使用功能性近红外光谱测量大脑活动:一个简短的评论|光谱学欧洲和世界半岛综合体育官方APP下载德甲bdapp官方下载安卓版

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Felix Scholkmann^*和马丁•沃尔夫

生物医学光学研究实验室,新生儿学、妇产科学系8091年苏黎世瑞士苏黎世大学医院。电子邮件:(电子邮件保护)

介绍

自氧化代谢的主要手段是能源生产以来的大脑和氧化代谢的变化取决于大脑的活动状态,大脑通过血流灌注和体积变化(血液动力学)和氧气供应的变化(氧化)需要永久的监管。大脑氧化和血液动力学的测量不仅是重要的大脑更好地理解复杂的生理也是现代医学诊断的一个重要组成部分。

三十五年前,弗朗茨Jobsis发表了第一篇关于非侵入性在活的有机体内测量大脑氧化使用近红外光谱(NIRS)。半岛综合体育官方APP下载德甲¹这一发现铺平了道路的发展,一种新的方法来检测大脑活动的变化:功能性近红外光谱(fNIRS)。半岛综合体育官方APP下载德甲与脑电图(EEG)和脑磁图(MEG)直接测量的神经活动,所产生的电场或磁场分别fNIRS监视器oxyhaemoglobin (O的浓度的变化₂Hb)和deoxyhaemoglobin (HHb)伴随神经元活动。在这方面,fNIRS类似于功能性磁共振成像(fMRI),只有措施(HHb)的变化。“功能”一词在fNIRS指事实NIRS用于探测大脑的功能。为此课题执行特定的任务,导致一个与事件相关的神经元活动增加使用fNIRS可以测量。

几十年来,尤其是最近几年,fNIRS已越来越多的应用,特别是在大脑研究领域/神经科学。本文描述了fNIRS的原则和礼物的例子如何可以应用于检测神经元的活动。

fNIRS的生物物理和技术原则

功能检测通常指一个点测量血流动力学和氧合的变化在一个位置。相比之下,同时在不同的位置进行测量时,当创建一个图像处理的信息的探测区域,方法被调用近红外成像(NIRI)(也称为扩散光学成像(DOI)]。对于depth-resolved处理信息的方法近红外摄影(NIRT)(也称为扩散光学断层扫描(点),近红外光学断层扫描(NIROT)]。在本文中,我们将只关注fNIRS。所有的共同之处,他们的技术是基于三个基本原则:(i)的光(约近红外(NIR)范围。650 - 950 nm)可以穿透头几厘米深的由于低皮肤吸收,颅骨和脑组织(“光学窗口”)在这个波长范围。的距离(d源和探测器之间的)决定了最大深度(z_马克斯)组织调查。经验法则公式是:z_马克斯=d/ 2。(2)最强的两个发色团吸收近红外光谱范围O₂Hb和HHb。(3)这两个发色团浓度的变化与神经活动的变化相关联。O的吸收光谱₂Hb和HHb如图1所示(一个)。近红外光谱的模拟光传播在人类头上的描绘在图1 (b)。

Figure 1. (a) Absorption spectrum of oxyhaemoglobin (O2Hb) and deoxyhaemoglobin (HHb). (b) Typical photon migration in case of a cw-fNIRS system.2 (c) Typical evoked changes in cerebral oxygenation of haemodynamics due to an increase in brain activity.

Figure 2. Illustration of the three different fNIRS techniques. I0: incident light signal, I: transmitted light signal, d: thickness of the medium, µa: absorption coefficient, µs: scattering coefficient, f: phase delay, I(t) temporal point spread function of the transmitted light signal.

fNIRS从技术的角度,可以使用三种不同的方法实现对传输测量示意图见图2:时域(td-fNIRS),频域(fd-fNIRS)和连续波(cw-fNIRS)测量。在实践中,这些方法的共同点,光引入到组织和广泛地反射光的强度测量。高度敏感的光探测器使用自反射的光很弱。为了避免损伤组织,光使用平均只有几兆瓦毫米²由于近红外光谱吸收和皮肤温度的高度小于0.5°C。光的介绍和测量不同根据三种方法如下:

td-fNIRS:光引入组织是一个短的光脉冲在皮秒。扩散反射的光脉冲的展宽和衰减测量。这提供了信息组织吸收和散射。
fd-fNIRS:光强度引入组织是调幅(频率数十到数百兆赫)的顺序。振幅和相移的扩散地反射光强度的入射光信号记录使吸收和散射特性的组织有待确定。
cw-fNIRS:光引入组织是一个信号强度恒定或调幅信号(几十千赫)。吸收变化是由测量入射光的衰减。

这两种方法都有优点和缺点。例如,td-fNIRS包含最多的信息,有一个良好的空间分辨率成像,使表面组织的影响。相比之下,实现技术复杂、昂贵和采样率低。fd-fNIRS cw-fNIRS可以有更高的采样率(例如,100赫兹)。的准确分离吸收和散射的变化由fd-NIRS意识到,而cw-fNIRS只允许吸收测量的相对变化。cw-fNIRS的很大的优势是技术上实现的方式既简单又合算的。为fNIRS的大部分研究在神经科学领域,fd-fNIRS或cw-fNIRS数据已经被使用。

所有三种方法使直接测定[O₂Hb]和[HHb)时间序列。这些时间序列可以进一步用于确定总血红蛋白浓度([有]),这是由[有]= [O₂Hb] + [HHb]和组织氧饱和度(国标₂)由国标₂= 100×([O₂Hb] /[有])。

神经科学的应用

检测脑血流动力学和氧合的变化

增加大脑活动(即神经元活动)会导致区域增加耗氧量(CMRO₂),增加脑血流量(CBF)和血容量cb v()都未³导致增加停吗₂[O₂Hb]和[有]和[HHb]下降。神经元之间的交互活动和血液动力学的变化以及氧化神经与血管的耦合——基本生理原则允许fNIRS检测大脑活动的变化。神经与血管的关系耦合和fNIRS-derived信号的变化如图3所示。

Figure 3. Overview of the cerebral haemodynamic and oxygenation changes as well the transient optical changes and their effect on the fNIRS-derived signals in case of an increased neural (brain) activity.

在实验环境下,增加大脑的活动,因此,脑血液动力学和氧合的诱发反应可能是由于不同的刺激等电动机(例如,手指轻敲,手的动作),视觉(例如,看着棋盘模式变化或闪光),听觉(例如,音调,速度或音乐),嗅觉(例如,闻到玫瑰的香味,黑胡椒油等),味觉(例如,品尝热香料)或躯体感觉(例如,弯曲和扩展的手臂,痛苦)。一般来说,这些刺激导致诱发fNIRS-derived变化特征参数:国标₂↑[O₂Hb)↑↑[有]和[HHb]↓刺激期间(见图1 (c))。的时间动态信号被称为“血液动力学的响应”或“慢”的信号。fNIRS-measured脑血流动力学和氧合的变化可以用于不同的神经生理学或临床设置。例如,fNIRS的研究表明:

在健康的足月新生儿,显著增加脑(O₂Hb)和停止₂和显著减少[HHb]发生在直接适应,达到一个稳定的高原在出生后八分钟。⁴
手指敲击观察成人新兵的想象力导致重大运动皮层血流动力学和氧化变化。⁵
在高频电磁场暴露与UMTS (1.9 GHz, SAR W = 0.18公斤¹),增加[O₂Hb]和[有]在大脑中被发现。⁶
通过测量脑血流动力学和氧合变化前的额叶皮质,fNIRS能够解码人类是否喜欢或不喜欢一个视觉对象。⁷因此,fNIRS能够捕捉神经生物学的人类心理状态的关联。

fNIRS这些例子表明,可以用在各种各样的方法来研究神经科学和医学的话题。

快神经光学信号检测

除了脑血液动力学的变化和氧化引起的大脑活动,使用单一神经元的几项研究表明,大约有50 - 200毫秒后神经发射瞬态光学特性发生的变化(主要是折射率和反射属性)。这种变化与膜电位的变化⁸和可能归因于瞬态细胞体积变化(tCVC)发生在神经元活动。⁹

这是证明¹⁰fNIRS,原则上,能够衡量这些短和小光学性质变化与神经元活动称为“神经光学信号”,“与事件相关的光学信号”(EROS)或简单的“快速信号”。测量是一个技术挑战主要是由于这一事实是极其微小的变化,即当使用cw-fNIRS(Δ最大强度变化我/我)预计在0.01%左右;当使用td-fNIRS预期的最大变化意味着飞行时间(Δ<t>)是在极短的时间范围10²500 - 1000 ps。因此,需要执行刺激神经检测光信号。

改善神经光信号的检测是一个正在进行的研究课题fNIRS领域的基础研究。的主要目标是开发一个框架,允许一个健壮的神经光信号的测量在活的有机体内方法对人类brain-ultimately临床情况。

前景

经过几十年的密集使用fNIRS基础和应用研究,使用fNIRS现在神经科学中使用的形式的一个组成部分。优化的灵敏度、分辨率和精度fNIRS是一个密集的研究课题,将改善的适用性fNIRS将来在临床的设置。不断改善和优化近红外光谱成像和断层扫描技术仍将是未来的近红外光谱研究的一个重要目标。fNIRS非侵入性、安全适用、便携和成本效益。这些属性是高度赞赏所有人参与神经科学和生物医学研究。

引用

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