01

 研究背景

初步研究表明，健康成人在靜息態(tài)下左右前額葉皮層 (PFC) 的大腦氧合存在差異。這種稱為額葉大腦氧合不對(duì)稱 (FCOA) 的現(xiàn)象的特征是右側(cè)PFC組織氧合與左側(cè)相比更高。本研究的主要目標(biāo)是調(diào)查大量健康人的 FCOA，以闡明 FCOA 是否是一種真實(shí)且穩(wěn)健的現(xiàn)象。為了更好地理解這種現(xiàn)象，使用 SPA-fNIRS 來評(píng)估 FCOA 是否取決于全身生理活動(dòng)、絕對(duì)組織氧合或血紅蛋白濃度。另外還會(huì)探索時(shí)間生物學(xué)和心理變量對(duì) FCOA 以及靜息狀態(tài)下 PFC 的腦血流動(dòng)力學(xué)和氧合的影響。
 

02

研究方法
 

2.1、被試

共126名有效被試被招募，男性41名，女性85名，平均年齡24.7歲。
 

2.2、實(shí)驗(yàn)材料

無任務(wù)態(tài)范式。
 

2.3、實(shí)驗(yàn)過程

每個(gè)受試者進(jìn)行了四次測(cè)量，分別在四天的同一時(shí)間，以防止時(shí)間生物學(xué)偽影。他們被要求在整個(gè)測(cè)量過程中保持睜眼，并在測(cè)量過程中盡可能少地移動(dòng)頭部或身體以避免運(yùn)動(dòng)偽影。此外，受試者被要求在每次測(cè)量前后填寫兩份問卷以評(píng)估他們的情緒：積極和消極情緒量表 (PANAS)和自我評(píng)估模型測(cè)試 (SAM；五分制)。
 

2.4、數(shù)據(jù)采集和處理

Imagent (ISS Inc., Champaign, Illinois, USA) 用于確定PFC的 O2Hb、HHb、tHb和 StO2 的絕對(duì)值，采樣率為 2.5 Hz。Imagent 的光源由 16 個(gè) 760 nm 激光二極管和 16 個(gè) 830 nm 激光二極管組成。四個(gè)高靈敏度光電倍增管用作檢測(cè)器。根據(jù)國(guó)際 10 到 20 系統(tǒng)，傳感器被雙側(cè)放置在受試者的左右前額葉皮層（L-PFC 和 R-PFC）位置 Fp1 和 Fp2。兩個(gè) ISS 傳感器中的每一個(gè)都有四個(gè)光發(fā)射器和一個(gè)連接到光纖的光檢測(cè)器，將光傳送到光電倍增管。源到探測(cè)器間距為2.0、2.5、3.5 和 4.0 cm，源和探測(cè)器共線排列。
 

在分析之前，通過目視檢查去除極低 (StO2  100%) 的數(shù)據(jù)。StO2 和tHb信號(hào)中的運(yùn)動(dòng)偽影通過基于移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偏差和分段插值的移動(dòng)偽影減少算法 (MARA) 去除。對(duì)于 86% 的信號(hào)時(shí)間序列，無需使用 MARA 進(jìn)行處理。為了去除高頻噪聲，使用跨度為 2 分鐘的穩(wěn)健的二次多項(xiàng)式移動(dòng)平均 (RLOESS) 對(duì)信號(hào)進(jìn)行低通濾波。對(duì)于每次測(cè)量，計(jì)算每個(gè)大腦參數(shù)的基線階段的 5 分鐘中位數(shù)。對(duì)來自左PFC 和 右PFC 的 StO2 和 tHb的絕對(duì)值進(jìn)行平均以獲得整個(gè) PFC 的單一值。此外，側(cè)向指數(shù)（右PFC 和 左PFC 的絕對(duì)值之間的差異）已確定并用“Δ”表示。最后，計(jì)算每個(gè)個(gè)體受試者的 StO2 和 [tHb] 的中值和四分位距 (IQR)。
 

03

實(shí)驗(yàn)結(jié)果
 

3.1、左右PFC腦氧和差異

對(duì)于 StO2，我們發(fā)現(xiàn)右腦主導(dǎo)活性（ΔStO2 > 0）：在靜息狀態(tài)下檢測(cè)到高度顯著FCOA （圖1a）。tHb沒有顯示出顯著不對(duì)稱性（圖1b）。

圖1. 腦組織氧合和血流動(dòng)力學(xué)
 

3.2、腦氧合與全身生理狀態(tài)的相關(guān)性

下列變量呈正相關(guān)：ΔStO2與呼吸頻率（RR），StO2 與PETCO2，StO2 與tHb，PETCO2與心率，tHb與心率, HR與RR，tHb與 log(PRQ)(PRQ=脈搏-呼吸商數(shù))，PETCO2與log(PRQ)。
 

3.3、腦氧合與性別、季節(jié)變換、和一天中的時(shí)間的關(guān)系

在 StO2 和tHb中觀察到由于性別而產(chǎn)生的顯著差異。女性和男性組的 FCOA 表現(xiàn)出相同的季節(jié)性變化趨勢(shì)，秋季和冬季高于春季和夏季。男性的絕對(duì)[tHb]值在春夏季高于秋冬季。相反，與春季和夏季相比，在秋季和冬季觀察到女性的 [tHb] 值更高 （圖3a-d）。
 

男性和女性都在早上觀察到更高的 StO2 值。男性在清晨和傍晚表現(xiàn)出非常高的tHb值，但女性的趨勢(shì)幾乎相反。tHb值的最高 FCOA 分別出現(xiàn)在男性和女性的 10:00 和 14:00。無論性別如何，在早上和下午的 StO2 值之間都發(fā)現(xiàn)了非常顯著的差異。早晚的 StO2 值也存在顯著差異。沒有發(fā)現(xiàn)tHb的顯著變化（圖3e-h）

圖3. 腦氧合與性別、季節(jié)變換、和一天中的時(shí)間的關(guān)系。

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結(jié)論

本研究結(jié)果證明了FCOA存在，且與室溫、RR 和 PRQ 相關(guān)，但不受受試者情緒或睡眠類型的影響。這種較高的右側(cè) PFC 活性可能是由于靜息狀態(tài)下更顯著的抑制活性。StO2 和 [tHb] 的絕對(duì)值受全身生理活動(dòng)的影響，如 PETCO2、HR、RR 和 PRQ，以及性別。FCOA 和 StO2 分別取決于季節(jié)和時(shí)間。與春季/夏季相比，秋季/冬季的 FCOA 較高，而早上的 StO2 高于下午/晚上。這些相關(guān)發(fā)現(xiàn)只能使用 FD-fNIRS 儀器實(shí)現(xiàn)，該儀器能夠在使用 SPA-fNIRS 方法的同時(shí)測(cè)量絕對(duì)值。

Zohdi, H., Scholkmann, F. and Wolf, U., 2020. Frontal cerebral oxygenation asymmetry: intersubject variability and dependence on systemic physiology, season, and time of day. Neurophotonics, 7(2), p.025006 1-19.

DOI:10.1117/1.NPh.7.2.025006