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在人類腦功能的研究中，多模式監(jiān)測已變得相當(dāng)普遍，其中，功能近紅外光譜(fNIRS)和腦電圖(EEG)的同步測量成為一個(gè)備受關(guān)注的研究熱點(diǎn)。由于沒有光電干擾，將這兩種無創(chuàng)的腦活動(dòng)記錄程序整合起來是非常容易的。fNIRS和EEG都是頭皮定位的程序。fNIRS通過光譜測量來估計(jì)腦血流動(dòng)力學(xué)變化，腦電圖通過無源電壓評(píng)估（passive voltages evaluations）來捕捉大腦電活動(dòng)的宏觀時(shí)間動(dòng)態(tài)。這兩種技術(shù)所提供的“正交”的神經(jīng)生理學(xué)信息，以及研究者對(duì)神經(jīng)血管耦合現(xiàn)象日益增長的興趣，進(jìn)一步促進(jìn)了它們的整合。本文綜述了這兩種技術(shù)的原理和未來發(fā)展方向，并對(duì)這種靈活、低成本的神經(jīng)成像模式的主要臨床和非臨床應(yīng)用進(jìn)行了評(píng)價(jià)。fNIRS–EEG系統(tǒng)利用了兩種技術(shù)的優(yōu)勢，能夠在其他神經(jīng)成像方式（如功能性磁共振成像、正電子發(fā)射斷層掃描和腦磁圖成像）所不適合的環(huán)境或?qū)嶒?yàn)場景中進(jìn)行施測。fNIRS–EEG大腦監(jiān)測已成為一種有用的多模態(tài)腦電和血流動(dòng)力學(xué)研究工具。本文發(fā)表在Neurophotonics雜志。

PNAS:嬰兒早期記憶能力比我們想象的要高

1.引言

人類腦功能研究已成為科學(xué)界的一大興趣熱點(diǎn)。由于大腦活動(dòng)可以提供多種生理信息，多年來，已有多種技術(shù)被研發(fā)出來，用于研究自不同神經(jīng)生理機(jī)制的大腦信號(hào)。由于一直缺少一種特定的技術(shù)來記錄由這些信號(hào)產(chǎn)生的整個(gè)頻譜信息，大腦狀態(tài)的多模態(tài)同步監(jiān)測方法在過去十年中變得越來越普遍。在多模態(tài)監(jiān)測中，功能近紅外光譜(fNIRS)和腦電圖(EEG)的整合受到越來越多的關(guān)注。

fNIRS是一種相對(duì)較新的神經(jīng)成像技術(shù)，以其輕量便攜、成本較低的優(yōu)勢，逐漸成為使用甚廣的監(jiān)測大腦活動(dòng)的工具。fNIRS是一種基于頭皮的光學(xué)光譜測量方法，它使用光源和探測器來測量腦組織中的血流動(dòng)力學(xué)變化。fNIRS可以記錄血液氧飽和水平(BOLD)，即由于激活的大腦區(qū)域的氧需求增加而在大腦中發(fā)生的代償性血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)。fNIRS依賴于對(duì)后向散射光的差分測量，它對(duì)近紅外光譜范圍內(nèi)兩種主要振蕩吸收發(fā)色團(tuán)的濃度變化敏感:含氧和脫氧血紅蛋白(O₂Hb和HHb)。O₂Hb和HHb在近紅外(650 ~ 900 nm)范圍內(nèi)具有不同的吸收光譜。這種特性，加上水在相同波長范圍內(nèi)的低吸收率，使測量這些物質(zhì)的相對(duì)濃度和振蕩成為可能。多年來，fNIRS技術(shù)已成為一種廣泛應(yīng)用于不同人群和實(shí)驗(yàn)條件下的腦成像方法。

EEG是一項(xiàng)神經(jīng)學(xué)和神經(jīng)成像領(lǐng)域相對(duì)成熟的技術(shù)，它通過頭皮定位電壓的被動(dòng)測量，來捕捉大腦電活動(dòng)的宏觀時(shí)間動(dòng)態(tài)。設(shè)置適合捕捉宏觀的時(shí)間動(dòng)態(tài)腦電活動(dòng)通過被動(dòng)測量頭皮定位電壓。EEG系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于臨床和非臨床情境中，用以診斷和監(jiān)測大腦功能及功能障礙。

腦電活動(dòng)與其對(duì)應(yīng)的血流動(dòng)力學(xué)并沒有完美的時(shí)空對(duì)應(yīng)關(guān)系。它們的相互作用是通過神經(jīng)血管耦合機(jī)制介導(dǎo)的，可以使用聯(lián)合技術(shù)進(jìn)行研究。相反，如果假設(shè)一個(gè)神經(jīng)血管耦合模型，可以從多模態(tài)測量中獲得更高的神經(jīng)信號(hào)估計(jì)精度。這兩種記錄程序有很多優(yōu)點(diǎn)：fNIRS和EEG技術(shù)能較好地抵御運(yùn)動(dòng)偽跡，而且無明顯的物理限制，尤其是與功能磁共振成像(fMRI)、正電子發(fā)射斷層掃描(PET)或腦磁圖(MEG)相比。因此對(duì)更偏自然類型的認(rèn)知任務(wù)及在廣泛的受試人群(例如，從嬰兒到老年人)中都是可行的。此外，近紅外光譜和腦電圖不涉及暴露在高強(qiáng)度(>1 T)磁場或電離輻射。而且，硬件成本顯著低于大多數(shù)其他功能性腦成像方法。

本綜述的結(jié)構(gòu)如下:

第一部分描述近紅外光譜和腦電圖的物理原理、起源和發(fā)展。

第二部分分析兩種技術(shù)耦合的主要優(yōu)勢，并闡述fNIRS腦電圖測量的主要非臨床和臨床應(yīng)用。

最后，介紹近紅外與腦電整合的局限性、挑戰(zhàn)和未來發(fā)展方向。

有必要強(qiáng)調(diào)的是，在應(yīng)用部分，本綜述主要為讀者提供一個(gè)關(guān)于多模態(tài)方法應(yīng)用領(lǐng)域和研究目的的概覽，并非進(jìn)行元分析或者對(duì)具體研究發(fā)現(xiàn)進(jìn)行深入探究的目的。

2.技術(shù)，原理和演化

2.1 fNIRS

近紅外光在人類大腦研究中最常見的應(yīng)用就是fNIRS。fNIRS測量近紅外光譜范圍(650至950 nm)內(nèi)腦組織光學(xué)特性的變化，以估計(jì)與神經(jīng)活動(dòng)相關(guān)的HHb和O₂Hb濃度的波動(dòng)。事實(shí)上，HHb和O2Hb是這個(gè)光譜范圍內(nèi)主要的時(shí)變發(fā)色團(tuán)，它們提供不同的吸收光譜。這種特性，再加上水在相同波長范圍內(nèi)的低吸收率和高組織擴(kuò)散特性，使直接從頭皮測量這些物質(zhì)的相對(duì)濃度成為可能。基于血紅蛋白波動(dòng)測量，fNIRS可以記錄BOLD效應(yīng)，這是由于激活的大腦區(qū)域的氧需求增加而在大腦中發(fā)生的代償性血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)。由于BOLD響應(yīng)的低頻特性(<0.1 Hz)，fNIRS信號(hào)存在固有的低時(shí)間分辨率性能。功能性MRI測量BOLD效應(yīng)主要是因?yàn)槠鋵?duì)HHb的敏感性及其順磁特性，而fNIRS可以解耦BOLD響應(yīng)中的HHb和O2Hb波動(dòng)[圖1(a)]。還可以進(jìn)一步計(jì)算與腦血容量(CBV)變化相關(guān)的總血紅蛋白改變(HbT)。

J?bsis曾報(bào)告，近紅外光能夠穿過腦組織，這允許使用前向散射測量(transillumination)對(duì)組織中的氧氣變化進(jìn)行無創(chuàng)的連續(xù)監(jiān)測。Transillumination主要用于兒童，對(duì)成人大腦的研究效果有限;它被后向散射模式程序所取代。近紅外光譜系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)展迅速，到20世紀(jì)80年代中期，首次使用后向散射方法對(duì)大腦氧合進(jìn)行了研究。

標(biāo)準(zhǔn)的fNIRS測量依賴于入射光(使用功率為~ 1mw的光源)，并在后向散射幾何結(jié)構(gòu)中檢測它(通過高靈敏度的光探測器，達(dá)到單光子靈敏度能力)，其耦合(通道)在高度擴(kuò)散頭結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生典型的靈敏度模式[圖1(b)]。fNIRS通常依賴于通過光纖或纖維束向頭皮內(nèi)射入和探測光線。光纖在電方面絕緣于受試者，且它們可以使光源和探測器離頭皮足夠遠(yuǎn)。不同的儀器技術(shù)程序被開發(fā)出來，并用于近紅外光譜監(jiān)測。具體可以識(shí)別出三個(gè)主要類別，為時(shí)域(TD)、頻域(FD)和連續(xù)波(CW)記錄系統(tǒng)。TD系統(tǒng)使用非常短的光脈沖(picoseconds)，而FD系統(tǒng)使用無線電頻率調(diào)制的光(50 MHz)來研究感興趣的組織。由于其簡單的技術(shù)特點(diǎn)，CW系統(tǒng)是臨床和非臨床環(huán)境中最廣泛的系統(tǒng)。CW系統(tǒng)依賴于測量通過組織的光的CW成分。它們可以估計(jì)血紅蛋白和氧合隨時(shí)間的變化（通過使用先驗(yàn)微分路徑長度因子的改進(jìn)的Beer Lambert方程），但它們不能在通道水平上提供組織光學(xué)特性的絕對(duì)估計(jì)（吸收和減少散射系數(shù)）。當(dāng)空間分辨光譜方法被采用，它們可以測量區(qū)域腦氧飽和度(rSO2)和部分組織氧提取(FTOE)隨時(shí)間的變化。

本文主要介紹了連續(xù)波測量方法及其在fNIRS與EEG聯(lián)合中的應(yīng)用。整篇文章中提到和/或描述近紅外光譜時(shí)，我們指的是CWfNIRS，除非明確提到TD或FD系統(tǒng)。

由于光的靈敏度在給定的光源-探測器對(duì)上呈指數(shù)衰減(在幾厘米之內(nèi))，fNIRS提供了非常好的定位能力，平行于頭皮表面。然而，它需要多個(gè)optodes(源和探測器)來適當(dāng)?shù)馗采w興趣區(qū)[圖1(c)]。影響fNIRS測量的一個(gè)問題是它對(duì)頭皮相關(guān)(腦外)血紅蛋白振蕩的高度敏感性。然而，這種混雜因素可以通過研究多種光源-探測器距離的測量來克服。fNIRS根據(jù)源探測器的距離提供不同的深度靈敏度。一般來說，在成年人中，3厘米或以上的距離對(duì)腦外和腦相關(guān)的血流動(dòng)力學(xué)波動(dòng)都很敏感。相反，短距離(約1.5厘米)只對(duì)腦外血流動(dòng)力學(xué)成分敏感，因?yàn)樗鼈兊拿舾行阅Ｊ讲坏竭_(dá)大腦皮層。這一特性使得創(chuàng)建大腦活動(dòng)地形圖必須使用較長距離通道或者長短距離通道相結(jié)合的方式。基于通道的地形近紅外成像可以達(dá)到良好的深度靈敏度（距離頭皮約3厘米，使用較長的光源探測器距離），然而，血紅蛋白波動(dòng)的深度定位是有限的。

通過fNIRS (光散射成像，diffuse optical tomography, DOT)，利用不同光源探測器距離的不同光敏模式，可以實(shí)現(xiàn)血紅蛋白振蕩的層析成像重建。使用高密度光學(xué)陣列并結(jié)合多源探測器距離(約1.5 - 6cm)，可以從頭皮處獲得高達(dá)3cm的良好層析圖像，定位力為2mm，空間分辨率為1.5 cm (HD-DOT)。然而，HD-DOT所需的通道密度高，使得儀器昂貴，而且由于存在許多光電器件，難以實(shí)現(xiàn)同時(shí)使用EEG記錄。因此，在fNIRS-EEG聯(lián)合測量中，通常采用稀疏光學(xué)陣列。

近紅外光譜測量和相應(yīng)的信號(hào)處理技術(shù)隨著時(shí)間的推移而發(fā)展，它們與功能磁共振成像信號(hào)的成熟分析具有共同的特征。block設(shè)計(jì)、event設(shè)計(jì)和靜息態(tài)研究都可以使用。隨時(shí)間變化的信號(hào)分析包括：運(yùn)動(dòng)偽跡校正、濾波、平均、去卷積、一般線性模型(GLM)、主成分分析(PCA)和獨(dú)立成分分析。空間信號(hào)分析及相關(guān)統(tǒng)計(jì)程序一般依賴于濾波、主成分分析、空間聚類和錯(cuò)誤發(fā)現(xiàn)率控制程序(高斯隨機(jī)場理論等)。

圖1. (a) fNIRS在任務(wù)激活的大腦區(qū)域記錄的典型BOLD反應(yīng)示例。報(bào)告了每個(gè)時(shí)間點(diǎn)HHb和O₂Hb濃度的平均變化及其可變性(標(biāo)準(zhǔn)誤差)?；钴S腦區(qū)BOLD反應(yīng)的特征是O₂Hb的過度代償供應(yīng)與HHb的同時(shí)洗脫，典型的比值(O2Hb HHb)為3，只有少量的μmol變化。

(b)位于頭皮上的光源探測器對(duì)(fNIRS通道)的典型連續(xù)波光敏模式(對(duì)數(shù)刻度)冠狀頭部切片，覆蓋在結(jié)構(gòu)MRI上。光敏模式的計(jì)算采用有限元方法。

(c)一個(gè)可能的光學(xué)陣列和通道平均光敏模式的例子(對(duì)數(shù)尺度，多個(gè)通道的平均)，用于運(yùn)動(dòng)和感覺運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)成像，覆蓋在一個(gè)主體結(jié)構(gòu)MRI上，并提取灰質(zhì)。為了增加近紅外光譜技術(shù)的可視范圍，需要多個(gè)光源和探測器。

2.2 EEG

自從1924年首次在頭皮上記錄人類腦電以來，腦電圖(EEG)得到了廣泛的發(fā)展，并已成為最便宜、最快、適用范圍最廣的無創(chuàng)腦電生理監(jiān)測方法，尤其是在臨床環(huán)境中。腦電圖提供了非常高的大腦活動(dòng)時(shí)間分辨率(1毫秒)，通過神經(jīng)元過程的時(shí)間細(xì)節(jié)來跟蹤大腦動(dòng)力學(xué)信息。腦電圖信號(hào)是由大量神經(jīng)元同時(shí)激活產(chǎn)生的[圖2(a)]。在頭皮上檢測到的典型電壓值為μV量級(jí)。國際10-20系統(tǒng)是公認(rèn)的方法，用于將EEG傳感器放置于頭皮的標(biāo)準(zhǔn)位置。該系統(tǒng)是為了保證同一受試者隨時(shí)間變化的腦電圖測量的再現(xiàn)性和不同受試者測量結(jié)果的可比性。高密度陣列的傳感器數(shù)量從16個(gè)到256個(gè)不等。為了確保低阻抗(典型的彌漫性腦電圖放大器的值:5 kΩ)和與頭皮良好的電接觸，使用了表面導(dǎo)電凝膠或基于電解質(zhì)的溶液。研究者也一直在努力尋找提高測量前準(zhǔn)備速度和信噪比更好的方法，例如，對(duì)干電極或活性電極的測試。干電極不需要使用導(dǎo)電糊狀物質(zhì)，而主動(dòng)式電極（例如Biosemi設(shè)備）直接在頭皮上放大腦電圖信號(hào)，減少環(huán)境電噪聲的影響。

EEG信號(hào)是不同頻率和振幅的振蕩疊加，具有地形和任務(wù)相關(guān)的時(shí)間特異性。這些振蕩被稱為腦節(jié)律，可以通過頻率和時(shí)頻信號(hào)處理來量化和描述[圖2(b)]。傳統(tǒng)上，腦節(jié)律是根據(jù)頻率來分類的。腦節(jié)律的調(diào)節(jié)已被描述，并被證實(shí)與健康的大腦生理活動(dòng)有關(guān)，且節(jié)律改變與大腦病理狀態(tài)有關(guān)。第一個(gè)被觀察到的腦節(jié)律是Hans Berger在20秒內(nèi)通過腦電圖觀察到的大約10Hz的振蕩，即alpha節(jié)律（8 - 12Hz），位于閉眼、清醒且放松狀態(tài)的成年人枕-頂葉皮層區(qū)域。這種節(jié)律的振幅在睜眼后或覺醒增加期間減小。因此，alpha節(jié)律曾被認(rèn)為與睡意有關(guān)。最近，有人提出alpha節(jié)律調(diào)節(jié)在意識(shí)知覺中發(fā)揮作用，也與注意或任務(wù)相關(guān)認(rèn)知神經(jīng)策略下的感覺門控機(jī)制有關(guān)。beta波段(15 - 30Hz)傳統(tǒng)上被認(rèn)為是一種運(yùn)動(dòng)節(jié)律。事實(shí)上，beta波在運(yùn)動(dòng)和感覺加工及控制、等量收縮中的皮質(zhì)-脊髓耦合（corticospinal coupling in isometriccontractions）、本體感覺和感覺-運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)中都被觀察到。α和β節(jié)律的抑制是該區(qū)域參與任務(wù)的標(biāo)志[事件相關(guān)去同步化(event-relateddesynchronization, ERD);圖2 (b)]。最近的一個(gè)假說認(rèn)為，beta波存在于大腦在感覺和認(rèn)知過程中“status quo（維持現(xiàn)狀）”時(shí)。gamma振蕩(30~90Hz)在某些任務(wù)和條件下在較小的皮質(zhì)區(qū)域被觀察到，包括感覺運(yùn)動(dòng)或多感覺整合、刺激選擇、特征提取和整合、圖形識(shí)別（pattern recognition）、疼痛處理、共情、注意和記憶。健康人群在睡眠期間觀察到顯著的低頻活動(dòng)(delta波段:1~4 Hz)。強(qiáng)烈的delta節(jié)律在清醒成年人的靜息態(tài)EEG中出現(xiàn)，常與神經(jīng)紊亂有關(guān)。最后，在情緒喚醒和工作記憶(WM)任務(wù)，以及處理和控制新異和意外刺激中發(fā)現(xiàn)了theta波 (4~7.5 Hz)。

當(dāng)一個(gè)神經(jīng)元群的連續(xù)振蕩的階段被重置以響應(yīng)一個(gè)外部刺激或事件，一個(gè)誘發(fā)的反應(yīng)發(fā)生。誘發(fā)電位(EPs)或事件相關(guān)電位(ERPs)通常通過對(duì)一系列刺激的時(shí)序鎖定進(jìn)行平均得到的[圖2(c)]。假設(shè)大腦響應(yīng)區(qū)域?qū)γ總€(gè)刺激的激活都是相同的，而其他大腦區(qū)域的激活全部與之無關(guān)，因此，這些可能隱藏了感興趣激活的不相關(guān)噪聲可以通過平均來抑制[圖2(c)]。

3. fNIRS–EEG聯(lián)合：優(yōu)勢及應(yīng)用

fNIRS-EEG系統(tǒng)與單獨(dú)的EEG具有相似的靈活性。兩種方法的整合提供了關(guān)于大腦皮層的電和代謝-血流動(dòng)力學(xué)信息，并且沒有電光干擾。fNIRS-EEG聯(lián)合采集可以在非實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行（例如，自然環(huán)境、可移動(dòng)監(jiān)測、恒溫箱、床邊等），且不會(huì)對(duì)受試者造成嚴(yán)重不適。fNIRS-EEG系統(tǒng)的應(yīng)用主要包括非臨床和臨床兩方面。與臨床應(yīng)用相比，非臨床應(yīng)用通常采用更密集的光學(xué)和電子傳感器陣列。圖3(a)報(bào)告了以往使用fNIRS-EEG結(jié)合的測量方法發(fā)表的科學(xué)論文總數(shù)。雖然文獻(xiàn)研究可能不能完全概括整個(gè)科學(xué)成果，但我們發(fā)現(xiàn)在過去30年里有90多篇科學(xué)論文使用這種多模態(tài)腦成像方法。結(jié)合這兩種技術(shù)的科學(xué)研究始于90年代早期，并隨著時(shí)間的推移持續(xù)增加，在新世紀(jì)初略有下降。由于去年的論文是以2年(2015～2016年)為基準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的，所以虛線表示的是2019年末的預(yù)計(jì)出版量。如圖3(b)所示，非臨床和臨床應(yīng)用的總體科學(xué)成果相似，臨床研究的論文略多(45%非臨床和55%臨床)。

圖2. (a) 腦電圖信號(hào)產(chǎn)生的示意圖。大量神經(jīng)元的同步活動(dòng)產(chǎn)生電場，如果是同步的，電場可以累積產(chǎn)生足夠強(qiáng)的信號(hào)，可以被放置在頭皮上的電極檢測到。初級(jí)電流主要是樹突樹對(duì)應(yīng)的突觸電位的結(jié)果，樹突樹遵循優(yōu)先方向，就像錐體神經(jīng)元一樣。神經(jīng)元被腦組織包圍，即傳導(dǎo)介質(zhì)。初級(jí)電流激發(fā)細(xì)胞外電流流過這個(gè)介質(zhì)，并通過腦脊液、顱骨和頭皮。這些電流，被稱為次級(jí)電流或體積電流，到達(dá)頭皮并產(chǎn)生電壓差，由一對(duì)腦電圖電極檢測到。

(b)在視覺引導(dǎo)下，用右手執(zhí)行手指輕敲任務(wù)時(shí)，C3(位于左側(cè)運(yùn)動(dòng)皮層)處腦電圖信號(hào)的時(shí)頻表示示例。對(duì)于每個(gè)頻率，功率表示為相應(yīng)值在運(yùn)動(dòng)前周期的百分比變化，證明在運(yùn)動(dòng)過程中(ERD)的α和β節(jié)律減少，而在運(yùn)動(dòng)開始后的前500毫秒(ERS)內(nèi)，θ節(jié)律增加。

(c)通過模式反轉(zhuǎn)刺激獲得的VEP實(shí)例。腦電活動(dòng)采用128通道系統(tǒng)(EGI)記錄。

上:平均反應(yīng)鎖定刺激電極Oz(簡稱Cz)，放置在枕骨葉對(duì)應(yīng)的視覺皮層。VEP由一系列在特定延遲下的負(fù)-正-負(fù)峰值組成。被認(rèn)為是描述這些波的參數(shù)是延遲和這些峰值的振幅，這被稱為N(負(fù))或P(正)取決于與特定模板的極性。在VEP的情況下，可以看到N75-， P100-和n135成分。

下:左側(cè)為在p100潛伏期時(shí)所有EEG傳感器值在頭皮上方的插值圖。右側(cè)是通過頭皮電壓分布獲得的P100皮層來源，并將其疊加到由單個(gè)解剖磁共振圖像重建的真實(shí)皮層模型上。采用Curry 6.0 (Neuroscan)分析軟件進(jìn)行定位。有關(guān)定位程序的概述，請(qǐng)參閱Darvas等人的文獻(xiàn)。

3.1非臨床應(yīng)用

在非臨床應(yīng)用中，利用fNIRS-EEG系統(tǒng)的三個(gè)主要領(lǐng)域?yàn)?/span>：腦機(jī)接口(18%的非臨床應(yīng)用)、神經(jīng)血管耦合(35%)和健康腦功能研究(40%)。非臨床研究的一個(gè)次要領(lǐng)域是睡眠研究(占非臨床應(yīng)用的7%)[圖3(c)]。

3.1.1腦機(jī)接口

腦機(jī)接口(brain–computer interface, BCI)是fNIRS-EEG系統(tǒng)的主要應(yīng)用之一，由于fNIRS-EEG系統(tǒng)靈活性和便攜性的特點(diǎn)，它十分適用于BCI。BCIs允許通過腦電圖和/或其他記錄方式對(duì)大腦活動(dòng)的調(diào)制直接控制計(jì)算機(jī)或外部設(shè)備。事實(shí)上，已經(jīng)證明非侵入性的基于腦電圖的BCIs允許癱瘓和閉鎖綜合征患者的腦源性交流。從歷史上看，運(yùn)動(dòng)皮層腦電圖信號(hào)中ERD的發(fā)現(xiàn)以及alpha和beta節(jié)律的事件相關(guān)同步(ERS)為BCIs的發(fā)展鋪平了道路。事實(shí)上，在運(yùn)動(dòng)想象過程中，大腦在運(yùn)動(dòng)皮層中節(jié)律的調(diào)節(jié)是用于特征提取以實(shí)現(xiàn)機(jī)器控制的第一個(gè)參數(shù)。然而，僅依靠EEG的BCIs是有局限的，BCI指令的可靠檢測與腦電epoch長度是成比例的，難以實(shí)現(xiàn)較高的信息傳輸速率。此外，EEG- BCIs經(jīng)常將EEG信號(hào)錯(cuò)誤地歸類為命令，盡管受試者沒有執(zhí)行任何任務(wù)。最后，腦電圖信號(hào)通常是來自廣泛腦區(qū)的神經(jīng)活動(dòng)的混合，其中一些可能與BCI的目標(biāo)任務(wù)無關(guān)，從而損害BCI的性能。fNIRS-EEG系統(tǒng)與獨(dú)立腦電圖相比顯示出更高的敏感性和特異性。fNIRS信號(hào)可以作為EEG的聯(lián)合分類程序，或者可作為EEG激活的預(yù)測器。在這兩種情況下，使用fNIRS-EEG系統(tǒng)，可以發(fā)現(xiàn)更強(qiáng)大的基于腦電圖的腦接口分類器，總體上增加了腦接口性能的穩(wěn)定性。Fazli et al.，Almajidy et al.，和Koo et al.將fNIRS-EEG-BCI聯(lián)合應(yīng)用于感覺運(yùn)動(dòng)想象。感覺運(yùn)動(dòng)想象BCI的目標(biāo)是識(shí)別被試在什么時(shí)候想象一個(gè)特定的運(yùn)動(dòng)任務(wù)。Fazli等人估計(jì)，基于EEG的BCI控制可以通過之前的fNIRS激活來預(yù)測。利用fNIRS預(yù)測生成新的、更穩(wěn)健的、基于腦電圖的BCI分類器，在最大限度地減少性能波動(dòng)和增加BCI總體穩(wěn)定性的同時(shí)，顯著提高了分類能力。同時(shí)測量14名受試者的fNIRS和EEG (fNIRS在前額運(yùn)動(dòng)區(qū)和頂葉區(qū)有24個(gè)測量通道，EEG在整個(gè)頭部有37個(gè)電極)，提高了超過90%的受試者的運(yùn)動(dòng)想象分類精度，平均提高了5%的任務(wù)表現(xiàn)。Almajidy等人將BCI應(yīng)用于四項(xiàng)運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)(7名受試者，20個(gè)fNIRS通道，8個(gè)EEG傳感器，位于感覺運(yùn)動(dòng)皮層):左手、右手、雙手和雙腳的想象運(yùn)動(dòng)。利用fNIRS測得的O₂Hb濃度波動(dòng)斜率和EEG (8 ~ 30 Hz)的功率譜密度進(jìn)行特征提取。通過線性判別分析，其分類精度最高可達(dá)85%。與EEG-BCI相比，fNIRS-EEG- BCI在分類精度上有明顯提高。Koo等人專注于fNIRS-EEG自定進(jìn)度運(yùn)動(dòng)想像的BCI。他們用8個(gè)fNIRS通道和6個(gè)EEG傳感器對(duì)6名健康受試者的初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層進(jìn)行測量。他們報(bào)告說，混合系統(tǒng)的真陽性率約為88%，假陽性率為7%，平均反應(yīng)時(shí)間為10秒。

Khan等人以不同的方式應(yīng)用了fNIRS-EEG系統(tǒng)。他們嘗試在12名受試者中提取并解碼四種不同類型的大腦信號(hào)。12個(gè)fNIRS通道位于前額葉，8個(gè)EEG電極位于左右運(yùn)動(dòng)皮層。接受BCI實(shí)驗(yàn)的受試者被要求執(zhí)行四種類型的任務(wù):“向前”、“向后”、“向左”和“向右”命令。前后移動(dòng)的控制指令通過執(zhí)行算術(shù)心算任務(wù)來估計(jì)，與O₂Hb的變化有關(guān)。左右方向命令分別與右手和左手點(diǎn)擊相關(guān)聯(lián)。利用fNIRS-EEG技術(shù)對(duì)四種不同的控制信號(hào)進(jìn)行分類，獲得了較高的分類精度。

EEG-BCIs也可以通過穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位(SSVEP)分類進(jìn)行。SSVEP是對(duì)特定頻率的視覺刺激的自然反應(yīng)。當(dāng)視網(wǎng)膜被4~80Hz的視覺刺激刺激時(shí)，大腦就會(huì)產(chǎn)生相同頻率或頻率倍數(shù)的電活動(dòng)。其目的是辨別什么時(shí)候被試在看刺激物，并以高精度檢測刺激物的頻率。Tomita等人在對(duì)13名受試者進(jìn)行SSVEP分類時(shí)，著重研究了fNIRS和EEG的聯(lián)合使用。作者表明，僅將一個(gè)fNIRS通道與EEG測量相結(jié)合，就可獲得明顯的誤差率改善。

最后，基于fnirs的先驗(yàn)信息可納入變分貝葉斯多模態(tài)腦電圖方法中。作者應(yīng)用貝葉斯邏輯回歸技術(shù)，在統(tǒng)一的fNIRS-EEG框架下，將受試者的心理狀態(tài)解碼為空間注意任務(wù)。作者發(fā)現(xiàn)，基于fNIRS-ERD的解碼器比僅基于EEG傳感器信號(hào)的解碼器表現(xiàn)出顯著的性能改進(jìn)(8名受試者，49個(gè)fNIRS通道，64個(gè)腦電圖電極，位于頂葉和枕葉)。

3.1.2神經(jīng)血管耦合

局部神經(jīng)活動(dòng)伴隨著復(fù)雜的、異質(zhì)性的生物過程，如電活動(dòng)的產(chǎn)生和同時(shí)發(fā)生的代謝變化。電活動(dòng)和由代謝活動(dòng)引起的血流動(dòng)力學(xué)振蕩之間的潛在聯(lián)系通常被稱為神經(jīng)血管耦合。通過血管舒張過程，將過度補(bǔ)償?shù)难鹾涎鞴?yīng)給被激活的腦區(qū)。fNIRS-EEG聯(lián)合測量非常適合于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法的神經(jīng)血管耦合監(jiān)測，以及耦合已知情況下更好的神經(jīng)激活重建。神經(jīng)血管耦合的一個(gè)重要方面是，腦電活動(dòng)及其血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)并沒有一個(gè)完美的頻譜和時(shí)空對(duì)應(yīng)關(guān)系，也不是線性關(guān)系。

神經(jīng)血管耦合可以在不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)置中評(píng)估：靜息態(tài)、對(duì)外部感官刺激的反應(yīng)，以及操控血流參數(shù)和操控腦電狀態(tài)時(shí)。一些研究者通過fNIRS-EEG測量研究了大腦在休息時(shí)的神經(jīng)血管耦合。Keles等人使用一個(gè)稀疏覆蓋全頭的fNIRS-EEG系統(tǒng)(18名受試者，19個(gè)記錄位置，組合fNIRS和EEG傳感器)收集數(shù)據(jù)。關(guān)注頻譜-腦電圖對(duì)神經(jīng)血管耦合的影響，他們發(fā)現(xiàn)在枕葉區(qū)域有一個(gè)延遲的α激活(8 - 16 Hz)調(diào)節(jié)，以及一個(gè)強(qiáng)烈的β激活(16 - 32 Hz)對(duì)血流動(dòng)力學(xué)波動(dòng)的調(diào)節(jié)，這是由EEG中的α - β耦合產(chǎn)生的。Nikulin等人也關(guān)注了靜息狀態(tài)下特定的腦電圖頻譜特征與神經(jīng)血管耦合之間的聯(lián)系。他們研究了人類腦電圖(EEG)中單色超低振蕩(monochromatic ultraslow oscillations, 0.07 ~ 0.14 Hz)及其與血流動(dòng)力學(xué)的關(guān)系(10名受試者，26個(gè)fNIRS通道，58個(gè)EEG電極)。他們認(rèn)為這些振蕩可能來自神經(jīng)元外，反映了大腦血管舒縮。Pfurtscheller等人對(duì)9名受試者進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)EEG和額葉fNIRS測量，發(fā)現(xiàn)清醒休息時(shí)緩慢的中央前回HHb濃度震蕩可能暫時(shí)性地與感覺運(yùn)動(dòng)區(qū)腦電圖波動(dòng)耦合。Govindan等嘗試對(duì)自發(fā)腦活動(dòng)中的神經(jīng)血管耦合進(jìn)行量化。提出了一種結(jié)合fNIRS-EEG采集的神經(jīng)血管耦合量化方法。他們通過將兩個(gè)信號(hào)劃分為1-s epochs，將這兩種測量方法納入一個(gè)共同的動(dòng)態(tài)時(shí)間框架(DTF)。他們通過計(jì)算DTF中兩個(gè)信號(hào)的頻譜相干性來量化神經(jīng)血管耦合的程度。作者在模擬數(shù)據(jù)及四名嬰兒的新生兒腦病低溫治療過程中測試了他們的程序，并取得了積極的結(jié)果。特別是，根據(jù)他們的測量，發(fā)現(xiàn)恢復(fù)最好的嬰兒神經(jīng)血管耦合增加。

神經(jīng)血管耦合也可以在時(shí)間鎖定的大腦對(duì)外部刺激的反應(yīng)中進(jìn)行評(píng)估。Obrig等人在視覺刺激(EEG的視覺誘發(fā)電位，VEP)過程中結(jié)合了fNIRS和EEG，對(duì)15名受試者(枕葉皮層上2個(gè)fNIRS通道和5個(gè)EEG傳感器)對(duì)視覺習(xí)慣的腦電和血流動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了評(píng)估。作者發(fā)現(xiàn)，在刺激呈現(xiàn)期間， P100/ N135成分振幅減小，與組織氧合振幅減小密切相關(guān)。考慮N75/ P100成分時(shí)，神經(jīng)血管行為不明確。雖然強(qiáng)調(diào)了假設(shè)神經(jīng)血管耦合近似于線性現(xiàn)象，他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)計(jì)算P100/ N135成分振幅與血紅蛋白濃度變化的比值時(shí)，VEP成分振幅每增加1 μV, HHb耦合指數(shù)為0.2 μmol, O₂Hb耦合指數(shù)為+0.6 μmol。此外，Fabiani等人通過枕葉皮層fNIRS-EEG測量(fNIRS包括32個(gè)光源，8個(gè)探測器；EEG包括7個(gè)傳感器)，以及快速光信號(hào)和功能性MRI，研究了視覺刺激引起的神經(jīng)元和血流動(dòng)力學(xué)變化之間的關(guān)系?；?/span>ERP成分的C1位置反應(yīng)，年輕人(19名)和老年人(44名)均表現(xiàn)出神經(jīng)元和血流動(dòng)力學(xué)效應(yīng)之間的非線性(至少二次)關(guān)系，在高水平的神經(jīng)元活動(dòng)時(shí)血流動(dòng)力學(xué)響應(yīng)降低。

后來的研究著眼于基于血流狀態(tài)操控的神經(jīng)血管耦合。Babiloni等人研究了老年人高碳酸血癥（hypercapnia）期間血管舒縮反應(yīng)性和靜息態(tài)腦電圖節(jié)律的一致性。對(duì)20例患者進(jìn)行了靜息態(tài)閉眼fNIRS-EEG記錄。雙側(cè)額葉fNIRS（2通道）皮質(zhì)HHb和O2Hb濃度變化評(píng)估血管舒縮反應(yīng)。在不同的腦電圖頻帶下，計(jì)算所有電極(19個(gè)傳感器)的腦電圖相干性。高碳酸血癥導(dǎo)致O₂Hb升高，HHb降低，EEG的整體一致性降低。Vanhatalo等使用fNIRS-EEG系統(tǒng)對(duì)12名受試者進(jìn)行測量，探究人類大腦的血流動(dòng)力學(xué)變化是否產(chǎn)生低頻EEG反應(yīng)。他們在額頂葉區(qū)域使用了24個(gè)fNIRS通道和6個(gè)EEG通道。他們從不同的機(jī)理應(yīng)用無創(chuàng)顱內(nèi)血流動(dòng)力學(xué)操作:雙側(cè)頸靜脈壓迫、頭高位傾斜、頭低位傾斜、Valsalva動(dòng)作和Mueller動(dòng)作。他們觀察到，在所有操作過程中，腦電圖的變化都是緩慢的，在中線電極處的振幅最高(高達(dá)250 μV)，在頂點(diǎn)周圍的電壓梯度變化最明顯(高達(dá)15 μV /cm)。他們對(duì)緩慢腦電圖振蕩的神經(jīng)元外來源的解釋與Nikulin等人后來發(fā)現(xiàn)的類似。Dutta等人通過fNIRS-EEG評(píng)估了陽極經(jīng)顱直流電刺激(tDCS)期間的神經(jīng)血管耦合?；?/span>Hilbert Huang變換的分析程序，他們分析了慢性中風(fēng)治愈者，發(fā)現(xiàn)陽極tDCS在EEG上的不穩(wěn)定效應(yīng)與O₂Hb反應(yīng)有關(guān)。他們還發(fā)現(xiàn)，陽極tDCS開始時(shí)O₂Hb濃度的首次下降與0.5- 11.25 Hz頻段內(nèi)EEG平均強(qiáng)度的增加之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。

最后，基于以往提出現(xiàn)象，依賴于數(shù)學(xué)模型的神經(jīng)血管耦合方法被提出。Talukdar等人提供了一種基于混合模型的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法。他們應(yīng)用gamma傳遞函數(shù)（gamma transfer functions）來繪制EEG頻譜封波，反映在正中神經(jīng)電刺激期間測量的血流動(dòng)力學(xué)中神經(jīng)節(jié)律的時(shí)變強(qiáng)度變化。他們首先使用模擬fNIRS-EEG數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法，然后將該程序應(yīng)用于fNIRS-EEG實(shí)驗(yàn)記錄(fNIRS包括16個(gè)光源和8個(gè)探測器, EEG包括30個(gè)電極，全頭)。通過聚類分析發(fā)現(xiàn)，從EEG頻譜封波中預(yù)測fNIRS血流動(dòng)力學(xué)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。使用gamma傳遞函數(shù)發(fā)現(xiàn)，三名受試者fNIRS-EEG數(shù)據(jù)擬合具有顯著的聚類參數(shù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，采用多組gamma傳遞函數(shù)可以模擬神經(jīng)血管耦合關(guān)系，該方法可以更好地理解神經(jīng)血管耦合現(xiàn)象。

3.1.3 腦功能

fNIRS-EEG已被用于描述健康腦功能。在這一應(yīng)用領(lǐng)域中，fNIRS-EEG可以在生態(tài)性環(huán)境中研究在感覺刺激、語言、動(dòng)作意圖、WM，以及社會(huì)互動(dòng)或壓力事件的情緒下的大腦活動(dòng)在空間和時(shí)間上的血流動(dòng)力學(xué)和腦電變化。Ehlis等人對(duì)10名受試者進(jìn)行了fNIRS-EEG測量(額顳區(qū)22個(gè)fNIRS通道和3個(gè)中線EEG電極)，以評(píng)估人類聽覺感覺門控的皮質(zhì)相關(guān)。感覺門控是指大腦網(wǎng)絡(luò)抑制大腦對(duì)無關(guān)環(huán)境刺激的反應(yīng)，以防止信息溢出的能力。聲音門控通常是根據(jù)反復(fù)出現(xiàn)特定的聲音刺激后P50波幅(電生理記錄中ERP的早期成分)的降低來評(píng)估的。將血流動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)與電生理信息相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)感覺門控與左前額葉和顳葉皮質(zhì)血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)的強(qiáng)度呈正相關(guān)。這一結(jié)果強(qiáng)化了前額葉皮層可能抑制初級(jí)聽覺的假設(shè)。Takeda等人最近研究了愉快和不愉快聽覺刺激對(duì)12名受試者前額葉皮層的影響，結(jié)合fNIRS-EEG測量和其他自主神經(jīng)系統(tǒng)監(jiān)測。作者發(fā)現(xiàn)兩側(cè)前額葉皮層的血流動(dòng)力學(xué)活動(dòng)增加，當(dāng)受到愉快的刺激時(shí)，左側(cè)會(huì)更活躍，而當(dāng)受到不愉快的刺激時(shí)，右側(cè)會(huì)更活躍。愉快和不愉快的刺激都引發(fā)更強(qiáng)的alpha波。在感覺相關(guān)的大腦反應(yīng)的研究中，視覺刺激的研究采用了聯(lián)合測量方法。Jau?ovec和Jau?ovec利用fNIRS-EEG(多種距離布局8個(gè)fNIRS通道和19個(gè)EEG傳感器，位于左側(cè)額葉)測量了30名男性和30名女性在視覺和聽覺刺激過程中大腦處理的性別差異。fNIRS結(jié)果顯示，男性在執(zhí)行任務(wù)時(shí)的氧飽和度高于女性。在腦電活動(dòng)中，早期誘發(fā)的fNIRS反應(yīng)和P3成分的波幅存在性別差異，視覺刺激比聽覺刺激更明顯?？偟膩碚f，女性的視覺事件分類效率高于男性。

其他多模態(tài)實(shí)驗(yàn)側(cè)重于感覺運(yùn)動(dòng)反應(yīng)和動(dòng)作意圖范式。Takeuchi等人研究了18名青年受試者右正中神經(jīng)電刺激時(shí)體感皮層的血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)和神經(jīng)活動(dòng)關(guān)系。他們開發(fā)了一種用于fNIRS和EEG的帽子，全頭103個(gè)fNIRS和32個(gè)EEG通道?；?/span>GLM的血流動(dòng)力學(xué)信號(hào)分析顯示，刺激呈現(xiàn)時(shí)對(duì)側(cè)初級(jí)軀體感覺區(qū)O₂Hb濃度增加，隨后反應(yīng)擴(kuò)散到更廣泛的后側(cè)和同側(cè)軀體感覺區(qū)。腦電圖數(shù)據(jù)顯示，對(duì)側(cè)軀體感覺區(qū)陽性體感誘發(fā)電位(somatosensory evoked potentials，SEPs)在22 ms潛伏期(P22)達(dá)到峰值。fNIRS和EEG地形圖顯示血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)與P22的電流源密度顯著相關(guān)。此外，延時(shí)GLM分析強(qiáng)調(diào)了層次軀體感覺通路中神經(jīng)激活的時(shí)間順序。Pfurtscheller等人研究了自發(fā)運(yùn)動(dòng)行為(如手指運(yùn)動(dòng))的啟動(dòng)是否與緩慢的O₂Hb和靜息時(shí)的腦電波有關(guān)。他們用fNIRS和EEG信號(hào)(少數(shù)通道系統(tǒng))分析了10名健康受試者在休息時(shí)的感覺運(yùn)動(dòng)和前額葉區(qū)域的HHb和O₂Hb。他們發(fā)現(xiàn)，靜息時(shí)O₂Hb峰值緩慢波動(dòng)3秒后，腦電圖β波增加，這表明中樞運(yùn)動(dòng)皮層神經(jīng)元的緩慢興奮性變化可能觸發(fā)自主運(yùn)動(dòng)行為。

一些研究關(guān)注重力條件變化過程中與本體感覺相關(guān)的大腦狀態(tài)。重力條件的變化對(duì)神經(jīng)生理過程和相關(guān)的神經(jīng)認(rèn)知損傷的影響對(duì)航空航天應(yīng)用具有重要意義。Brümmer等人強(qiáng)調(diào)了fNIRS-EEG成像在兩名受試者非典型重力條件下評(píng)估神經(jīng)生理過程的適應(yīng)性。Smith等人研究了12名參與者在超重力暴露過程中前額葉皮層活動(dòng)(32個(gè)EEG傳感器)和腦氧合(2個(gè)fNIRS通道)之間的關(guān)系。事實(shí)上，人工重力已經(jīng)被提出作為一種對(duì)抗長時(shí)間太空飛行的生理失調(diào)的方法;然而，超重對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)影響評(píng)的評(píng)估較少。研究人員發(fā)現(xiàn)，在超重時(shí)，腦電圖前額葉皮層的活動(dòng)顯著增加。此外，由于超重力暴露，前額葉皮質(zhì)氧合顯著降低。腦電圖前額葉皮層活動(dòng)與血流動(dòng)力學(xué)變量之間無顯著相關(guān)性。因此，作者得出結(jié)論，EEG前額葉皮層活動(dòng)的增加可能歸因于心理壓力，這可能會(huì)給使用短臂人體離心機(jī)帶來問題。

在注意與WM的神經(jīng)相關(guān)性研究方面也做了一些工作。buti等人通過使用16通道fNIRS和19通道EEG系統(tǒng)研究和描述了9名受試者持續(xù)注意過程中的神經(jīng)相關(guān)性。兩種模式的結(jié)果很一致，在執(zhí)行任務(wù)的過程中，兩種模式都在額葉中上和顳葉區(qū)域表現(xiàn)出較高的大腦活動(dòng)。Jau?ovec和Jau?ovec通過改變fNIRS-EEG(分別為8和19通道)的大腦活動(dòng)模式，研究了訓(xùn)練對(duì)30名參與者WM任務(wù)的影響。WM訓(xùn)練顯著提高了所有流體智力測試的表現(xiàn)。在WM期間，訓(xùn)練組腦電圖腦活動(dòng)模式的變化主要在theta和alpha波段。訓(xùn)練后大腦活動(dòng)的血流動(dòng)力學(xué)模式從右腦高半球的激活轉(zhuǎn)變?yōu)轭~葉兩側(cè)的平衡活動(dòng)。腦電和血流動(dòng)力學(xué)模式提示訓(xùn)練對(duì)WM有影響。

此外，fNIRS-EEG系統(tǒng)被應(yīng)用于語言相關(guān)過程的研究。語言包括聽覺和視覺任務(wù)以及更復(fù)雜的大腦機(jī)制。因此，多模態(tài)腦成像方法幾乎是表征其特征的必要條件。fNIRS-EEG協(xié)同配準(zhǔn)結(jié)合了高時(shí)間和空間分辨率，為語言實(shí)驗(yàn)中的功能連接研究提供了獨(dú)特的機(jī)會(huì)。測量腦電和代謝活動(dòng)是必要的，多模態(tài)方法應(yīng)是無創(chuàng)性的，特別是對(duì)兒童。Wallois等人回顧了同時(shí)使用fNIRS和EEG的優(yōu)點(diǎn)，它可以更好地理解語言過程中涉及的大腦機(jī)制。

情緒感知也是一個(gè)適合使用多模態(tài)方法的研究領(lǐng)域。與其他方法相比，fNIRS在情緒研究方面具有許多優(yōu)勢，尤其是與EEG相結(jié)合。在監(jiān)測大腦活動(dòng)的不同方法中，fNIRS特別適合測量前額葉皮層的活動(dòng)，這是參與情緒處理的區(qū)域之一。Balconi等使用fNIRS-EEG(前額葉，6通道fNIRS系統(tǒng)和16通道EEG系統(tǒng))研究了情緒圖像的大腦處理。20名研究對(duì)象被要求觀察和評(píng)價(jià)情感圖片。然后，多模態(tài)測量與自我報(bào)告數(shù)據(jù)相關(guān)，如主觀評(píng)估的效價(jià)(積極與消極)和喚醒度(高與低)。負(fù)效價(jià)條件下右側(cè)前額葉O₂Hb增加，表明情緒模式的特定效價(jià)(負(fù))誘發(fā)了相關(guān)的偏側(cè)化效應(yīng)。此外，腦電圖活動(dòng)，特別是在theta和delta波段，與負(fù)性情緒模式下右側(cè)的血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)有關(guān)。血流動(dòng)力學(xué)與皮質(zhì)腦電圖之間的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)了重要的效應(yīng)。Hoshi等也研究了愉快與不愉快情緒的反應(yīng)。19名受試者分別觀看了消極、積極和中性圖片。同時(shí)測量fNIRS(前額16個(gè)通道)、ERPs(6個(gè)EEG電極)、全身血壓和脈搏率。發(fā)現(xiàn)不愉快情緒伴雙側(cè)腹外側(cè)前額葉皮質(zhì)O₂Hb增加，而非常愉快情緒伴左背外側(cè)前額葉皮質(zhì)O₂Hb減少。Herrmann等采用fNIRS-EEG系統(tǒng)（分別為22通道和4通道），對(duì)16名受試者的枕葉皮層的激活情況進(jìn)行了研究，枕葉皮層受積極、消極情緒刺激調(diào)節(jié)。ERP結(jié)果顯示，無論是積極刺激還是消極刺激，枕葉皮質(zhì)的早期后葉負(fù)波都有所增加。此外，積極和消極刺激下的枕葉皮層HHb顯著低于中性刺激。這一結(jié)果可以通過在觀看帶有情緒內(nèi)容的圖片時(shí)發(fā)生的選擇性注意來解釋。使用fNIRS作為心理狀態(tài)分析的替代技術(shù)也已被研究，并與其他傳統(tǒng)技術(shù)如EEG和外周動(dòng)脈張力測定法（peripheral arterial tonometry）相比較。7名受試者被處以應(yīng)激與恢復(fù)任務(wù)，在額葉區(qū)域記錄了6通道fNIRS和10通道EEG信號(hào)。fNIRS結(jié)果顯示，所有對(duì)特定刺激敏感的受試者在應(yīng)激期間前額皮質(zhì)HbT增加，在愈恢復(fù)階段HbT降低。

fNIRS-EEG記錄也非常適合于研究社會(huì)互動(dòng)。在Konvalinka和Roepstorff中，對(duì)社會(huì)互動(dòng)過程中大腦狀態(tài)的相關(guān)研究方法進(jìn)行了綜述。所回顧的研究使用fMRI、EEG或fNIRS，記錄定量血流動(dòng)力學(xué)相互耦合或大腦節(jié)律的調(diào)節(jié)，個(gè)體內(nèi)部或人際之間，并整合各種概念框架。在社交互動(dòng)方面，采用近紅外光譜(fNIRS)和腦電圖(EEG)的超掃描方式，使用同一儀器可記錄多名受試者。fMRI雙記錄線圈的超掃描方法已經(jīng)被描述過。這種方法非常適合研究社交互動(dòng)，因?yàn)椴恍枰缭O(shè)備校準(zhǔn)，不存在同步問題，而且實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)很容易實(shí)現(xiàn)。

3.1.4 睡眠

多模態(tài)fNIRS-EEG記錄可適用于睡眠期間的長時(shí)間大腦監(jiān)測，因?yàn)樵撓到y(tǒng)具有靈活性和便攜性。結(jié)合fNIRS-EEG測量被應(yīng)用于睡眠階段或清醒到睡眠過渡的研究。在這種情況下，EEG主要提供不同睡眠狀態(tài)的信息(如非REM期、REM期或覺醒-睡眠過渡)，而fNIRS則估計(jì)不同階段血紅蛋白的血流動(dòng)力學(xué)波動(dòng)。Pierro等人利用位于前額葉的兩個(gè)多距離探測器，研究了五名受試者在睡眠期間大腦HHb和O₂Hb濃度的自發(fā)低頻振蕩(LFOs)的振幅和相位。有趣的是，通過運(yùn)用相量代數(shù)，他們能夠估計(jì)CBV和腦血流速度的振蕩。通過利用兩種血紅蛋白的相位差異，他們發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于清醒和快速眼動(dòng)睡眠狀態(tài)，非快速眼動(dòng)睡眠期間HHb與O2Hb的LFOs相位超前更大（～π∕2）。波幅分析強(qiáng)調(diào)了在非快速眼動(dòng)睡眠中，相對(duì)于清醒和快速眼動(dòng)睡眠狀態(tài)，兩種形式的血紅蛋白都受到抑制(振幅最大下降87%)。相關(guān)的CBV和CBFC振蕩在睡眠期間保持相對(duì)相位差，在非快速眼動(dòng)睡眠期間其振幅減弱?？傊髡邚?qiáng)調(diào)了矢量代數(shù)在睡眠階段LFO研究中的作用。已有研究描述了睡眠狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)的腦內(nèi)血流動(dòng)力學(xué)。通過研究9名受試者的額葉區(qū)域(1個(gè)fNIRS通道和7個(gè)EEG通道)，觀察到睡眠開始時(shí)HbT濃度下降和睡眠結(jié)束時(shí)HbT濃度升高，效應(yīng)平均持續(xù)3秒。結(jié)果表明，相對(duì)于睡眠而言，清醒時(shí)大腦灌注出現(xiàn)過度代償性的增加。

Pizza等人是唯一研究睡眠中fNIRS-EEG時(shí)間關(guān)系的人。他們利用8個(gè)近紅外光譜(fNIRS)通道和4個(gè)腦電圖(EEG)通道，考察了3名受試者睡眠周期性下肢運(yùn)動(dòng)(PLMS)相關(guān)的同步信號(hào)變化。PLMS是一種發(fā)生在睡眠期間的運(yùn)動(dòng)障礙。他們發(fā)現(xiàn)PLMS經(jīng)常與大腦血流動(dòng)力學(xué)中振幅的增加有關(guān)，而且還與腦電圖特征的改變有關(guān)。

圖3. (a) 1990年至2016年發(fā)表的科學(xué)論文數(shù)量，5年為一個(gè)周期。從宏觀應(yīng)用領(lǐng)域(非臨床應(yīng)用和臨床應(yīng)用)和總體數(shù)量兩方面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。虛線表示預(yù)計(jì)在2019年底發(fā)表的數(shù)量，因?yàn)樽詈笠粋€(gè)時(shí)間周期僅包括兩年內(nèi)(2015年至2016年)發(fā)表的論文。

(b)按宏觀應(yīng)用領(lǐng)域分類的餅狀圖。

(c)非臨床研究論文各領(lǐng)域分類餅圖。

(d) 臨床研究論文各領(lǐng)域分類餅圖。

3.2 臨床應(yīng)用

臨床研究主要集中在新生兒(占臨床應(yīng)用的37%)和癲癇(占27%)[圖3(d)]。雖然應(yīng)用略少，但fNIRS-EEG在術(shù)中環(huán)境中應(yīng)用良好(手術(shù)，16%)。次要臨床應(yīng)用為康復(fù)(占臨床應(yīng)用的8%)、兒童發(fā)展(6%)和精神病學(xué)(6%)。

3.2.1 新生兒

對(duì)危重早產(chǎn)兒和足月嬰兒進(jìn)行持續(xù)的神經(jīng)功能監(jiān)測是必須的。由于其無創(chuàng)性和便攜性，EEG是最適合持續(xù)監(jiān)測腦電活動(dòng)的技術(shù)。的確，振幅整合腦電圖（amplitude-integrated electroencephalography , aEEG）經(jīng)常使用在新生兒重癥監(jiān)護(hù)病房：有限數(shù)量的EEG通道放置于新生兒頭皮上，通常只有一對(duì)，在雙側(cè)頂葉或者中間區(qū)域，數(shù)據(jù)以半對(duì)數(shù)時(shí)間壓縮標(biāo)度（semilogarithmic timecompressed scale）顯示。EEG的有效性在早產(chǎn)兒、足月嬰兒缺氧缺血和疑似癲癇發(fā)作的嬰兒中已被證實(shí)。在這種情況下，fNIRS被用來無創(chuàng)地收集表征代謝活性的參數(shù)，通常使用少量的光極。HHb和O₂Hb、rSO₂和FTOE的變化提供了一種持續(xù)監(jiān)測腦氧失衡的方法。關(guān)于新生兒腦狀態(tài)的近紅外研究，值得強(qiáng)調(diào)的是，盡管與本綜述的主題并不嚴(yán)格相關(guān)，但FD-NIRS和擴(kuò)散相關(guān)光譜(DCS)聯(lián)合測量在fNIRS和新生兒群體中引起了極大的興趣。事實(shí)上，FDNIRS-DCS系統(tǒng)允許定量評(píng)估早產(chǎn)兒和患有缺氧腦病或先天性心臟病的嬰兒的腦血流。

fNIRS技術(shù)與EEG技術(shù)的結(jié)合可能成為未來新生兒腦監(jiān)測的發(fā)展方向。目前，兩種不同的傳統(tǒng)fNIRS和EEG系統(tǒng)通常同時(shí)進(jìn)行同步測量。特別是，在雙側(cè)頂葉或顳葉區(qū)域的近紅外傳感器很少與腦電圖一起應(yīng)用。

低氧輸送可能是早產(chǎn)和足月新生兒腦損傷的原因。目前，腦冷卻是新生兒窒息的首選治療方法，近紅外光譜(fNIRS)聯(lián)合腦電圖(EEG)可能是監(jiān)測低體溫過程中CBV、腦氧合和腦電活動(dòng)的一種有價(jià)值的方法，可能揭示其療效。此外，一些研究考察了fNIRS-EEG監(jiān)測對(duì)窒息的預(yù)后價(jià)值，但沒有結(jié)論性的結(jié)果。在生命的前72小時(shí)內(nèi)，fNIRS在監(jiān)測大腦氧飽和度以指導(dǎo)治療方面的功效也在臨床試驗(yàn)中得到了研究:在fNIRS指導(dǎo)治療的嬰兒中，EEG結(jié)果證明，大腦缺氧的負(fù)擔(dān)減輕了。

近紅外光譜(NIRS)和腦電圖(EEG)已被用來描述嬰兒大腦功能的變化。在觀察到癲癇發(fā)作的神經(jīng)損傷患者中，經(jīng)常發(fā)生短暫的血流動(dòng)力學(xué)事件。在早產(chǎn)兒中，聯(lián)合技術(shù)可能會(huì)對(duì)大腦功能提供新的見解，以識(shí)別出出生后潛在的脆弱狀況，并更好地理解所需的治療。事實(shí)上，腦電圖活動(dòng)的成熟程度增加與腦氧提取的變異性降低有關(guān)，并伴隨著FTOE的增加。此外，出生后一小時(shí)的氧合可能是大腦脆弱的一個(gè)生物標(biāo)志。

在產(chǎn)后過渡期間，即出生后的前15分鐘內(nèi)，fNIRS和EEG提供的有用信息可能有助于指導(dǎo)復(fù)蘇。起初低腦活動(dòng)(即低腦電圖活動(dòng))的新生兒在出生后立即過渡期間同時(shí)顯示低rSO2值，需要復(fù)蘇的受損新生兒表現(xiàn)出與未受損新生兒不同的大腦活動(dòng)。此外，fNIRS-EEG聯(lián)合腦監(jiān)測已被用于監(jiān)測動(dòng)脈轉(zhuǎn)換手術(shù)中深低溫循環(huán)停止時(shí)的腦功能。重癥監(jiān)護(hù)病房的一個(gè)重要問題是了解嬰兒對(duì)他們所接受的痛苦治療的反應(yīng)。一種測量嬰兒大腦對(duì)周圍傷害和感覺刺激的反應(yīng)的多模態(tài)方法已經(jīng)被測試。通過fNIRS和EEG同時(shí)檢測(1)大腦反應(yīng)，(2)通過肌電圖檢測戒斷反射活動(dòng)，(3)通過脈搏血氧儀、心電圖和呼吸檢測自主反應(yīng)，(4)通過視頻監(jiān)測的行為活動(dòng)對(duì)兩種刺激測量的敏感性和特異性均為100%。值得注意的是，對(duì)體感和傷害性刺激反應(yīng)的單試次分析表明，在個(gè)體水平上，電生理和血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)并不總是同時(shí)發(fā)生。這一結(jié)果強(qiáng)調(diào)了對(duì)新生兒進(jìn)行EEG-fNIRS綜合腦監(jiān)測的必要性。對(duì)于感官刺激，一種綜合方法也可以成功地應(yīng)用于研究新生兒對(duì)其他形式刺激的大腦反應(yīng)，例如光刺激時(shí)的視覺反應(yīng)，以及在正常發(fā)育過程中監(jiān)測大腦的感覺處理能力。比如嬰兒在出生后6個(gè)月內(nèi)的聲音處理。

3.2.2 兒童

fNIRS-EEG記錄也用于監(jiān)測患病或受傷兒童(學(xué)齡前和小學(xué)年齡)的大腦狀態(tài)。fNIRS-EEG監(jiān)測特別適合于研究兒童的大腦反應(yīng)，而不會(huì)引起嚴(yán)重的約束和不適。這對(duì)患有神經(jīng)發(fā)育問題的兒童尤其重要。

Zennifa等人使用無線fNIRS-EEG聯(lián)合記錄監(jiān)測了智力發(fā)育遲緩兒童的無約束認(rèn)知狀態(tài)。Marx等人通過神經(jīng)反饋方法研究了fNIRS對(duì)兒童注意缺陷多動(dòng)障礙(ADHD)的治療。該研究對(duì)ADHD患兒前額葉皮層O₂Hb進(jìn)行了測量和反饋。將fNIRS-神經(jīng)反饋與EEG（皮層慢電位）和肌電圖(electromyographic , EMG)信號(hào)(即左右岡上肌的肌肉活動(dòng))反饋進(jìn)行比較。該任務(wù)被用來增加或減少前額葉皮層的血流動(dòng)力學(xué)活動(dòng)(fNIRS)，產(chǎn)生SCP的正或負(fù)轉(zhuǎn)換(EEG)，或增加或減少肌肉活動(dòng)。作者指出，根據(jù)不同指標(biāo)，fNIRS和EEG或EMG訓(xùn)練后4周和6個(gè)月ADHD癥狀明顯減輕。

fNIRS-EEG測量也用于兒童創(chuàng)傷性腦損傷(TBI)的監(jiān)測。事實(shí)上，兒童在TBI后通常會(huì)發(fā)生繼發(fā)性彌漫性腦腫脹。Adelson等人對(duì)嚴(yán)重TBI兒童使用fNIRS，并將Hb、O₂Hb和HbT波動(dòng)與顱內(nèi)壓(ICP)、平均動(dòng)脈壓(MAP)和腦電圖指標(biāo)進(jìn)行比較。研究人員發(fā)現(xiàn)HbT增加，ICP和MAP參數(shù)變差，表明損傷后腦血管擴(kuò)張?jiān)黾印Ｋ麄冞€注意到，在臨床癲癇發(fā)作前數(shù)小時(shí)，創(chuàng)傷后癲癇發(fā)作前出現(xiàn)了一種無法解釋的快速腦氧過度。研究人員得出結(jié)論，fNIRS可以與EEG和其他方法相結(jié)合，用于監(jiān)測兒童創(chuàng)傷后腦損傷。

3.2.3 癲癇

fNIRS-EEG可以長時(shí)間連續(xù)監(jiān)測，因?yàn)椴恍枰^度限制受試者。這一特點(diǎn)在癲癇患者的研究中具有至關(guān)重要的意義。fNIRS-EEG同步測量被廣泛應(yīng)用于癲癇患者。

注意，本節(jié)中的研究是通過將它們細(xì)分為兩種研究：一種是關(guān)注記錄的信號(hào)的時(shí)間特征的研究(通常使用較少的fNIRS-EEG傳感器)，另一種是對(duì)信號(hào)的空間信息內(nèi)容更感興趣的研究(通常使用較多的fNIRS-EEG傳感器)。該劃分并不是基于臨床方面進(jìn)行的，例如是否存在間歇性放電、局灶性癲癇和/或全身性癲癇。

Steinhoff等人進(jìn)行了一項(xiàng)試驗(yàn)研究，他們將近紅外光譜(fNIRS)記錄與視頻腦電圖(video-EEG)相結(jié)合，對(duì)兩名中顳源性頑固性癲癇患者進(jìn)行術(shù)前評(píng)估。兩個(gè)近紅外傳感器被放置在額葉上。同側(cè)測量結(jié)果顯示癲癇發(fā)作期間血飽和度明顯降低，并出現(xiàn)峰值?；谝曨l腦電圖和近紅外光譜的結(jié)果，選擇性海馬杏仁核切除術(shù)的良好結(jié)果證實(shí)了正確的偏側(cè)化。

在過去的二十年中進(jìn)行的聯(lián)合研究主要是為了評(píng)估fNIRS在癲癇患者中的有效性，主要關(guān)注在不同時(shí)間尺度和大腦位置的癲癇發(fā)作前、發(fā)作期間和發(fā)作后的血流動(dòng)力學(xué)機(jī)制。關(guān)于使用fNIRS-EEG記錄識(shí)別局灶性癲癇發(fā)作和癲癇樣放電的良好回顧，請(qǐng)參閱參考文獻(xiàn)。

Adelson等人結(jié)合fNIRS-EEG研究顱周期腦氧合。記錄突發(fā)事件，并在發(fā)作前、發(fā)作內(nèi)和發(fā)作后評(píng)估血氧可用性。這項(xiàng)研究是初步的，只包括兩名患者（年齡差異很大），并且只使用了幾個(gè)光極。他們發(fā)現(xiàn)，發(fā)作前1到10小時(shí)大腦氧合增加。持續(xù)發(fā)作活動(dòng)和孤立發(fā)作事件與腦氧可用性降低相關(guān)。不同類型癲癇發(fā)作的腦氧可用性存在差異。seal通過同時(shí)記錄fNIRS和video-EEG研究額葉頭皮的血流動(dòng)力學(xué)變化是否可以預(yù)測顳葉癲癇發(fā)作。一個(gè)近紅外光譜傳感器被放置在6名患者第一次記錄到癲癇的同側(cè)。rSO₂在癲癇發(fā)作前5分鐘左右階段增加，接近發(fā)作時(shí)下降。癲癇發(fā)作后，rSO₂再次增加，過度氧化狀態(tài)持續(xù)約35分鐘。Sokoloff等研究了20例圍期危重新生兒。他們通過同時(shí)的近紅外光譜(fNIRS)和視頻腦電圖(video-EEG)估計(jì)了大腦和全身的rSO₂。與基線和發(fā)作后階段相比，癲癇發(fā)作期間rSO2下降(基線81.2 vs .發(fā)作期77.7 vs .發(fā)作后79.4)。FTOE在癲癇發(fā)作期間最高。此外，他們評(píng)估了服用苯巴比妥對(duì)嬰兒的影響。給藥后，腦rSO₂升高，FTOE下降，與苯巴比妥劑量呈單調(diào)關(guān)系。Roche-Labarbe等人研究了兒童失神癲癇期間的代謝/血流動(dòng)力學(xué)大腦活動(dòng)。他們用fNIRS-EEG系統(tǒng)測量HHb、O₂Hb和HbT(左額區(qū)1個(gè)fNIRS通道，11個(gè)電極根據(jù)10-20系統(tǒng)定位)。他們記錄了6例廣泛棘慢波發(fā)放(generalized spike-and-wave discharges, GSWD)患者的額葉血流動(dòng)力學(xué)波動(dòng)。GSWD與額葉區(qū)組織氧合增加有關(guān)(在GSWD發(fā)生前10秒開始)，隨后是一個(gè)強(qiáng)的脫氧階段，氧合和CBV再次增加，最后回到基線。Watanabe等人研究了12例難治性癲癇患者在癲癇發(fā)作期間的區(qū)域CBV。采用8通道或24通道近紅外光譜分別對(duì)9名受試者和3名受試者進(jìn)行測試。用倍鎂瑞德注射液誘發(fā)癲癇發(fā)作。在所有病例中，rCBV在癲癇發(fā)作后迅速增加。rCBV的增加持續(xù)時(shí)間為30 ~ 60 s。Shichiri等監(jiān)測了兩名有癥狀性癲癇患者的CBV，這些患者的癲癇放電在腦電圖中未被識(shí)別。fNIRS監(jiān)測顯示右額葉CBV升高，發(fā)病前10 min開始，持續(xù)3 h。

此外，更復(fù)雜的近紅外光譜分析被用于癲癇活動(dòng)的檢測。Machado等人比較了TD和基于GLM方法的時(shí)頻域(小波)方法來檢測癲癇活動(dòng)期間的血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)。利用腦電圖檢測癲癇發(fā)作放電時(shí)間。這個(gè)研究基于一位癲癇患者，通過使用不同的信噪比的兩種真實(shí)模擬進(jìn)行了測試。對(duì)于fNIRS，小波分析比TD分析更具體。43個(gè)fNIRS通道(21個(gè)光源和8個(gè)探測器)分別位于右額區(qū)、雙側(cè)矢狀竇旁區(qū)和雙側(cè)中央溝。19個(gè)電極的EEG按10 - 20系統(tǒng)放置。在10歲的癲癇患者中發(fā)現(xiàn)CBV的局灶性增加，與術(shù)后證實(shí)的癲癇源性病灶一致。

Pouliot等人利用高密度fNIRS-EEG記錄(超過100個(gè)fNIRS通道和19個(gè)EEG傳感器)研究了后癲癇。在腦電圖上標(biāo)記尖峰和癲癇，并用標(biāo)準(zhǔn)的血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)函數(shù)進(jìn)行卷積，用于GLM分析。在檢查的9名患者中，有7名患者的癲癇發(fā)作(3名患者)和尖峰發(fā)作(7名患者)的GLM結(jié)果對(duì)癲癇灶廣泛敏感，并且在5名患者身上存在特異性。Hbb反應(yīng)局限于枕葉或頂葉區(qū)域。同一組還報(bào)告了fNIRS-EEG記錄和分析，用于監(jiān)測顳葉和額葉癲癇發(fā)作。作者發(fā)現(xiàn)癲癇發(fā)作時(shí)雙側(cè)CBV和 O₂Hb增加，Hbb下降，接著Hbb上升。此外，他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)癲癇活動(dòng)局限于顳葉時(shí)，早期遠(yuǎn)端額葉和/或頂葉區(qū)域的血流動(dòng)力學(xué)發(fā)生了不均勻的變化。額葉癲癇發(fā)作的血流動(dòng)力學(xué)改變包括偏側(cè)化和局部CBV和O2Hb的增加，以及異質(zhì)性Hbb反應(yīng)。此外，在同源對(duì)側(cè)區(qū)域觀察到快速的血流動(dòng)力學(xué)改變，即使沒有明顯的傳播性癲癇活動(dòng)。

其他涉及fNIRS-EEG測量的研究是針對(duì)致癇灶的定位。Watanabe等研究了在32例難治性癲癇患者的長期腦電圖監(jiān)測中使用多通道fNIRS(24通道)來評(píng)估CBV變化。目的是找到引起癲癇的病灶。在96%的病例中，fNIRS顯示癲癇病灶側(cè)明顯的高灌注，而單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層SPECT顯像顯示69%的病例高灌注。Peng等人同時(shí)對(duì)40名耐藥局灶性癲癇患者進(jìn)行了一項(xiàng)fNIRS-EEG研究，該研究使用了大范圍的雙側(cè)覆蓋(64個(gè)光源和16個(gè)探測器，19個(gè)EEG電極)。他們繪制了癲癇發(fā)作間期放電引起的血紅蛋白波動(dòng)的地形圖。他們報(bào)告了62%的新皮質(zhì)癲癇患者在癲癇病灶被確定的情況下HHb的顯著變異。對(duì)難治性癲癇患者的術(shù)前調(diào)查也進(jìn)行了研究。Gallagher等人記錄了fNIRS-EEG信號(hào)，以評(píng)估起病區(qū)位置(28個(gè)fNIRS通道位于右額雙側(cè)矢狀竇旁區(qū)和雙側(cè)中央溝，18個(gè)EEG電極)。一名患者接受了長時(shí)間的記錄，并將結(jié)果與其他手術(shù)前技術(shù)進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，fNIRS-EEG聯(lián)合應(yīng)用可提高始發(fā)區(qū)定位的準(zhǔn)確性。在最近的一項(xiàng)研究中，評(píng)估了fNIRS-EEG對(duì)頑固性癲癇男孩的術(shù)前可用性。在這項(xiàng)研究中，他們將受試者在執(zhí)行表達(dá)和接受性語言任務(wù)時(shí)獲得的高密度fNIRS(11個(gè)探測器和46個(gè)光源)結(jié)果與使用fMRI獲得的結(jié)果進(jìn)行了比較。該案例研究說明了fNIRS對(duì)患有癲癇和認(rèn)知或行為問題的兒童的語言功能定位有積極作用的潛力，以及在術(shù)前評(píng)估中它比fMRI有潛在的優(yōu)勢。

Arca Diaz等人研究了fNIRS在治療有輕微或無臨床表現(xiàn)的癲癇持續(xù)狀態(tài)嬰兒的有效性。同時(shí)監(jiān)測EEG活動(dòng)和腦rSO₂。他們發(fā)現(xiàn)抗癲癇藥物影響rSO₂波動(dòng)和EEG癲癇發(fā)作的頻率。他們認(rèn)為fNIRS可以用來衡量具有類似疾病表現(xiàn)的患者抗癲癇藥物的效果。在另一項(xiàng)最近的研究中，Visani等人評(píng)估了皮質(zhì)性肌陣攣患者單側(cè)手部運(yùn)動(dòng)時(shí)的血流動(dòng)力學(xué)和腦電圖信號(hào)。使用TD-fNIRS-EEG(感覺運(yùn)動(dòng)區(qū)16個(gè)fNIRS通道，以C3和C4為中心，19個(gè)腦電圖傳感器)和fMRI對(duì)10名進(jìn)行性肌陣攣性癲癇患者和12名健康對(duì)照組進(jìn)行了測量。分析運(yùn)動(dòng)任務(wù)中α和β波段的HHb、O₂Hb、BOLD變化和ERD/ERS。在患者組，TD-fNIRS和fMRI數(shù)據(jù)高度相關(guān)。TD-fNIRS和fMRI顯示，與對(duì)照組相比，患者組的血流動(dòng)力學(xué)改變更小，運(yùn)動(dòng)后β反彈最小或不存在。

3.2.4 外科手術(shù)

fNIRS-EEG由于其輕量級(jí)的特性，尤其在使用少量通道系統(tǒng)時(shí)，適用于術(shù)中監(jiān)測。聯(lián)合測量在全身麻醉下頸動(dòng)脈內(nèi)膜切除術(shù)(CEA)中應(yīng)用于監(jiān)測腦功能和氧合，通常采用靈活的單通道或多通道fNIRS系統(tǒng)。監(jiān)測的目的是預(yù)測圍手術(shù)期需要?jiǎng)用}分流的腦缺血。事實(shí)上， CEA過程中的夾持會(huì)導(dǎo)致腦血流發(fā)生重大變化，從而導(dǎo)致腦損傷。在頸動(dòng)脈CEA中，使用fNIRS測量rSO2，并監(jiān)測雙側(cè)EEG信號(hào)。de Letter等人以EEG為金標(biāo)準(zhǔn)，旨在評(píng)估fNIRS腦血氧測定在CEA期間對(duì)缺血的敏感性和特異性。腦血管rSO2在夾持期間的變化與腦電分析數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。在rSO2下降5%的臨界值下，靈敏度為100%，特異性為44%。他們的結(jié)論是，fNIRS rSO2指標(biāo)單獨(dú)不足以獲得良好的過程特異性，需要進(jìn)一步驗(yàn)證。同樣的方法和相似的結(jié)果也被其他研究者調(diào)查過。Moritz等人將fNIRS-EEG與經(jīng)顱多普勒(TCD)和頸內(nèi)動(dòng)脈壓(殘端壓，SP)測量相結(jié)合。腦電圖測量基于SEP估計(jì)。在48例區(qū)域麻醉下接受頸動(dòng)脈手術(shù)的患者中，當(dāng)神經(jīng)功能惡化時(shí)假設(shè)有腦缺血。在夾持過程中，記錄最小rSO2及其百分比變化、SEP振幅百分比變化、TCD平均速度百分比變化、TCD平均速度百分比變化和SP的平均變化。數(shù)據(jù)分析突出了TCD 和 rSO2百分比變化以及SP測量的最佳性能。SEP監(jiān)測的性能較低。Mauermann等用雙側(cè)fNIRS-EEG研究了90例單側(cè)CEA患者。評(píng)估腦rSO2的變化。CEA頸動(dòng)脈交鎖術(shù)中rSO2的普遍下降與腦電圖的分流需要有關(guān)。

Pennekamp等人在一項(xiàng)前瞻性群組研究中進(jìn)行了fNIRS-EEG和TCD測量。通過預(yù)先確定的腦電圖alpha、beta、theta或delta活動(dòng)的變化，選擇性地放置腔內(nèi)分流器。估計(jì)額葉rSO2和平均血流速度(TCD)。ROC分析顯示，全身麻醉時(shí)CEA檢測腦缺血的最佳臨界值為rSO2下降16%，平均速度下降48%。作者發(fā)現(xiàn)，fNIRS和TCD測量具有中等的敏感性，但具有很高的特異性。他們建議近紅外光譜測量可以適用于排除患者不必要的分流使用。Perez等人發(fā)現(xiàn)，在夾持過程中，手術(shù)側(cè)和對(duì)側(cè)的rSO2顯著低于基線值(分別為17.6%和9.4%)。分流術(shù)后，對(duì)側(cè)rSO2恢復(fù)到基線，而手術(shù)側(cè)rSO2明顯低于基線(9.0%)，直到術(shù)后移除分流。在夾緊時(shí)，手術(shù)側(cè)和對(duì)側(cè)處理的腦電圖也低于基線(分別為19.9%和20.6%)。然而，在分流激活后，處理后的腦電圖回到雙側(cè)基線值。在研究過程中，他們發(fā)現(xiàn)rSO2監(jiān)測器在臨床上比腦電圖監(jiān)測器(20.0%失敗率)更可靠(4.4%失敗率)。作者的結(jié)論是，基于fNIRS的腦血氧測定在手術(shù)中區(qū)分手術(shù)側(cè)和對(duì)側(cè)比單獨(dú)的EEG更好。他們還強(qiáng)調(diào)了在CEA期間預(yù)測腦缺血的綜合指標(biāo)來決定是否進(jìn)行頸動(dòng)脈分流的可能性。

fNIRS-EEG系統(tǒng)也被應(yīng)用于心臟手術(shù)的監(jiān)測。事實(shí)上，各種研究已經(jīng)證明，許多接受心臟手術(shù)的患者都有中樞神經(jīng)系統(tǒng)受損的證據(jù)。盡管有證據(jù)表明腦栓塞是此類患者圍手術(shù)期中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)病的主要原因，但腦灌注壓和血流的改變也會(huì)影響栓塞損傷的程度。

Nollert等用fNIRS-EEG評(píng)估了41例接受體外循環(huán)心臟手術(shù)的患者。用近紅外光譜估計(jì)HHb和O₂Hb。神經(jīng)心理測試(如minimental-state test)表明4例患者術(shù)后存在可逆性神經(jīng)心理缺陷。這些患者的HHb和O₂Hb濃度變化支持了心臟手術(shù)后患者的神經(jīng)心理缺陷可能是由術(shù)中腦缺氧引起的假設(shè)。

此外，fNIRS-EEG還可應(yīng)用于低體溫、常溫及關(guān)節(jié)鏡肩關(guān)節(jié)手術(shù)中主動(dòng)脈弓修復(fù)過程中腦功能及氧合監(jiān)測。

3.2.5精神病學(xué)

采用fNIRS-EEG測量可用于進(jìn)行精神障礙評(píng)估。fNIRS-EEG記錄有助于研究自然環(huán)境下的精神障礙人群。已有研究考察了雙相情感障礙、精神分裂癥和游戲成癮的神經(jīng)相關(guān)因素。雙相情感障礙患者的fNIRS研究表明，與重度抑郁癥患者或健康受試者相比，在語言流利性任務(wù)中前額葉活動(dòng)較低，且近紅外光譜反應(yīng)發(fā)生改變。EEG顯示，gamma, beta和 alpha波段活動(dòng)的改變與額葉異常激活和額顳-頂葉連通性缺陷有關(guān)。

已有研究使用fNIRS-EEG系統(tǒng)考察精神分裂癥患者可能的語言感知神經(jīng)生理標(biāo)記。特別是，fNIRS與ERPs結(jié)合，這在以前被證明是研究精神病人語言處理能力的有用工具。向22名患者呈現(xiàn)字面的、隱喻的或無意義的句子，EEG分析顯示精神病人N400和左半球激活均發(fā)生改變。與對(duì)照組不同的是，相關(guān)分析顯示精神病人的fNIRS-ERPs關(guān)聯(lián)較弱。最后，有研究對(duì)日本游戲成癮人群進(jìn)行了fNIRS-EEG研究。結(jié)果顯示，在游戲過程中，O₂Hb的下降與成癮受試者的beta波段功率的下降相關(guān)，但alpha波段功率沒有變化。

雖然目前研究較少，但表明聯(lián)合fNIRS-EEG測量對(duì)精神病患者的評(píng)估是可行的。

3.2.6康復(fù)

康復(fù)是神經(jīng)系統(tǒng)疾病急癥后護(hù)理的基本組成部分。fNIRS-EEG監(jiān)測恢復(fù)期腦活動(dòng)，對(duì)不限制患者活動(dòng)的情況下提供腦功能信息有很大幫助。fNIRS-EEG監(jiān)測已被應(yīng)用于康復(fù)目的，無論是監(jiān)測功能性大腦恢復(fù)，還是通過依賴于先前描述的BCI技術(shù)的程序，主要用于步態(tài)康復(fù)。Pittaccio等人研究了早期被動(dòng)運(yùn)動(dòng)在刺激控制下肢的大腦皮層區(qū)域中的潛在作用。他們通過fNIRS-EEG(64通道-傳感器)系統(tǒng)監(jiān)測了4名受試者在下肢主動(dòng)和被動(dòng)活動(dòng)過程中運(yùn)動(dòng)和軀體感覺區(qū)域的大腦活動(dòng)。記錄過程的空間相關(guān)性分析強(qiáng)調(diào)了兩種測量中主動(dòng)和被動(dòng)活動(dòng)的相似模式，特別是在對(duì)側(cè)運(yùn)動(dòng)前區(qū)。結(jié)果表明，被動(dòng)運(yùn)動(dòng)可以提供與自主控制類似的處理方式的軀體感覺信息。fNIRS-EEG也已通過BCI用于急性后神經(jīng)運(yùn)動(dòng)恢復(fù)。腦卒中運(yùn)動(dòng)康復(fù)BCI包括強(qiáng)化訓(xùn)練，將與患者移動(dòng)麻痹肢體意圖相關(guān)的大腦活動(dòng)與輔助裝置引導(dǎo)的麻痹肢體運(yùn)動(dòng)的偶發(fā)感覺反饋聯(lián)系起來。在一項(xiàng)對(duì)照研究中，BCI訓(xùn)練被證明可以顯著改善腦卒中患者的嚴(yán)重麻痹的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。

4.fNIRS-EEG:目前的局限性和未來的發(fā)展方向

fNIRS-EEG系統(tǒng)發(fā)揮了這兩種技術(shù)在不適合其他神經(jīng)成像模式的情況下進(jìn)行的優(yōu)勢，這種多模態(tài)方法是評(píng)估腦電活動(dòng)和血流動(dòng)力學(xué)/氧合狀態(tài)的有用工具。鑒于近30年來fNIRS-EEG在多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用和持續(xù)發(fā)展的勢頭，多模態(tài)技術(shù)的前景是可觀的。

與fMRI等其他技術(shù)相比，必須提到的是，fNIRS-EEG測量對(duì)大腦皮層深層活動(dòng)的敏感性較差。此外，結(jié)合這兩項(xiàng)技術(shù)的主要局限在于在同一個(gè)頭皮表面分布雙方光電器件的矛盾，布局位置不足可能影響到器件的機(jī)械可靠性，尤其是在使用大量傳感器的情況下。EEG通常需要使用凝膠、鹽水和/或膏狀物來保持電極在原位并降低阻抗，而良好的fNIRS信號(hào)依賴于機(jī)械剛性和與頭皮表面適當(dāng)?shù)墓怆婑詈稀Ｊ聦?shí)上，標(biāo)準(zhǔn)的fNIRS通過光纖束將光注入和檢測頭皮。光纖允許受試者電絕緣。然而，光纖與EEG電線結(jié)合，可能會(huì)給受試者帶來不適，從而折損輕量化、便攜性和靈活性的優(yōu)勢。事實(shí)上，標(biāo)準(zhǔn)的fNIRS探測器很難直接放置在受試者的頭上，特別是有EEG凝膠存在的情形下。這是由于所采用的敏感探測器的高電壓偏差，如光電倍增管或硅雪崩光電二極管。這也導(dǎo)致了在受試者頭部放置電極和光電器件的準(zhǔn)備時(shí)間很長。雖然這種局限性可以通過增加光學(xué)貼片和電極帽的機(jī)械穩(wěn)定性和可靠性來部分克服，但這兩種系統(tǒng)都需要在受試者頭皮上精確放置數(shù)十個(gè)電極/光電器件。可以采用不同的程序和技術(shù)進(jìn)步來跨越這些限制。從fNIRS的角度來看，使用發(fā)光二極管、硅光電倍增管(SiPM)和/或硅光電二極管(SPDs)可以增加空間可用性，避免使用光纖/束。在腦電圖中使用干電極可以避免導(dǎo)電膏。值得一提的是，很少有人嘗試創(chuàng)建fNIRS-EEG組合解決方案，而這兩種技術(shù)的應(yīng)用常常基于兩個(gè)獨(dú)立的電纜系統(tǒng)。據(jù)我們所知，市場上缺乏穩(wěn)定舒適的fNIRS-EEG帽子的可用解決方案。雖然在過去的10年里取得了一些進(jìn)展，但還沒有一個(gè)完美的解決方案，大多數(shù)研究團(tuán)隊(duì)都自己制作帽子。考慮到本綜述中所報(bào)道的研究中所使用的光電二極管和電極數(shù)量的巨大可變性，這一點(diǎn)是顯而易見的。這個(gè)問題是fNIRS-EEG記錄在臨床和非臨床環(huán)境中廣泛使用的一個(gè)明顯的限制因素。

聯(lián)合測量系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)發(fā)展，將為開發(fā)更加穩(wěn)定和易于穿戴的fNIRS-EEG系統(tǒng)提供契機(jī)。便攜式、無光纖、特別是無線的fNIRS-EEG裝置的發(fā)展，將推進(jìn)該系統(tǒng)應(yīng)用到更多日常生活場景。這對(duì)于診斷大腦功能異常是至關(guān)重要的，因?yàn)槿藶榈暮蛧?yán)格約束環(huán)境可能會(huì)干擾患者的行為和生理狀態(tài)。此外，無線系統(tǒng)絕對(duì)更適合臨床環(huán)境。

5. 結(jié)論

本文對(duì)近紅外光譜(fNIRS)、腦電圖(EEG)以及fNIRS-EEG聯(lián)合系統(tǒng)進(jìn)行了介紹和討論。此外，多模態(tài)測量在臨床和非臨床上的主要研究領(lǐng)域被列出。fNIRS依賴于光譜測量，可以提供血流動(dòng)力學(xué)波動(dòng)和大腦氧合的估計(jì)，而EEG可以有效地用于測量腦電活動(dòng)的時(shí)間動(dòng)態(tài)。因此，fNIRS和EEG提供了不同的物理和生理信息，以其靈活、輕量級(jí)的優(yōu)勢應(yīng)用于很多大腦研究領(lǐng)域。

在非臨床應(yīng)用中，fNIRS-EEG通過測量人類大腦功能的時(shí)空血流動(dòng)力學(xué)和電活動(dòng)，研究評(píng)估了大腦對(duì)外部感官刺激(聽覺或視覺)或更復(fù)雜的大腦功能(如語言、運(yùn)動(dòng)意圖、WM和情緒)的反應(yīng)。fNIRS-EEG也被應(yīng)用于社會(huì)互動(dòng)研究。在腦功能領(lǐng)域的一個(gè)有趣的應(yīng)用是研究重力條件變化時(shí)的腦狀態(tài)本體感覺。此外，BCI清楚地顯示了多模態(tài)fNIRS-EEG記錄的有益作用。多模態(tài)BCI主要應(yīng)用于感覺運(yùn)動(dòng)成像和SSVEP分類。fNIRS- EEG系統(tǒng)還被用于研究神經(jīng)血管耦合。采用三種不同的實(shí)驗(yàn)方法，用fNIRS-EEG評(píng)估神經(jīng)血管耦合。一些研究小組采用靜息狀態(tài)范式研究神經(jīng)血管耦合。另一些人則根據(jù)任務(wù)相關(guān)反應(yīng)來評(píng)估神經(jīng)血管耦合。進(jìn)一步研究了依賴于血管外或電操作(通過陽極tDCS)的神經(jīng)血管耦合。fNIRS-EEG在非臨床環(huán)境中的一個(gè)次要應(yīng)用領(lǐng)域是睡眠研究。

在臨床環(huán)境中，fNIRS-EEG因其便攜性、重量輕、適合長期監(jiān)測而被廣泛應(yīng)用于新生兒監(jiān)測。一般來說，在新生兒和整體臨床研究中，與非臨床應(yīng)用相比，使用更稀疏的光極和電極陣列。fNIRS-EEG已被應(yīng)用于新生兒出生后立即監(jiān)測腦缺氧或腦活動(dòng)及氧合情況。采用fNIRS-EEG同步監(jiān)測深低溫停循環(huán)。對(duì)疼痛治療的反應(yīng)和感覺相關(guān)的大腦反應(yīng)的程度進(jìn)行評(píng)估。fNIRS-EEG在臨床中的另一個(gè)重要應(yīng)用是癲癇患者監(jiān)測。在這一領(lǐng)域，與新生兒相似，fNIRS-EEG靈活性對(duì)于連續(xù)記錄至關(guān)重要。許多研究集中于癲癇發(fā)作前、發(fā)作中和發(fā)作后的血流動(dòng)力學(xué)機(jī)制。一些研究是為了提高對(duì)癲癇活動(dòng)的時(shí)間檢測，而另一些研究是針對(duì)致癇灶的識(shí)別。此外，fNIRS-EEG還可用于研究嬰兒輕微癲癇持續(xù)狀態(tài)及皮質(zhì)肌陣攣監(jiān)測。聯(lián)合測量也已應(yīng)用于CEA術(shù)中監(jiān)測腦功能及氧合情況，也有其他手術(shù)環(huán)境，如低溫或常溫下的主動(dòng)脈弓修復(fù)手術(shù)、肩關(guān)節(jié)鏡手術(shù)。其他臨床應(yīng)用包括康復(fù)、兒童發(fā)展(智力遲緩、ADHD和TBI)和精神障礙(雙相情感障礙、精神分裂癥和游戲成癮)。

多模態(tài)技術(shù)的局限性包括fNIRS使用的光纖、EEG使用的導(dǎo)電凝膠的共存帶來的問題，以及缺少標(biāo)準(zhǔn)化帽子。fNIRS-EEG未來的技術(shù)趨勢可能會(huì)充分利用結(jié)合系統(tǒng)的靈活性和可移植性，用于臨床和非臨床環(huán)境，通過使用高靈敏度的半導(dǎo)體光探測器(如SiPM)直接位于頭皮上進(jìn)行fNIRS，以及在便攜式、無纖維、甚至是帶有標(biāo)準(zhǔn)化帽子的無線設(shè)備，都可能突破目前的局限。

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