摘要* 脑成像为我们提供了一个更好的视角来了解大脑是如何工作的。脑组织的光学 性质变化与脑功能活动相关,近红外光谱术(Near-infrared spectroscopy, NIRS)通过 测量光在组织中传播的吸收变化从而实现监测脑血氧变化已被广泛认同,然而,与 刺激后数十毫秒出现的神经电活动不同,血氧变化出现于剌激后数秒,人们只能通 过神经血管偶联由血氧变化间接推测神经活动。脑组织的散射变化是另一种反映脑 活动的光信号。已有的离体与动物实验都证实了光散射变化与神经活动直接相关, 即光神经信号(Optical Neuronal Signal, ONS)。如果采用NIRS可以实现对光神经 信号的无损检测,那么NIRS便可实现对神经活动的直接成像,同时还可以研究神经 激活与血液动力学变化间的复杂关系,因为NIRS可以同时测量这两种信号,这将是 非常有意义的。然而,由于光神经信号的时间和幅度都比血氧变化小两个量级,探 测困难,因此,在过去的十余年时间里,NIRS能否无损在体检测光神经信号一直存 有争议。 由于光神经信号非常微弱且来源局部脑区,因此高检测灵敏度的MRS仪器、光 神经信号敏感的实验范式、合理的探测区域以及有效的信号处理都是影响光神经信 号能否无损检测的关键因素。本文旨在探究光神经信号在体无损检测的可行性,围 绕光神经信号无损检测的关键因素,主要研究内容如下: (1)归纳总结了NIRS数据的典型处理步骤及常用方法,在此基础上,给出了本 文用于血氧慢信号与光神经信号提取的数据处理方法。针对目前用于光神经信号提 取算法的不足,提出了一种基于数学形态法的改进算法,即使在数据中存在未知伪 迹的情况下,依然可以有效去除背景干扰。最后,建立了一个用于处理近红外光学 数据的软件分析平台fNIRSA。 (2)对本课题组研制的连续波(ContinousWave,CW) NIRS系统进行性能评估 并采用该系统进行了光神经信号的仿真检测。为获得较好的系统性能,本课题组研 本研究得到国家自然科学基金创新群体(61121004)、国家自然科学基金(81171067)和国家高技术研究发展 计划(2012AA011602)的资助。 制的CWNIRS系统釆用了光源调制、大采样点数的数字锁定技术以及同步釆集技术。 系统性能测试与仿真实验证明该系统具有高探测灵敏度(0.1 pW量级)和高时间分 辨率20 ms, 48通道),且在釆用所提出的数据处理算法时,可检测的最小信号 幅度变化在0.01%的量级(叠加平均刺激数目500),达到理论上可以进行光神经信 号的无损检测的水平。 (3)采用CWNIRS系统与所提出的数据处理方法,同时通过精心设计实验, 在人脑运动皮层及视觉皮层进行在体实验。实验结果发现在运动皮层及视觉皮层均 能成功检测到有效的光神经信号,检出率分别为62.5%和77%。在视觉皮层实验中 同步检测了脑电信号,结果表明视觉诱发电位(VEP)的N75成分的潜伏期与两个 波长检测出的光神经信号的潜伏期均无显著差异。 本文通过仿真模拟实验与在体实验逐步探究了光神经信号无损检测的可行性, 结果表明:釆用高性能的检测仪器、优化的实验范式与数据处理方法,实现了光神 经信号的无损检测。 关键词:脑功能光神经信号近红外光谱术数学形态法运动皮层视觉皮层 视觉诱发电位