多模態(tài)功能神經(jīng)成像測(cè)量是什么，為什么要使用多模態(tài)測(cè)量?
     “整體大于部分之和”希臘著名哲學(xué)家亞里士多德的這句話，闡述了多模態(tài)功能神經(jīng)成像技術(shù)的目的。對(duì)于常見(jiàn)的神經(jīng)科學(xué)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，單一的功能神經(jīng)成像技術(shù)已經(jīng)足夠，但有些應(yīng)用仍需要與多種成像方法結(jié)合使用。

       多模態(tài)功能神經(jīng)成像可以評(píng)估大腦活動(dòng)的兩個(gè)甚至多個(gè)互補(bǔ)的特征，從而增加對(duì)大腦功能和行為更加深刻的認(rèn)知[1]。功能性神經(jīng)成像的方法包括：測(cè)量神經(jīng)元的電活動(dòng)，如腦電圖(EEG)或腦磁圖(MEG)，以及測(cè)量血流動(dòng)力學(xué)的活動(dòng)，如功能磁共振成像(fMRI)、正電子發(fā)射斷層掃描(PET)或功能近紅外成像(fNIRS)，多模態(tài)功能神經(jīng)成像則整合了神經(jīng)活動(dòng)的不同測(cè)量模式,研究大腦的結(jié)構(gòu)-功能特征[1]。

       這篇日志中主要討論了EEG與fNIRS結(jié)合的方法及應(yīng)用，以及這種方法的優(yōu)勢(shì)。

EEG概述
       EEG是一種常見(jiàn)且廣泛使用的神經(jīng)成像技術(shù)，可以記錄腦電活動(dòng)。EEG可在相對(duì)較高的采樣率下直接測(cè)量頭皮的腦電活動(dòng)，具有時(shí)間分辨率高的優(yōu)點(diǎn)。EEG測(cè)量是非侵入式、經(jīng)濟(jì)便攜的神經(jīng)成像技術(shù)。

       TMSi公司的SAGA設(shè)備即為一款無(wú)線便攜式的EEG系統(tǒng)，支持32或64通道的EEG數(shù)據(jù)采集。SAGA系統(tǒng)獨(dú)有的專(zhuān)利技術(shù)，完美地規(guī)避了工頻干擾和運(yùn)動(dòng)干擾，適合各種不同環(huán)境下的測(cè)試。

fNIRS概述
       功能性近紅外成像(fNIRS)是用近紅外光評(píng)估皮層血流動(dòng)力學(xué)活動(dòng)的變化并測(cè)量大腦活動(dòng)的技術(shù)[2]。和fMRI一樣，fNIRS可以測(cè)量大腦的血氧水平依賴(lài)性(BOLD)。但fMRI不但成本較高，還需要參與者在測(cè)量過(guò)程中保持不動(dòng)，而fNIRS提供了一種低成本且便攜的解決方案，適合不同場(chǎng)景下的測(cè)量，并且在實(shí)驗(yàn)中參與者可以進(jìn)行自由的活動(dòng)。與EEG相比，fNIRS測(cè)量的激活區(qū)域大約為1-2厘米，且fNIRS模式的空間定位程度更高[3]。
       
       Artinis公司的Oxymon設(shè)備即為一款fNIRS測(cè)量的成熟設(shè)備，它的發(fā)射光極采用了溫度穩(wěn)定的脈沖激光源，采樣率最高可達(dá)250Hz。但相比于單獨(dú)使用EEG或fNIRS技術(shù)，EEG-fNIRS可以更加準(zhǔn)確地識(shí)別大腦皮層的激活區(qū)域。
 

EEG和fNIRS結(jié)合的優(yōu)勢(shì)
       EEG 和 fNIRS 技術(shù)攜帶了互補(bǔ)的大腦信息，所反映的潛在神經(jīng)元活動(dòng)雖有不同但又密切相關(guān)。EEG-fNIRS結(jié)合的技術(shù)可通過(guò)刺激后大腦的電活動(dòng)和血流動(dòng)力學(xué)變化進(jìn)一步探索神經(jīng)血管耦合的情況。此外，由于EEG和fNIRS的模式都是便攜的，因此研究設(shè)計(jì)和實(shí)際測(cè)量設(shè)置的內(nèi)容都更加豐富，同時(shí)會(huì)對(duì)腦功能、心理認(rèn)知活動(dòng)方面有更深刻的認(rèn)識(shí)。

可同步測(cè)量EEG和fNIRS的設(shè)備
       開(kāi)發(fā)一種可將EEG和fNIRS測(cè)量相結(jié)合的設(shè)備，需要考慮EEG電極和fNIRS光極與受試者頭部的耦合情況、如何實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步、以及測(cè)量過(guò)程中發(fā)生電干擾的可能[1]。因此，TMSi和Artinis公司合作研發(fā)了一種新型的電極&光極支架，可以在同一位置使用EEG電極和fNIRS光極，如圖為T(mén)MSi公司的環(huán)形電極結(jié)合Artinis公司的針狀平頭光極的形式。這個(gè)支架將EEG電極和fNIRS光極集成到了一個(gè)EEG-NIRS的系統(tǒng)中。
 

圖2:NIRS - EEG組合支架。左:EEG電極和fNIRS光極的等距俯視圖。右:EEG電極、fNIRS光極和EEG凝膠所在的等距底部視圖

EEG-fNIRS的應(yīng)用領(lǐng)域
　　EEG-fNIRS結(jié)合后的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，主要包括腦機(jī)接口(BCI)、超掃描、中風(fēng)、帕金森病和癲癇的臨床研究等[1]。

EEG-fNIRS可作為監(jiān)測(cè)腦卒中患者輔助治療效果的工具[5]
       腦卒中的產(chǎn)生是由于腦部血管突然破裂或因血管阻塞導(dǎo)致血液不能流入大腦而引起腦組織損傷的疾病。陽(yáng)極經(jīng)顱直流電刺激(tDCS)可以調(diào)節(jié)大腦皮層的神經(jīng)活動(dòng)，產(chǎn)生腦血管反應(yīng)(CVR)，從而識(shí)別受損的神經(jīng)血管耦合(NVC)功能[4]。

       這項(xiàng)研究中，Anirban Dutta等人提出以EEG-fNIRS測(cè)量作為監(jiān)測(cè)tDCS過(guò)程中CVR和NVC變化的方法。實(shí)驗(yàn)招募了健康的受試者參與，所有受試者均接受了2 mA的tDCS,并進(jìn)行了“在線”和“離線”的EEG-fNIRS測(cè)量，實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖3所示。fNIRS測(cè)量使用Artinis公司的Oxymon MK III系統(tǒng)，它提供了高時(shí)間分辨率的連續(xù)腦氧合和血容量的監(jiān)測(cè)。
 
　　結(jié)果觀察到氧合血紅蛋白濃度在tDCS刺激的初始狀態(tài)下有降低趨勢(shì)，并伴隨著低頻帶(<10Hz)內(nèi)平均功率譜能量的增加，如圖4所示。

　　A) 　　
　　B)  圖4：(A)2mA陽(yáng)極HD-tDCS 開(kāi)始10 min靜息狀態(tài)下的fNIRS數(shù)據(jù)(紅-O2Hb;藍(lán)-Hb)
　　  (B)2mA陽(yáng)極HD-tDCS 開(kāi)始10 min靜息狀態(tài)下原始C1(圖1中④位置)通道的EEG數(shù)據(jù)時(shí)頻分析

　　因此,基于EEG-fNIRS測(cè)量的方法用于監(jiān)測(cè)腦卒中患者的腦血流和神經(jīng)血管耦合的反應(yīng)中是可行的。

結(jié)論
　　綜上，EEG和fNIRS結(jié)合的方法可以同時(shí)評(píng)估腦電活動(dòng)和腦血流活動(dòng)，有較高的應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)由于這兩種方法都是非侵入式，低成本，且便攜的，可為多種研究提供更多的可能性。Artinis公司提供多種fNIRS設(shè)備，用于EEG-fNIRS的組合方案設(shè)計(jì)。

相關(guān)設(shè)備簡(jiǎn)介及關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)
01 Artinis公司
Oxymon MK III系統(tǒng)
 

✦一款性能穩(wěn)定，用途廣泛，靈敏度高的fNIRS系統(tǒng)

✦可測(cè)量多達(dá)112個(gè)通道的腦組織氧合和血容量的變化，可輕松覆蓋全腦

✦與MRI兼容的光纖，使該設(shè)備可以在MRI內(nèi)部使用，并且光信號(hào)不會(huì)與EEG、TMS、TES等技術(shù)產(chǎn)生干擾

02 Artinis公司
Brite MKII
 

✦一款靈活可穿戴，適用于各年齡段人群的fNIRS系統(tǒng)

✦兩臺(tái)Brite MKII設(shè)備可測(cè)量54通道的腦組織氧合和血容量的變化，覆蓋全腦

✦與TMS, EEG，TES等技術(shù)結(jié)合使用無(wú)干擾

✦多功率增益，每個(gè)發(fā)射光極提供4種不同的功率水平

✦光極間距范圍可調(diào)：10 mm-55 mm

03 Soterix medical公司
高精度經(jīng)顱電刺激 HD-tES
 

✦多個(gè)直徑小于12 mm的環(huán)形電極，實(shí)現(xiàn)了電流聚焦

✦與EEG，fMIRS，fNIRS等神經(jīng)影像學(xué)設(shè)備兼容

✦5通道、9通道、17/33通道高精度經(jīng)顱電刺激儀可選

✦選配可自動(dòng)模擬電場(chǎng)在大腦皮層分布情況的軟件，優(yōu)化刺激方案

04 TMSi公司
SAGA設(shè)備

✦一款無(wú)線可穿戴式結(jié)合了多導(dǎo)生理數(shù)據(jù)包括肌電、皮電、皮溫、呼吸、脈搏、加速度，血氧等采集的EEG系統(tǒng)

✦規(guī)避了工頻干擾和運(yùn)動(dòng)干擾對(duì)研究的影響

✦32或64通道單極EEG輸入，2個(gè)雙極雙輸入和3個(gè)三路輔助輸入加一個(gè)數(shù)字輸入

參考文獻(xiàn)
[1]. Uchitel J, Vidal-Rosas EE, Cooper RJ, Zhao H. Wearable, Integrated EEG-fNIRS Technologies: A Review. Sensors (Basel). 2021;21(18):6106. Published 2021 Sep 12. doi:10.3390/s21186106

[2]. Boas DA, Elwell CE, Ferrari M, Taga G. Twenty years of functional near-infrared spectroscopy: introduction for the special issue. Neuroimage. 2014;85 Pt 1:1-5. doi:10.1016/j.neuroimage.2013.11.033

[3]. Wilcox T, Biondi M. fNIRS in the developmental sciences. Wiley Interdiscip Rev Cogn Sci. 2015;6(3):263-283. doi:10.1002/wcs.1343

[4]. Nitsche, M. A., and Paulus, W., Excitability changes induced in the human motor cortex by weak transcranial direct current stimulation.J. Physiol. 527(Pt 3):633–9, 2000.

[5]. Development of an EEG-fNIRS based online monitoring tool towards delivery of non-invasive brain stimulation. 36th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC’14). Chicago (2014).