多模态测量:脑电与近红外成像等技术结合

多模态功能神经成像测量是什么，为什么要使用多模态测量?

 

　　“整体大于部分之和”希腊著名哲学家亚里士多德的这句话，阐述了多模态功能神经成像技术的目的。对于常见的神经科学应用来说，单一的功能神经成像技术已经足够，但有些应用仍需要与多种成像方法结合使用。

 

　　多模态功能神经成像可以评估大脑活动的两个甚至多个互补的特征，从而增加对大脑功能和行为更加深刻的认知1。功能性神经成像的方法包括：测量神经元的电活动，如脑电图(EEG)或脑磁图(MEG)，以及测量血流动力学的活动，如功能磁共振成像(fMRI)、正电子发射断层扫描(PET)或功能近红外成像(fNIRS)，多模态功能神经成像则整合了神经活动的不同测量模式,研究大脑的结构-功能特征1。

 

　　这篇日志中主要讨论了EEG与fNIRS结合的方法及应用，以及这种方法的优势。

 

EEG概述

 

　　EEG是一种常见且广泛使用的神经成像技术，可以记录脑电活动。EEG可在相对较高的采样率下直接测量头皮的脑电活动，具有时间分辨率高的优点。EEG测量是非侵入式、经济便携的神经成像技术。

 

　　TMSi公司的SAGA设备即为一款无线便携式的EEG系统，支持32或64通道的EEG数据采集。SAGA系统独有的专利技术，完美地规避了工频干扰和运动干扰，适合各种不同环境下的测试。

 

fNIRS概述

 

　　功能性近红外成像(fNIRS)是用近红外光评估皮层血流动力学活动的变化并测量大脑活动的技术2。和fMRI一样，fNIRS可以测量大脑的血氧水平依赖性(BOLD)。但fMRI不但成本较高，还需要参与者在测量过程中保持不动，而fNIRS提供了一种低成本且便携的解决方案，适合不同场景下的测量，并且在实验中参与者可以进行自由的活动。与EEG相比，fNIRS测量的激活区域大约为1-2厘米，且fNIRS模式的空间定位程度更高3。

 

　　Artinis公司的Oxymon设备即为一款fNIRS测量的成熟设备，它的发射光极采用了温度稳定的脉冲激光源，采样率最高可达250Hz。但相比于单独使用EEG或fNIRS技术，EEG-fNIRS可以更加准确地识别大脑皮层的激活区域。

 

 

EEG和fNIRS结合的优势 

 

　　EEG 和 fNIRS 技术携带了互补的大脑信息，所反映的潜在神经元活动虽有不同但又密切相关。EEG-fNIRS结合的技术可通过刺激后大脑的电活动和血流动力学变化进一步探索神经血管耦合的情况。此外，由于EEG和fNIRS的模式都是便携的，因此研究设计和实际测量设置的内容都更加丰富，同时会对脑功能、心理认知活动方面有更深刻的认识。

 

可同步测量EEG和fNIRS的设备

 

　　开发一种可将EEG和fNIRS测量相结合的设备，需要考虑EEG电极和fNIRS光极与受试者头部的耦合情况、如何实现时间同步、以及测量过程中发生电干扰的可能1。因此，TMSi和Artinis公司合作研发了一种新型的电极&光极支架，可以在同一位置使用EEG电极和fNIRS光极，如图为TMSi公司的环形电极结合Artinis公司的针状平头光极的形式。这个支架将EEG电极和fNIRS光极集成到了一个EEG-NIRS的系统中。

 

图2:NIRS - EEG组合支架。左:EEG电极和fNIRS光极的等距俯视图。右:EEG电极、fNIRS光极和EEG凝胶所在的等距底部视图。(From Artinis)

 

EEG-fNIRS的应用领域

 

　　EEG-fNIRS结合后的应用领域十分广泛，主要包括脑机接口(BCI)、超扫描、中风、帕金森病和癫痫的临床研究等1。

 

EEG-fNIRS可作为监测脑卒中患者辅助治疗效果的工具5

 

　　脑卒中的产生是由于脑部血管突然破裂或因血管阻塞导致血液不能流入大脑而引起脑组织损伤的疾病。阳极经颅直流电刺激(tDCS)可以调节大脑皮层的神经活动，产生脑血管反应(CVR)，从而识别受损的神经血管耦合(NVC)功能4。

 

　　这项研究中，Anirban Dutta等人提出以EEG-fNIRS测量作为监测tDCS过程中CVR和NVC变化的方法。实验招募了健康的受试者参与，所有受试者均接受了2 mA的tDCS,并进行了“在线”和“离线”的EEG-fNIRS测量，实验设置如图3所示。fNIRS测量使用Artinis公司的Oxymon MK III系统，它提供了高时间分辨率的连续脑氧合和血容量的监测。

 

图3：HD-tDCS和EEG-fNIRS光极/电极的位置

 

　　结果观察到氧合血红蛋白浓度在tDCS刺激的初始状态下有降低趋势，并伴随着低频带(<10Hz)内平均功率谱能量的增加，如图4所示。

 

　　A)

　　B)

图4：(A)2mA阳极HD-tDCS 开始10 min静息状态下的fNIRS数据(红-O2Hb;蓝-Hb)

　　  (B)2mA阳极HD-tDCS 开始10 min静息状态下原始C1(图1中④位置)通道的EEG数据时频分析

 

　　因此,基于EEG-fNIRS测量的方法用于监测脑卒中患者的脑血流和神经血管耦合的反应中是可行的。

 

结论

 

　　综上，EEG和fNIRS结合的方法可以同时评估脑电活动和脑血流活动，有较高的应用价值。同时由于这两种方法都是非侵入式，低成本，且便携的，可为多种研究提供更多的可能性。Artinis公司提供多种fNIRS设备，用于EEG-fNIRS的组合方案设计。

 

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相关设备简介及关键技术参数

 

 

Artinis公司Oxymon MK III系统

 

 

• 　　一款性能稳定，用途广泛，灵敏度高的fNIRS系统
• 　　可测量多达112个通道的脑组织氧合和血容量的变化，可轻松覆盖全脑
• 　　与MRI兼容的光纤，使该设备可以在MRI内部使用，并且光信号不会与EEG、TMS、TES等技术产生干扰

 

 

Artinis公司Brite MKII

 

 

 

• 　　一款灵活可穿戴，适用于各年龄段人群的fNIRS系统
• 　　两台Brite MKII设备可测量54通道的脑组织氧合和血容量的变化，覆盖全脑
• 　　与TMS, EEG，TES等技术结合使用无干扰
• 　　多功率增益，每个发射光极提供4种不同的功率水平
• 　　光极间距范围可调：10 mm-55 mm

 

 

Soterix medical公司高精度经颅电刺激 HD-tES

 

 

• 　　多个直径小于12 mm的环形电极，实现了电流聚焦
• 　　与EEG，fMIRS，fNIRS等神经影像学设备兼容
• 　　5通道、9通道、17/33通道高精度经颅电刺激仪可选
• 　　选配可自动模拟电场在大脑皮层分布情况的软件，优化刺激方案

 

 

TMSi公司SAGA设备

 

 

• 　　一款无线可穿戴式结合了多导生理数据包括肌电、皮电、皮温、呼吸、脉搏、加速度，血氧等采集的EEG系统
• 　　规避了工频干扰和运动干扰对研究的影响
• 　　32或64通道单极EEG输入，2个双极双输入和3个三路辅助输入加一个数字输入

 

 

参考文献

 

　　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).

 

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