用全腦的腦電圖和近紅外功能成像結(jié)合測(cè)量在類別流暢性任務(wù)時(shí)的心理狀態(tài)

隨著腦科學(xué)測(cè)量設(shè)備的發(fā)展，越來(lái)越多的研究者不再滿足于使用單一的腦電測(cè)量或者近紅外測(cè)量進(jìn)行腦部功能的檢測(cè)和實(shí)驗(yàn)研究，隨之而來(lái)的是多模態(tài)的結(jié)合測(cè)量。近紅外和腦電的結(jié)合，既考慮到了腦電的高時(shí)間分辨率也兼顧了近紅外的高空間分辨率，兩者的結(jié)合使得研究者對(duì)認(rèn)知功能或腦功能測(cè)量更為得心應(yīng)手。那么究竟所謂的多模態(tài)結(jié)合是否能如預(yù)期所想，同時(shí)應(yīng)用到腦電的高時(shí)間分辨率和近紅外的高空間分辨率呢？17年下半年新出的一篇論文，以多模態(tài)結(jié)合的方式測(cè)量10個(gè)被試，解釋了這一點(diǎn)。

論文摘要

使用全腦腦電和近紅外功能成像測(cè)量，即對(duì)比EEG&fNIRS多模態(tài)測(cè)量與單個(gè)測(cè)量系統(tǒng)之間的比較，采集健康被試群體在執(zhí)行類別流暢性測(cè)驗(yàn)時(shí)的數(shù)據(jù)并將其應(yīng)用到機(jī)器學(xué)習(xí)方法中，得出結(jié)論如下：腦電圖和近紅外的結(jié)合其精度高于各子系統(tǒng)。該研究亮點(diǎn)在于準(zhǔn)確和實(shí)用的解碼方法，對(duì)醫(yī)學(xué)診斷、腦機(jī)接口設(shè)計(jì)和神經(jīng)工效學(xué)方面應(yīng)用都有極大的潛力。

前言及方法

一直以來(lái)準(zhǔn)確、實(shí)用、無(wú)創(chuàng)地測(cè)量心理狀態(tài)是所有研究人員夢(mèng)寐以求的目標(biāo)，高精確度和便捷性是很多應(yīng)用的技術(shù)方向。一些應(yīng)用于生活和診所中的主動(dòng)或被動(dòng)的腦機(jī)接口技術(shù)，例如，通過(guò)更為精確的設(shè)計(jì)來(lái)提高人類的表現(xiàn)能力、幸福感、測(cè)量認(rèn)知和認(rèn)知狀態(tài)、診斷和治療疾病等。多模態(tài)結(jié)合研究能夠保證其測(cè)量數(shù)據(jù)的精確性，本次的主要目標(biāo)是量化使用相比單個(gè)測(cè)量的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

腦電圖主要來(lái)自于樹突突觸后電位的同步化，它是一個(gè)大神經(jīng)元種群的輸入，而不是其動(dòng)作電位。通過(guò)測(cè)量在電極和放置在頭部或者身體上的參考電極之間的電位差（<100uv），EEG可以反映在該電極位置記錄的動(dòng)作電位，但也可能會(huì)受到遠(yuǎn)處較強(qiáng)電位的影響。近紅外功能成像測(cè)量，依據(jù)血液動(dòng)力學(xué)可以通過(guò)近紅外光測(cè)量擺放在頭皮上的探測(cè)器和光源形成有效通道中相關(guān)血氧濃度的變化。它與EEG測(cè)量同樣具有便攜性。我們使用連續(xù)波方法上，兩個(gè)波長(zhǎng)的近紅外光測(cè)量皮質(zhì)上的含氧和脫氧血紅蛋白改變量。光源和探測(cè)器擺放在距離不遠(yuǎn)的光極點(diǎn)上，通過(guò)修正的Beer-lambert law進(jìn)行計(jì)算血紅蛋白改變量。在神經(jīng)活動(dòng)中，會(huì)伴隨含氧血紅蛋白的增加和脫氧血紅蛋白的減少。這個(gè)和核磁的血液動(dòng)力學(xué)反應(yīng)類似。近紅外已經(jīng)被廣泛地使用在成人的腦成像研究和腦發(fā)展領(lǐng)域中。

腦電和近紅外信號(hào)來(lái)自于不同的測(cè)量原理和物理學(xué)基礎(chǔ)，也表示這可能會(huì)受到光學(xué)耦合機(jī)制或測(cè)量元件的影響而導(dǎo)致測(cè)量上的時(shí)間不一致性。因此，使用兩個(gè)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行收集數(shù)據(jù)是最好的選擇。腦電和近紅外測(cè)量結(jié)合也提供了基于神經(jīng)血管的相關(guān)信息。神經(jīng)血管信息會(huì)比單一的腦電測(cè)量和近紅外功能成像測(cè)量要更為精確和具有優(yōu)勢(shì)。

雖然腦電和近紅外結(jié)合的研究已經(jīng)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較多，但是沒(méi)有系統(tǒng)的進(jìn)行兩者結(jié)合和單個(gè)測(cè)量之間的特點(diǎn)比較。另一個(gè)主要的研究目的是比較使用混合系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的性能。在本次研究中我們使用腦電和近紅外在基于10-20的腦全圖上測(cè)量，包括前額葉、額葉、中央?yún)^(qū)、顳葉、頂葉、枕葉區(qū)域。很多研究者使用前額葉進(jìn)行研究因?yàn)槠漕^發(fā)較少。實(shí)際上，在快速部署方面，小范圍精確性的測(cè)量比全圖測(cè)量要好。在測(cè)量精度上，如在BCI研究中，就引起了小范圍測(cè)量精確度的問(wèn)題。本文使用的全腦測(cè)量模式允許我們解決這個(gè)問(wèn)題。

我們使用比較合適的言語(yǔ)流暢性測(cè)量中的類別流暢性作為測(cè)量任務(wù)。類別測(cè)量任務(wù)需要更多的心理能力，比如在特定的語(yǔ)義類別中枚舉并在所提供的語(yǔ)義中搜索單詞會(huì)需要額外的注意力及自我控制以防重復(fù)枚舉。在健康個(gè)體中進(jìn)行類別流暢性測(cè)試已經(jīng)有了很多的神經(jīng)影響數(shù)據(jù)。言語(yǔ)流暢相關(guān)能力表現(xiàn)和腦活動(dòng)的改變與臨床結(jié)果有關(guān)，如創(chuàng)傷性腦損傷或認(rèn)知能力下降。言語(yǔ)流暢性任務(wù)也在BCI研究中或其他研究中被廣泛使用，然而我們沒(méi)有發(fā)現(xiàn)在多模態(tài)結(jié)合中測(cè)量言語(yǔ)流暢性，因此使用腦電和近紅外結(jié)合在語(yǔ)言環(huán)境中的研究會(huì)有很大的貢獻(xiàn)，尤其在測(cè)量的精確度和實(shí)用性上。

研究設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)休斯敦大學(xué)機(jī)構(gòu)評(píng)審委員會(huì)批準(zhǔn)，使用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的BLOCK設(shè)計(jì)。在填寫知情同意書后，被試坐在桌子前的椅子上，一個(gè)block實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)包括30秒的休息時(shí)間，被試處于放松狀態(tài)、不進(jìn)行移動(dòng)、思考或沉睡。之后是30S的類別流暢性測(cè)驗(yàn)任務(wù)。在任務(wù)的開始階段，從先前的名單中隨機(jī)選擇測(cè)驗(yàn)的目標(biāo)詞如：花、車。被試的任務(wù)是枚舉屬于此類的單詞。在桌子上的小白板上寫下名字。要求只用一只手且盡量小幅度地移動(dòng)，30秒大概可以寫6個(gè)左右的單詞。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中比較快的被試會(huì)被通知慢一點(diǎn)。如果在小白板上沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何詞語(yǔ)的話則以同樣的速度寫上“沒(méi)有想法”。任務(wù)過(guò)后是下一個(gè)30S休息時(shí)間，最后一部分是讓被試以周一-周二-周日的形式以相同速度寫下詞語(yǔ)，作為控制條件。任何一個(gè)記錄都包括這三個(gè)重復(fù)的Block：任務(wù)、Rest或控制時(shí)間段。十個(gè)健康的被試參與了研究（8男，平均年齡26，24-28之間）。所有的被試都能夠使用英語(yǔ)交流而且實(shí)驗(yàn)前三小時(shí)內(nèi)無(wú)飲酒或咖啡，沒(méi)有吸煙史和其他疾病（自我報(bào)告）。

數(shù)據(jù)收集

腦電和近紅外的數(shù)據(jù)同步采集使用迷你EEG和NIRScout拓展連續(xù)波系統(tǒng)（美國(guó)NIRX，深圳瀚翔為中國(guó)區(qū)總代）。迷你EEG采用經(jīng)藥監(jiān)局批準(zhǔn)的無(wú)線設(shè)備，在250Hz水平上以16位的分辨率記錄19個(gè)通道數(shù)據(jù)。fNIRS連續(xù)波分別在760和850nm處，且近紅外軟件在每次記錄時(shí)都可以進(jìn)行信號(hào)質(zhì)量的檢測(cè)。EEG和fNIRS的結(jié)合同步使用Prestation 軟件進(jìn)行操作，EEG和近紅外的通道共同坐落在10-20系統(tǒng)中的Fp1、Fp2、F7、F3、F8、C3、Cz、C4、T3、T4、T5、T6、P3、P4、Pz、O1、O2點(diǎn)，覆蓋了整個(gè)頭部。EEG的參考和地電極分別位于FCz和Fpz，為了穩(wěn)定地將腦電圖傳感器保持在一起，在每個(gè)點(diǎn)都有fNIRS源探測(cè)器對(duì)時(shí)，我們使用了三聯(lián)容器。

過(guò)程

信號(hào)經(jīng)過(guò)了雙通濾波（0.5-80Hz的腦電濾波和0.01-0.5的近紅外濾波），并且腦電經(jīng)過(guò)60Hz的交流電濾波來(lái)消除交流電的影響。功率圖譜使用非重疊的△W=1秒的明窗窗口建立。這個(gè)△f=1/△W=1HZ對(duì)于在后來(lái)的特征提取階段確定頻帶是足夠的了。近紅外探測(cè)器在兩個(gè)波長(zhǎng)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過(guò)修正的beer-lambert公式來(lái)計(jì)算相應(yīng)的含氧和脫氧血紅蛋白改變量。研究者進(jìn)行了偽跡處理如眨眼、肌肉運(yùn)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)影響和睡眠。有兩個(gè)被試的數(shù)據(jù)因?yàn)榘诉^(guò)多的額外偽跡，所以被剔除了。因此有8個(gè)包含最多10%的數(shù)據(jù)偽跡進(jìn)入了分析階段。在MBL中使用的參數(shù)值和其他硬件的設(shè)置及預(yù)處理和之前的研究是一樣的。數(shù)據(jù)1顯示了預(yù)處理數(shù)據(jù)的一個(gè)例子。大多數(shù)的EEG波包含了明顯的α波，頻率在8-12HZ。特別是在頂葉和枕葉區(qū)域。腦電圖的模式，以及oxy-(紅色的痕跡)和脫氧血紅蛋白的變化(藍(lán)色)，包含了可能與不同程度的認(rèn)知負(fù)荷有關(guān)的波動(dòng)。本文中描述的計(jì)算使用了Matlab的v.8.2.0.701。

美國(guó)NIRX公司

美國(guó)NIRX是一家致力于近紅外成像研究的專業(yè)企業(yè)，近紅外設(shè)備制造采用德國(guó)工藝，追求更精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)和更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，分析軟件所使用的近紅外數(shù)據(jù)分析環(huán)境在NITRC（神經(jīng)成像信息學(xué)工具與資源之家）光學(xué)成像下載量為第一，活躍度為第一，深受歐美神經(jīng)科學(xué)研究的喜愛，包含了便攜式近紅外NIRSport、NIRSOUT、NIRSCOUTX等兼容LED光源和laser激光光源可選，滿足從幼兒到老年人的含氧和脫氧血紅蛋白測(cè)量，更具有多模態(tài)結(jié)合能力，包括其與EEG/ERP、fMRI、TMS、TDCS等設(shè)備的結(jié)合。近期，NRIX設(shè)備結(jié)合成熟的近紅外數(shù)據(jù)分析軟件使得最近涌現(xiàn)出一批高影響因子文章：

1、de Lima-Pardini, Andrea Cristina., Zimeo Morais, Guilherme A., Balardin, Joana Bisol., Coelho, Daniel Boari., Azzi, Nametala Maia., Teixeira, Luis Augusto.,Sato, Jo?o Ricardo. (2017). Measuring cortical motor hemodynamics during assisted stepping - An fNIRS feasibility study of using a walker., Gait Posture, 56, 112-118.  便攜式近紅外NIRSport8*8；（康復(fù)、自然環(huán)境）；

2、Balardin, Joana B., Zimeo Morais, Guilherme A., Furucho, Rogério A., Trambaiolli, Lucas., Vanzella, Patricia., Biazoli, Claudinei.,Sato, Jo?o R. (2017). Imaging Brain Function with Functional Near-Infrared Spectroscopy in Unconstrained Environments., Front Hum Neurosci, 11, 258. 臺(tái)式NIRScout16x16 &便攜式NIRSport8x8；（運(yùn)動(dòng)：音樂(lè)+乒乓球，自然環(huán)境檢測(cè)）；

3、Balardin, Joana Bisol., Zimeo Morais, Guilherme Augusto., Furucho, Rogério Akira., Trambaiolli, Lucas Romualdo., Sato, Jo?o Ricardo.. (2017). Impact of communicative head movements on the quality of functional near-infrared spectroscopy signals: negligible effects for affirmative and negative gestures and consistent artifacts related to raising eyebrows., J Biomed Opt, 22(4), 46010.NIRScout16x16臺(tái)式近紅外（人際間交流、信號(hào)質(zhì)量控制）；

4、Shin, Jaeyoung., Müller, Klaus-Robert., Schmitz, Christoph H., Kim, Do-Won., Hwang, Han-Jeong.. (2017). Evaluation of a Compact Hybrid Brain-Computer Interface System., Biomed Res Int, 2017, 6820482.  NIRSport8*8；（BCI腦機(jī)接口）；

5、Graber, Harry L., Al abdi, Rabah., Xu, Yong., Asarian, Armand P., Pappas, Peter J., Dresner, Lisa.,...Barbour, Randall L. (2015). Enhanced resting-state dynamics of the hemoglobin signal as a novel biomarker for detection of breast cancer., Med Phys, 42(11), 6406-24.  NIRSOUT32×64；（疾?。?；

6、 Piao, Daqing., Barbour, Randall L., Graber, Harry L., Lee, Daniel C.. (2015). On the geometry dependence of differential pathlength factor for near-infrared spectroscopy. I. Steady-state with homogeneous medium., J Biomed Opt, 20(10), 105005. DPF（近紅外光譜的路徑長(zhǎng)度因子，方法學(xué)）；

7、Zhang, Dandan., Zhou, Yu., Hou, Xinlin., Cui, Yun., Zhou, Congle.. (2017). Discrimination of emotional prosodies in human neonates: A pilot fNIRS study., Neurosci. Lett., 658, 62-66. NIRSOUT 16*24；（嬰幼兒認(rèn)知）。