fNIRS从大脑中获取了哪些数据？

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fNIRS采集的大脑功能活动的重要指标主要有三种：氧合血红蛋白(HbO)浓度变化、脱氧血红蛋白(HbR)浓度变化、总血红蛋白(HbT)浓度变化。

这些重要指标的测量，以及严谨的实验设计和数据采集，能够帮助我们更深入地了解大脑的奥秘！

功能性近红外光谱成像技术(functional near infrared spectroscopy,fNIRS)是一种最新的无创功能性神经影像技术， 通过发射特定波长的近红外光穿透颅骨，近红外光在大脑穿行过程中，一部分光被大脑皮层血红蛋白吸收，通过计算的光的吸收量的变化，计算出大脑皮层血液中的主要成分氧合血红蛋白(HbO)和脱氧血红蛋白(HbR)的相对浓度变化，再利用一定规律反推大脑神经活动情况，达到非侵入性的检测大脑活动的目的，近年来在认知神经科学、心理学、教育学和医学等领域得到了广泛应用。

图1 fNIRS作用原理图

fNIRS究竟会采集到哪些有价值的数据，又是如何通过数据来解读大脑活动的，本文将带您深入了解fNIRS技术如何采集大脑数据。

fNIRS测量的数据指标

fNIRS主要测量的数据与大脑神经元活动时的血液流动和代谢紧密相关，是评估大脑功能状态的重要指标，主要有以下几个：

1.氧合血红蛋白(HbO)浓度变化：当脑区活动增加时，随着神经活动的增强，局部血流量和血氧量供应增加，导致HbO上升。它是反映神经活动变化的核心指标之一。fNIRS可以实时监测这种变化。

2.脱氧血红蛋白(HbR)浓度变化：相应的，当脑局部神经活动增加时，含氧血红蛋白浓度上升的同时脱氧血红蛋白浓度地下降，这也是反映脑神经活动的重要指标。

3.总血红蛋白(HbT)浓度变化：这是HbO和HbR之和，反映了局部血容量的变化。总血红蛋白浓度的变化可以提供关于血流量变化的附加信息。

图2 fNIRS主要采集指标曲线图

1.实验设计

a.任务设计：根据研究目标设计合适的任务或刺激，确保实验具有较高的可重复性。例如，认知任务可以包括记忆、注意或语言任务，运动任务可以涉及主动/被动运动或运动想象。

b.基线测量：在任务开始前进行基线测量，记录受试者的脑血氧水平，作为后续数据分析的参考。

2.设备校准

a.光源校准：确保光源强度和波长稳定，以避免实验过程中光强度的波动影响数据质量。

b.光功率动态调整：避免饱和或过低的信号强度。

3.数据采集

a.选择测量位置：根据研究目标选择合适的头皮位置，通常使用国际10-20系统定位，确保覆盖目标脑区。

b.光源和探测器的配置：根据需要配置单通道或多通道系统，确保覆盖目标脑区。光源和探测器之间的距离（通常为3cm）需要根据具体实验要求进行调整。

c.数据记录：使用数据采集软件记录光强度变化，并实时监控数据质量。确保采集环境稳定，避免外部光源干扰和受试者运动伪影。

图3 fNIRS装置应用场景图

fNIRS采集的大脑功能活动的重要指标主要有三种：HbO、HbR、HbT。在数据采集过程中：实验设计、光纤帽的佩戴、实验环境等因素对数据采集结果都有影响。

通过对HbO、HbR和HbT这些重要指标的测量，以及严谨的实验设计和数据采集过程，我们能够更深入地了解大脑的奥秘。

随着技术的不断发展和相关软件工具的日益完善，我们有理由相信，fNIRS在认知神经科学、心理学、教育学和医学等领域将发挥更加重要的作用，为大脑研究带来更多的突破和惊喜。

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