发变化,；(3) 脑外室的系统性诱发变化。三个附加过程也起作用：（1）脑室中的血管诱发变化；（2）脑外室中的血管诱发变化；（3）脑外室中的肌肉诱发变化。血管诱发的变化是由于血管舒缩，即血管壁张力的自发波动，肌肉诱发的变化是由头部颞肌的活动引起的。

fNIRS 信号的组成部分

每个 fNIRS 信号由这六个分量组成（如图）。每个分量对整体 fNIRS 信号的影响程度不能笼统地说明，因为分量的权重取决于许多因素，例如实验范式、测量位置、fNIRS 测量的技术实施（如，测量类型和源-探测器分离以及被试的个体生理学和解剖学），这也突出表明需要使用其它生理技术测量这些分量的相关性，以获得整体评估。

需要充分了解人脑活动和脑血流调节如何与全身生理学相关联

在一项功能性任务期间系统生理学发生了多少变化不仅有助于消除这些干扰影响，还可以确定系统生理学如何调节 神经血管耦合以及神经元大脑活动，监测这些系统性生理学变化，可以深入了解身体-大脑的相互作用。

SPA-fNIRS原理图

问：什么是 SPA-fNIRS？

答：SPA-fNIRS 是一种能够测量和分析 fNIRS 神经影像数据以及系统生理学数据的方法。

问：使用 SPA-fNIRS 代替传统fNIRS 有什么好处？

答：fNIRS 信号包含不同的成分，包括与全身生理变化相关的成分，而不仅与神经血管耦合相关的成分。SPA-fNIRS 通过结合测量的系统生理学变化的信息来解码 fNIRS 信号，并研究 fNIRS 信号与系统生理学之间的关系。这减少了对 fNIRS 信号变化误解的可能性，并能够更深入地了解大脑活动和全身生理学之间的相互作用。

问：SPA-fNIRS 研究建议测量哪些全身生理信号？最重要的是什么？

答：建议主要测量与心肺系统和自主神经系统状态相关的全身生理信号，即心率 (HR)、呼吸频率 (RR)、平均动脉血压、一氧化碳、皮肤电导（SC）以及血氧饱和度等等。HR和RR 是最容易实现并提供有关被试全身生理状态的重要信息的测量方法。血氧饱和度在健康受试者中可能不太相关，但也很容易获取。建议根据研究的任务或刺激来选择生理信号。例如，当预期刺激会改变呼吸时（例如，说话），一氧化碳建议测量。如果实验方案在被试中引起压力，建议进行 SC、HR 和 MAP 测量。

问：全身生理学的变化是否会均匀地影响头部的血流动力学？

答：在对 fNIRS 数据进行精确且无错误的解释时，需要考虑系统生理变化的区域差异，因为整个大脑同样受系统生理影响的。

问：SPA-fNIRS 数据应该如何处理和分析？

答：目前还没有最佳的选择，正在进一步完善系统生理数据和 fNIRS 数据的使用。例如，生理数据能够回归（如，使用 GLM）系统生理学变化对 fNIRS 信号的影响或研究大脑和身体之间的相互作用（即神经系统功能连接）。

问：软件是否可用于执行 SPA-fNIRS 数据处理和分析？

答：目前还没有专门为 SPA-fNIRS 数据处理和分析而设计的软件。目前可用的软件，例如 Homer3、NIRS-SPM、NIRS Brain AnalyzIR 工具箱能够使用 GLM 中的系统生理信号作为额外的回归量，以消除 fNIRS 数据中的生理影响。具体工具箱介绍可参考文章《fNIRS工具箱》

问：短通道回归与基于 SPA-fNIRS 的生理噪声回归相比如何？

答：虽然经典的 fNIRS 设备只能用源-探测器（即3cm通道）进行测量，但较新的 fNIRS 设备也能够在短距离通道（即8mm左右）下进行测量。3cm通道包含来自脑内和脑外隔室的信息，短通道特别探测脑外隔室。根据3cm通道的位置数量优化短通道的数量。还需要考虑脑外血流动力学的异质性。这些方法提高了测量与神经血管耦合相关的变化的能力并提高 fNIRS 测量在单受试者水平上的可重复性上依然存在困惑。

问：SPA-NIRS的哪些方面还需要进一步发展？关于 SPA-fNIRS 的实施和使用有哪些疑问？

答：SPA-fNIRS 的进一步发展应侧重于硬件开发，例如创建涵盖 fNIRS 测量中所有相关生理信号的集成测量设备以及软件开发，例如用于 SPA-fNIRS 信号处理和分析的数学方法作为方法的软件实现（理想情况下是开源的）。关于 SPA-fNIRS 的应用，未来的研究需要探索 SPA-fNIRS 的使用，例如在超扫描研究中，在自然环境中，与儿童一起使用或与其它神经生理学测量相结合时，考虑的其它神经活动的影响。SPA-fNIRS 将是研究大脑和身体之间相互作用的较好方法，支持在实验研究中对生理学进行综合评估。

问：SPA-fNIRS 会很快成为 fNIRS 神经影像学研究的新标准吗？

答：SPA-fNIRS应该会有更多的研究。SPA-fNIRS 是否以及如何在 fNIRS 研究中实施和使用取决于研究设计和其它因素，例如生理测量所需设备的可用性，以及执行额外数据分析和 SPA-fNIRS 测量的可行性。目前还没有足够的数据说明 SPA-fNIRS 测量在儿童（新生儿和婴儿）中的实现过程和必要。但我们应该要相信它将能带给fNIRS更准确的信号解释。

总之，关于 SPA-fNIRS 仍有许多基本的未解决问题。我们需要确定应针对不同的实验范式和被试群组（例如成人、儿童和新生儿）测量哪些全身生理参数，哪些信号处理方法最适合 SPA-fNIRS 数据以及哪些附加信息。

对此方法，感兴趣的小伙伴，欢迎与我交流探讨。

谢谢大家观看，如有帮助，来个喜欢或者关注吧！

本文作者：陈锐

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