基于光谱学的近红外脑功能成像技术研究

在神经科学研究中，脑功能成像技术是一项重要的研究手段。而基于光谱学的近红外脑功能成像技术 (Near-infrared spectroscopy, NIRS) 是一种非侵入性、安全性较高的脑功能成像技术。近年来，NIRS 逐渐成为研究脑功能和神经健康状况的一种重要手段。本文将详细介绍 NIRS 技术的原理、特点以及在脑功能研究方面的应用。

一、NIRS 技术原理 1、光学法

NIRS 技术利用光学法的原理，通过透过头皮和颅骨的近红外光信号来测量脑组织内血氧浓度的变化。红外光波长长于可见光，能够穿透头皮、颅骨和脑组织较浅层，达到脑皮层深度的 1～2cm，可探测到皮层和下皮层脑区域的血氧浓度变化。

2、血红蛋白和氧合血红蛋白

NIRS 技术主要测量血红蛋白和氧合血红蛋白对近红外光的吸收，并结合 Lambert-Beer 定律，计算血红蛋白和氧合血红蛋白比例的变化。当脑区域代谢活跃时，血供将增加，导致血红蛋白和氧合血红蛋白浓度比例的变化。这种变化可以测量脑活动的代谢需要，并提供比较准确的血氧水平和脑功能活动的信息。

二、NIRS 技术特点

1、非侵入性

相比其他成像技术如 EEG 、fMRI，NIRS 可以说是非侵入性的。被试者无需戴上电极或被送入磁共振扫描器。它只在脑区域表面透过近红外光进行照射和检测，无需伤害头皮和大脑组织。

2、高时域分辨率

NIRS 技术具有很高的时域分辨率，可以快速获取到脑区域血氧水平和代谢需要的信息。其时间分辨率概略为秒级，比 fMRI 要快很多。

3、安全

NIRS 技术不产生任何电磁干扰，无需使用昂贵的设备，且环境影响极少。NIRS 使用的红外光波长也是安全的，不会给被试者带来任何身体或视觉上的不适。

三、NIRS 技术在脑功能研究中的应用 1、神经原理

在劳动记忆任务中，通过 NIRS 技术可以探测到额叶和顶叶的血氧水平的增加。同时，不同的神经调节机制也 can be 利用 NIRS 技术进行研究，如反馈机制、社交互动、情绪和注意等。

2、运动学

NIRS 可测量肌肉、骨骼和皮肤微循环的血流量。这些特征使得 NIRS 成为研究长期运动和体育活动中心血流动力学变化的有力工具。

3、心理学

NIRS 技术还可以用于心理学研究，如学习与记忆、决策和执行控制等认知过程。该技术可以针对个体特征进行研究，如性别、年龄、人格和智商等。

四、结论

近年来，NIRS 技术得到越来越广泛的应用，这一技术将为神经科学和脑功能研究提供更深入、更准确的信息，同时也在运动医学、康复医学、心理学和教育学等研究领域展现出强大的潜力。尽管 NIRS 技术还存在一些局限，例如其区域探测的深度和数据分析方法，但其非侵入性、安全性、时域分辨率等特点，使其成为研究脑功能的有力工具。