引領神經科學研究的全腦近紅外&腦電的多模態測量

隨著多模態腦科學研究的發展，科研圈涌現出一批高質量的近紅外功能成像和腦電結合的論文，以前在瀚翔生物公眾號就發表過：《如何用10個被試做近紅外和腦電結合的研究（該文介紹了利用方法學分析數據的多模態結合方案，被試數量較少，且文章質量較高）》和《使用NIRS作為基于腦電BCI性能的預測器（該文講述了使用近紅外作為腦電BCI控制的性能表現預測器，為BCI研究者提供了新的思路）》。

如今我們繼續介紹這種實用、低成本、非侵入式的多模態技術及其中涉及到的近紅外全腦測量系統。

近期發表在NeuroImage雜志（影響因子5.835）的論文——基于全腦靜息態下腦電圖&全腦近紅外多模態測量的自發神經活動血流相關性研究，采用了領先的近紅外全腦測量系統，為近紅外全腦測量的開拓者。（注：該文第二作者是紐約州立大學醫學中心，Randall Barbour，NIRX公司創始人，教授）。

文章簡介

基于全腦靜息態下腦電圖&全腦近紅外多模態測量的自發神經活動血流相關性研究。

研究目的

1、通過全腦放置fNIRS探頭與EEG電極來研究神經活動，同步采用特殊設計的Holder進行固定；  

2、用fNIRS—EEG測量整個頭部HbO、HbR和神經活動，同時使用EMG評估；

3、分析在休息狀態下，引起整個大腦皮層同步腦電信號和血流動力學之間的關系。

研究方法

1、所有的探測器和光源都采用holder進行放置；

2、所有的腦電電極都被安裝在光源和探測器之間。整體布局如下圖所示

Ps:這種塑料支架設計的目的是實現最大限度的光學成像和電的耦合，并在fNIRS-EEG實驗中保持距離和穩定性。

3、近紅外設備推薦使用NIRSOUT XP設備（深圳瀚翔獨家代理，NIRX近紅外），使用19 LED光源和19探測器進行測量，全腦近紅外測量系統；

4、光源和探測器放置位置：我們把光源和探測器放置在國際10-20系統中(FP1, FP2, F4, C4, P4,O2, F8, T4, T6, Fz, Cz,Pz, F3, C3, P3, O1, F7, T3, and T5)， EMG電極放置在F7和F8腦電圖（EEG）位置附近，靠近顳??；

5、被試群體：18名健康年輕被試，平均年齡26歲；

6、數據采集同步使用Presentation software觸發同步Marker。

A: 三聯體的塑料夾固定片,中間為EEG電極；

B：同步數據采集；

數據分析和結果

分析

1、利用修改后的比爾-朗伯定律，將光信號轉換為含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白濃度（HbO和HbR）；

2、腦電圖信號是由帶通濾波的0.5-70赫茲&全腦近紅外光學信號在0.01-0.5赫茲上進行預處理；

3、對于每個通道，腦電圖的功率譜圖是用一個1s的窗口計算的，其中有50%的重疊。然后在5赫茲的時候重新采樣腦電圖能量和光學時間序列。從所得到的信號中，計算出了光信號與腦電圖功率之間的交叉相關性。

結果

A：三聯體的塑料夾固定片,中間為EEG電極；

B：同步數據采集；

結論

1、全腦同步fNIRS-EEG記錄為研究神經血管耦合及其與病理大腦生理學的關系提供了一種很有前景的技術；

2、我們的研究結果表明，血液動力學在多個頻率上顯示了與神經活動相關的各種時間的相關性；

3、含氧血紅蛋白的顯著下降點和HBR濃度的峰值時緊隨其后的是腦電阿爾法活動的增加，大約是8s，特別是在枕骨和顳區。這一發現與fMRI核磁研究的結果一致，這些研究顯示了腦電圖阿爾法功率與血流信號響應之間的聯系。

該論文使用全腦近紅外測量系統（19光源和19探測器）布置在國際10-20系統中(FP1, FP2, F4, C4, P4,O2, F8, T4, T6, Fz, Cz,Pz, F3, C3, P3, O1, F7, T3, and T5)，是一種全新的近紅外功能成像測量研究，以往近紅外結合腦電測量往往只測量一個區域或者幾個電極點，沒有深入研究出腦電和近紅外結合的深入范式。

當然，深圳瀚翔獨家代理的BP腦電和NIRX近紅外不僅能夠實現上述的異位置腦電和近紅外測量研究，還能夠達成同位同步的近紅外&腦電測量系統，全腦測量系統不僅僅局限于19光源*19探測器，有更高配置的64光源*32探測器激光全腦測量近紅外系統。

拓展了解

目前，近紅外和腦電結合的多模態研究越來越成熟，隨之而生的是一些處理方法和研究方式，瀚翔作為一個平臺，總代理BP腦電和NIRX近紅外，可為更多老師和研究人員提供更多專業的神經科學和腦科學系統的解決方案，真摯邀請您關注瀚翔公眾號“瀚翔生物835259”，我們將更進一步推送更多前沿的研究文章和實驗設計方案，助力您更好地進行科研研究和實驗。