功能近紅外光譜(fNIRS)是一種有效的、間接的光學神經成像方法,基于神經元激活和血管反應的緊密耦合來監測大腦激活的血流動力學反應。因其獨特的優點,使其天生適合于研究復雜運動刺激的皮質反應。該技術已被廣泛用于研究運動任務時的皮質反應。
由于人類皮層的運動區,即初級感覺運動皮層(primary sensory - motor cortex, PSMC)和運動前皮層(pre - motor cortex, PMC)位于離頭皮組織較近的位置,因此很容易進行光學測量。此外,用于復雜運動學習和運動控制的高級加工(如判斷、規劃、錯誤檢測)的前額葉皮層(PFC)也可以通過fNIRS快速獲取。圖1為在三維解剖MRI圖像上描繪的人類大腦皮層中每個運動相關區域的大致位置。
圖1
本文的目的是回顧有關文獻的研究,評估該技術在運動表現和神經疾病恢復中的貢獻。
皮質血流動力學對運動刺激的反應

腦血管意外患者誘發的皮層血流動力學變化
1、增加同側運動激活。神經成像數據表明,中風后患手的運動與同側皮質的激活增加有關,這表明未受損皮質的運動區域可自適應地補償疾病或損傷(Calautti和Baron, 2003)。
2、對側受累半球血流動力學反應減弱。一些研究報告,與健康對照組相比,腦卒中和膠質瘤患者對側受影響半球的皮質氧合變化較低或脫氧增加(Bhambhani等,2006;Fujiwara等人,2004;Murata等人,2002年;Sakatani等人,2003年)。
3、持續的側前額葉和內側前額葉激活。一個隨機fNIRS研究,對失調性中風患者與健康對照者的跑步機行走進行比較表明:中風患者在加速和穩態跑步機時需要持續的側向和內側PFC激活,而健康受試者在加速后不需要持續的PFC激活(Mihara et al., 2007)。
在進行康復策略之后,大腦皮層反應
1、研究表明康復技術可以控制患者皮層的激活,并可能改善運動(再)學習(Miyai et al., 2002)。Miyai等人(2002)進行了一項非隨機fNIRS研究,以確定癱瘓腿的機械輔助或骨盆區的便利技術是否能使中風患者在跑步機上行走任務中表現更好。客觀測量顯示:簡化技術顯著提高了受影響半球的節律和PMC激活。
2、有數據表明,上肢(如握力)縱向康復和下肢運動技能(如行走、跑步)可以“改善”側性(Miyai et al., 2003;武田等,2007)。具體而言,這些數據表明:康復后,患側大腦半球的對側皮質氧合變化增加,而同側皮質的貢獻減少。最后,對側PSMC的正常激活模式可能會恢復正常(Takeda et al., 2007)。因此,長期來看,受影響半球感覺運動激活的改善可能是中風功能恢復的基礎。
由于fNIRS技術的獨特優勢,提供了揭示皮質控制現實的日常運動行為的潛力。未來的研究將會進一步提高其復雜性。
參考文獻
Assessment of the cerebral cortex during motor task behaviours in adults: A systematicreview of functional near infrared spectroscopy (fNIRS) studiesDaniel Richard Leff a, Felipe Orihuela-Espina a, Clare E. Elwell b, Thanos Athanasiou a, David T. Delpy b,Ara W. Darzi a, Guang-Zhong Yang a? NeuroImage 54 (2011) 2922–2936