CN112450879B - 一种环境光调制大脑认知功能的近红外光谱探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于脑科学认知技术领域，具体为一种环境光调制大脑认知功能的近红外光谱探测方法。本发明方法利用功能性近红外光谱技术，结合认知行为心理学的经典范式Stroop，针对与人脑认知功能具有较强相关性的大脑前额叶区域，探索环境光变化对人脑认知功能的影响；包括设计实验环境，设计心理学Stroop实验刺激规则，设计实验流程，搭建实验系统，配置探测通道；采用Stroop心理学测试法结合功能近红外光谱法进行测试；最后进行fNIRS数据处理；得到不同光照条件下大脑激活区域图像，并通过t检验得到不同光照条件下具有显著差异（P<0.05）的脑区通道，证明该通道因为环境光变化而被激活。
Description
技术领域
本发明属于脑科学认知技术领域，具体涉及一种环境光调制大脑认知功能的近红外光谱探测方法。
背景技术
脑功能是人类与现实世界交互过程中呈现出来的运行模式，揭示脑功能的奥秘是人类面临的最重要的挑战之一。科学发展到今天，人类的大脑在很大程度上仍然是一块未知领域。“了解脑”、“保护脑”和“创造脑”是许多国家制定脑科学发展计划的目标和宗旨。其中“了解脑”不单单是要了解大脑的解剖结构，更重要的是要了解大脑的工作机制，特别是大脑产生的高级认知活动（学习、思维、语言、记忆、情感等）。而功能性神经影像学为“了解脑”提供了有力的技术手段。功能性神经影像学常见的方法主要是基于血氧水平依赖性测量的功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging,fMRI）和功能性近红外光谱技术（functional near-infrared spectroscopy,fNIRS）。由于fMRI对伪迹敏感，造价昂贵，仪器设备庞大等原因，其研究方法不适用于儿童，老人以及以特殊人群为对象的脑功能成像研究，亦不适用于日常生活，工作等自然情境下的认知神经科学研究。而近年来新兴的脑功能成像技术：fNIRS可以满足以上需求，同时也被认为是具有良好前景，能为认知神经科学研究提供新视角的技术。
fNIRS进行脑功能成像的原理与fMRI相似，即大脑神经活动会导致局部的血液动力学变化，其主要利用脑组织中的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白对600-900nm不同波长近红外光吸收率的特异性差异，来实时监测大脑皮层的血液动力学活动情况。生理组织对光有两种反应，一种是吸收，一种是散射。血液中的主要成分（水，氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白）对600-900nm的近红外光的吸收率很小，这其中主要是血红蛋白对光的吸收占主导。所以血液对光具有良好的散射性，光子可以从人体头部表面出发穿越头骨到达大脑皮层。在600-900nm的近红外光谱范围内，脱氧血红蛋白的吸收峰值在760nm处，氧合血红蛋白的吸收峰值在850nm处。近红外采集设备在采集数据时需要将光源置于头部相应区域，由于近红外光在不同生理组织层的散射作用，发射的光进入组织或者细胞后，在经历一系列的吸收和散射后，依靠置于头部的探测器可以接收到散射的光信号。依据修正的Beer-Lambert定律可以根据发射和接收到的光信号得出光的衰减量。进而推知大脑活动时氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的变化量，通过多组光源和探测器的组合和信号重建可进一步得到脑活动的光学图像。
光照作为人们日常生活中最为重要的外界环境之一，无时无刻不在影响着我们的生活。广泛研究证明：光在改善睡眠，调节食欲以及治疗情绪障碍等方面很有成效。而光最深远的功能是调节人的大脑功能从而改善人类日常的认知活动。因此探究光与人类认知之间潜在的相互作用对于人类健康和生产活动具有重要意义。大脑认知功能是指形成概念、知觉、判断或者想象等心理活动来获取知识的一种思维过程，即思维进行信息处理的功能。认知控制是一种能力，是可以克服复杂环境因素带来的影响从而获得较高工作效率的能力。认知控制的过程就是根据大脑对当前环境的判断，选择与当前环境相适应的知觉、记忆、反应，通过整合信息进而对于当前任务作出灵活的反应。我们通过经典的Stroop心理学实验来衡量不同环境光对人脑认知功能的影响。斯特鲁普效应（Stroopeffect）在心理学中指优势反应对非优势反应的干扰。例如当被试者被要求回答有颜色意义的字体的颜色时，回答字体的颜色意义为优势反应，而回答字体本身颜色极为非优势反应，若字体颜色和本身意义不同，被试者往往会出现反应速度大大下降，错误率上升的情况。人们所处的环境中光照是影响人类生产活动的重要因素，光照环境主要有色温、亮度，显色指数等参数，本分析方法研究不同色温对人脑认知控制功能的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种环境光调制大脑认知功能的近红外光谱探测方法，以便探索大脑在不同环境光下认知控制机制。
本发明提供的环境光调制大脑认知功能的近红外光谱探测方法，是利用功能性近红外光谱（fNIRS），结合认知行为心理学的经典范式Stroop，针对与人脑认知功能具有较强相关性的大脑前额叶（PFC）区域，探索环境光变化对人脑认知功能的影响。具体步骤如下：
（1）设计实验环境，具体为三种不同的光照条件：4500K、2500K和无光条件，在三种不同的光照条件下分别对被试者进行认知心理学测试。
（2）设计心理学Stroop实验刺激规则，采用三种刺激方式：一致性、非一致性和中性，刺激文本含义和本身呈现颜色一致属于一致性刺激；刺激文本含义和本身呈现颜色不一致属于非一致性刺激；刺激文本本身无含义仅呈现文本颜色即为中性刺激。被试者需要根据屏幕上出现的刺激材料中文本的颜色进行反应，通过被试者敲击键盘同时记录实验结果。数字键盘按键“1”对应红色字体；按键“2”对应绿色字体；按键“3”对应蓝色字体。
（3）设计实验流程：被试者进入4500K的环境下进行Stroop实验；间隔五分钟，被试者进入2500K的光照环境下进行Stroop实验；间隔五分钟，被试者进入无光照环境进行Stroop实验。
（4）搭建实验系统，如图1所示：实验设备有刺激呈现系统、近红外测量设备、近红外数据记录软件；刺激呈现系统包括呈现刺激的硬件即主机和显示屏幕，以及记录被试行为数据的刺激编译软件E-prime[1]两部分；近红外测量设备采用近红外光谱成像仪（如美国NIRx公司出品的NIRScout产品）。近红外光谱成像仪主要由遮光帽、光源、探测器、近红外测量设备、触发线和数字触发端口组成。在实验开始前需要把光源和探测器规则地安装在遮光帽上，近红外测量设备通过探测器采集到的近红外数据，计算出大脑皮层血氧浓度的变化。刺激呈现系统通过数字触发端口和近红外测量设备相连，当被试者进行一系列实验操作时，数字触发端口会记录下事件发生的时间，以便后续进行的数据分析；近红外数据记录软件采用E-Prime软件，用于记录被试者的行为数据，行为数据包括心理学测试的反应时间和准确率；
（5）配置探测通道：NIRScout产品共有八个光源和八个探测器，为了研究与人脑认知功能具有较强相关性的大脑前额叶（PFC）区域，将光源和探测器进行适当配置.以覆盖大脑前额叶（PFC）区域，光源和探测器之间组成若干探测回路（探测通道）。在实施例中，光源和探测器配置如图2所示，红色标识处安装主动发生光源，黄色标识处安装探测器，共利用到八个主动发生光源和七个探测器，光源和探测器之间组成探测回路，共有20个探测回路。
（6）选择实验用环境光光源，采用尺寸为1.2m*1.2m的大面积发光光源，面光源的优点在于缓解视觉疲劳，提高视觉效应，面光源设定在垂直于桌面1.5米处的位置。
（7）实验测试；采用Stroop心理学测试法结合功能近红外光谱法；
由E-Prime软件记录被试者的行为数据，数据包括心理学测试的反应时间和准确率；
采用SPSS[2]的22.0版本对行为数据进行分析，对行为表现数据进行3（非一致性刺激、一致性刺激和中性刺激）*3（光照环境：4500K、2500K和无光条件）重复测量分析；行为数据采用三因素三水平检验方法，分析平均响应时间和正确率，若P<0.005则证明在不同环境光影响下Stroop效应表现出明显的差异性。
（8）fNIRS数据处理：首先对数据进行预处理，采用低频带通滤波器去除基线漂移、人工噪声和生理噪声信号干扰，带通滤波器设置为: 0.01-0.2 Hz, 通过NIR公司软件直接反演给出氧合血红蛋白（Oxy-Hb）和脱氧血红蛋白（Deoxy-Hb）的浓度值。由于相对脱氧血红蛋白浓度参量变化，氧合血红蛋白浓度参量具有更高的幅度值和更高的信噪比（S/N），并且氧合血红蛋白浓度在执行任务反应时相对敏感，更容易反应客观实验。因此本实验主要分析氧合血红蛋白浓度在整个实验流程中的变化。通过近红外光谱采集设备获取到大脑前额叶区域若干（例如20个）通道下的近红外氧合血红蛋白的平均浓度值，利用nirsLab软件[3]通过t统计方法，可以得到不同光照条件下大脑激活区域图像。再通过t检验得到不同光照条件下具有显著差异（P<0.05）的脑区通道，证明该通道因为环境光变化而被激活。
本发明的有益效果是，利用功能性近红外光谱技术，结合心理学Stroop实验刺激下的认知行为数据，针对脑功能区中与认知功能相关性较强的前额叶（PFC）区域，探索大脑在不同环境光下认知控制机制的一种分析方法。
附图说明
图1为功能性近红外光谱采集设备连接示意图。
图2为近红外光谱前额叶区域通道配置示意图。
图3为研究环境光变化对人脑认知功能影响的分析方法流程图。
图4不同光照色温条件下执行Stroop任务大脑激活区域图。(a) 在4500K色温光照下的大脑激活图；(b) 在2500K色温光照下的大脑激活图；(c) 在无光照下的大脑激活图。
具体实施方式
光线通过对人体昼夜节律的影响来调节人类大脑的功能，这与人类的许多行为和生理效应有关。功能性近红外光谱（fNIRS）可以用于获取大脑激活的非侵入性光学神经影像。研究的目的是经过fNIRS神经成像探究光对人类大脑认知功能的影响。
在关注光线如何调节认知的过程中，将被测试者安排不同的参数光线条件下，进行心理学Stroop实验测试；本发明利用E-prime软件记录被试者的行为数据，即被试者的反应时间和准确率；同时利用fNIRS数据采集系统记录实验过程中的近红外数据。具体过程如下：
（1）设计实验环境，具体为三种不同的光照条件：4500K、2500K和无光条件，在三种不同的光照条件下分别对被试者进行认知心理学测试。
（2）计心理学Stroop实验刺激规则，采用三种（一致、非一致和中性）刺激方式，刺激文本含义和本身呈现颜色一致属于一致性刺激；刺激文本含义和本身呈现颜色不一致属于非一致性刺激；刺激文本本身无含义仅呈现文本颜色即为中性刺激。被试者需要根据屏幕上出现的刺激材料中文本的颜色进行反应，通过被试者敲击键盘同时记录实验结果。数字键盘按键“1”对应红色字体；按键“2”对应绿色字体；按键“3”对应蓝色字体。
（3）设计环境光实验流程：首先被试者进入4500K的环境下进行Stroop实验；间隔五分钟，被试者进入2500K的光照环境下进行Stroop实验；间隔五分钟，被试者进入无光照环境进行Stroop实验。
（4）搭建实验系统，如图1所示：实验设备有刺激呈现系统、近红外测量设备、近红外数据记录软件；刺激呈现系统包括呈现刺激的硬件即主机和显示屏幕，以及记录被试行为数据的刺激编译软件E-prime[1]两部分。近红外测量设备采用美国NIRx公司出品的NIRScout产品。该近红外光谱成像仪设计采用了超紧凑、可扩展的解决方案，主要由遮光帽、光源、探测器、近红外测量设备、触发线和数字触发端口组成。在实验开始前需要把光源和探测器规则安装在遮光帽上，近红外测量设备会通过探测器采集到的近红外数据计算出大脑皮层血氧浓度的变化。刺激呈现系统通过数字触发端口和近红外测量设备相连，当被试进行一系列实验操作时，数字触发端口会记录下事件发生的时间，以便后续进行的数据分析。
（5）配置探测通道：NIRScout产品共有八个光源和八个探测器，为了研究与人脑认知功能具有较强相关性的大脑前额叶（PFC）区域，将光源和探测器按照图2所示进行配置，红色标识处安装主动发生光源，黄色标识处安装探测器，实验中共利用到八个主动发生光源和七个探测器，光源和探测器之间组成探测回路，共有20个探测回路。
（6）实验用环境光光源的选择，采用尺寸为1.2m*1.2m的大面积发光光源，面光源的优点在于缓解视觉疲劳，提高视觉效应，面光源设定在垂直于桌面1.5米处的位置。
（7）实验测试；采用Stroop心理学测试法结合功能近红外光谱法；
由E-Prime软件记录被试者的行为数据，数据包括心理学测试的反应时间和准确率；
行为数据处理：采用SPSS的22.0版本对行为数据进行分析，对行为表现数据进行3（刺激条件：一致性刺激、非一致性刺激和中性刺激）*3（光照环境：4500K、2500K和无光条件）重复测量分析；对比三种光照条件下被试者的平均响应时间和正确率可以得出，在色温4500K光照条件下，认知水平达到最佳，在一致、非一致和中性三种刺激条件下均表现出较好的结果。通过采用三因素三水平检验方法分析，针对平均响应时间分析，结果表明刺激条件主效应Stroop效应显著(F = 46.81, df= 2, P < 0.0005)，说明斯特鲁普效应表现明显差异。光照条件主效应也显著(F = 6.91, df= 2, P= 0.002)，说明光照色温不同表现出明显的差异。刺激条件和光照条件不存在显著交互效应。在不同的光照条件下4500K (F =38.32, df= 2, P < 0.0005), 2500K (F = 14.21, df= 2, P < 0.0005) 和 None (F =24.44, df= 2, P < 0.0005)表现出显著的斯特鲁普效应。在不同的刺激条件下congruent(F = 4.79, df= 2, P =0.012), incongruent (F = 4.13, df= 2, P = 0.021) 和neutral (F = 3.26, df= 2, P = 0.046) 光照色温参数表现出显著差异。在4500K光照条件下，在不同的刺激条件下，都表现出比其他两种光照条件更短的响应时间，在黑暗的环境下其响应时间最长。针对平均正确率分析，结果表明Stroop效应显著(F = 7.32, df= 2, P = 0.001)，说明斯特鲁普效应表现明显差异。光照条件主效应也显著(F = 4.25, df= 2, P= 0.019)，说明光照色温不同表现出明显的差异。刺激条件和光照条件不存在显著交互效应。在4500K光照条件下，在不同的刺激条件下，都表现出比其他两种光照条件更高的正确率，在黑暗的环境下其正确率最低。
（8）fNIRS数据处理：首先对数据进行预处理，采用低频带通滤波器去除基线漂移、人工噪声和生理噪声信号干扰，带通滤波器设置为: 0.01-0.2 Hz, 通过NIR公司软件直接反演给出氧合血红蛋白（Oxy-Hb）和脱氧血红蛋白（Deoxy-Hb）的浓度值。由于相对脱氧血红蛋白浓度参量变化，氧合血红蛋白浓度参量具有更高的幅度值和更高的信噪比（S/N），并且氧合血红蛋白浓度在执行任务反应时相对敏感，更容易反应客观实验。因此本方法主要分析氧合血红蛋白浓度在整个实验流程中的变化。通过近红外光谱采集设备获取到大脑前额叶区域20个通道下的近红外氧合血红蛋白的平均浓度值，如图4所示，为不同光照色温条件下执行Stroop任务大脑激活区域图(a) 在4500K色温光照条件下大脑激活图；(b) 在2500K色温光照条件下的大脑激活图；(c) 在无光照条件下大脑激活图。在4500K色温光照条件下，氧合血红蛋白被激活的通道集中在2，10 和 15通道，主要位于腹外侧前额叶区（VLPFC）；在2500K色温光照条件下，氧合血红蛋白被激活的通道集中在2，5，8，10和 18通道，被激活通道区域增多，也是主要位于腹外侧前额叶区（VLPFC）；在无光照条件下，氧合血红蛋白被激活的通道集中在1，3，6，7，9，12，14和 18通道，被激活通道区域进一步增多，主要位于腹外侧前额叶区（VLPFC）和背外侧前额区（DLPFC）。很明显，在不同色温光照条件下，完成任务需要的大脑资源是不同的。在4500K色温光照条件下，氧合血红蛋白浓度最低，而在无光照条件下，需要更高浓度的氧合血红蛋白去执行任务。从兴趣敏感区域氧合血红蛋白浓度变化情况，可知氧合血红蛋白浓度可简单、便携的被光照条件调制。相比在4500K色温光照条件下，2500K色温光照条件下氧合血红蛋白浓度变化主要发生在右腹外侧前额叶区（R-VLPFC）和左腹外侧前额叶区（L-VLPFC），而在无光照条件下，兴趣敏感区域氧合血红蛋白浓度均发生了不同程度的变化。为了更准确的定位通道变化量，对数据进行t检验，得到具有显著差异(P<0.05)的通道。在4500K 和 2500K色温光照条件下，具体显著差异氧合血红蛋白浓度通道是6和7；在4500K和无光照色温光照条件下，具体显著差异氧合血红蛋白浓度通道是3，4，6，7，9，12，14，18和20。
参考文献：
[1]心理实验系统E-Prime介绍及其应用[J]. 心理科学(6):1456-1458.
[2] Marija J. Norusis. SPSS X: advanced statistics guide[M]// SPSS-XAdvanced Statistics Guide. SPSS Incorporated, 1990.
[3] Xu Y , Graber H L , Barbour R L . nirsLAB: A ComputingEnvironment for fNIRS Neuroimaging Data Analysis[C]// Biomedical Optics.2014。
Claims (1)
1.一种环境光调制大脑认知功能的近红外光谱探测方法，其特征在于，利用功能性近红外光谱，结合认知行为心理学的经典范式Stroop，针对与人脑认知功能具有较强相关性的大脑前额叶（PFC）区域，探索环境光变化对人脑认知功能的影响；具体步骤如下：
（1）设计实验环境，具体为三种不同的光照条件：4500K、2500K和无光条件，在三种不同的光照条件下分别对被试者进行认知心理学测试；
（2）设计心理学Stroop实验刺激规则，采用三种刺激方式：一致性、非一致性和中性，刺激文本含义和本身呈现颜色一致属于一致性刺激；刺激文本含义和本身呈现颜色不一致属于非一致性刺激；刺激文本本身无含义仅呈现文本颜色即为中性刺激；被试者需要根据屏幕上出现的刺激材料中文本的颜色进行反应，通过被试者敲击键盘同时记录实验结果；
数字键盘按键“1”对应红色字体；按键“2”对应绿色字体；按键“3”对应蓝色字体；
（3）设计实验流程：被试者进入4500K的环境下进行Stroop实验；间隔五分钟，被试者进入2500K的光照环境下进行Stroop实验；间隔五分钟，被试者进入无光照环境进行Stroop实验；
（4）搭建实验系统，实验设备有刺激呈现系统、近红外测量设备、近红外数据记录软件；刺激呈现系统包括呈现刺激的硬件即主机和显示屏幕，以及记录被试行为数据的刺激编译软件E-prime两部分；近红外测量设备采用近红外光谱成像仪；近红外光谱成像仪主要由遮光帽、光源、探测器、近红外测量设备、触发线和数字触发端口组成；在实验开始前把光源和探测器规则地安装在遮光帽上，近红外测量设备通过探测器采集到的近红外数据，计算出大脑皮层血氧浓度的变化；刺激呈现系统通过数字触发端口和近红外测量设备相连，当被试者进行一系列实验操作时，数字触发端口会记录下事件发生的时间，以便后续进行的数据分析；近红外数据记录软件采用E-Prime软件，用于记录被试者的行为数据，行为数据包括心理学测试的反应时间和准确率；
（5）配置探测通道：近红外光谱成像仪共有八个光源和八个探测器，将光源和探测器进行适当配置， 以覆盖大脑前额叶区域，光源和探测器之间组成探测回路；
（6）选择实验用环境光光源，采用尺寸为1.2m*1.2m的大面积发光光源，面光源设定在垂直于桌面1.5米处的位置；
（7）实验测试；采用Stroop心理学测试法结合功能近红外光谱法；
由E-Prime软件记录被试者的行为数据，数据包括心理学测试的反应时间和准确率；
采用SPSS的22.0版本对行为数据进行分析，对行为表现数据进行3种刺激方式*3种光照环境的重复测量分析；行为数据采用三因素三水平检验方法，分析平均响应时间和正确率，若P<0.005则证明在不同环境光影响下Stroop效应表现出明显的差异性；
（8）fNIRS数据处理：首先对数据进行预处理，采用低频带通滤波器去除基线漂移、人工噪声和生理噪声信号干扰，带通滤波器设置为: 0.01-0.2 Hz, 通过NIR公司软件直接反演给出氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度值；通过近红外光谱采集设备获取到大脑前额叶区域若干个通道下的近红外氧合血红蛋白的平均浓度值，利用nirsLab软件通过t统计方法，得到不同光照条件下大脑激活区域图像；再通过t检验得到不同光照条件下具有显著差异（P<0.05）的脑区通道，表明该通道因为环境光变化而被激活。
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