一、fNIRS作用原理和应用原则

fNIRS基于神经-血管耦合机制的原理工作。众所周知，大脑不储存能量，神经元活动所需的所有能量都来自血液供应系统的实时供应。

当大脑受到外部刺激时，脑神经元活动，脑组织代谢增加，从而消耗血红蛋白携带的氧气，导致该区域氧合血红蛋白（HbO₂）和脱氧血红蛋白（HbR）浓度的变化。

为补偿神经元活动消耗的氧气，局部血管扩张，脑血流量和体积相应增加，以满足神经元活动的氧气需求。在这个过程中，脑血流量的增加远远超过神经元所需的实际耗氧量。

这一系列的变化最终导致局部脑区血液中的HbO₂过多，表现为HbO₂浓度升高和HbR浓度降低。

fNIRS通过不同大脑区域中血流-氧气水平的改变来精确监测相应大脑区域的功能状态。

图1：神经-血管耦合机制示意图

fNIRS技术最初用于食品质量监测和药物分析，于1977年成为一种有效的脑成像工具。在此期间，它被用于评估由于过度换气引起的人脑血氧变化，证明了fNIRS技术在监测脑功能方面的可行性。

后来，Chance等人使用fNIRS来监测经典范式执行过程中认知活动引起的前额叶血氧变化，完成了最早的fNIRS研究之一。

随着研究的进展，fNIRS器件从单通道模式升级为多通道模式，能够同时监测不同的大脑区域甚至整个头部，充分展示大脑激活模式的空间分布。

大脑皮层被认为是认知过程、动作控制、情绪处理和知觉体验的中心，皮质功能的损害会破坏正常的生物活动。但是有研究发现，皮质中枢的损伤不会导致皮质中枢功能的永久性丧失，通过后续的康复和未受损的皮质脑区的代偿工作，可以在一定程度上恢复该功能。fNIRS可通过检查大脑皮层来评估不同疾病的病程、风险及预后，也可用于研究神经发育和学习过程。

近年来，fNIRS技术被用于探索正常和帕金森病（PD）患者大脑中枕后皮层的活动。结果显示，在静息条件下，PD患者的枕后皮质活动低于正常人群，表明该技术可作为诊断PD的工具。

另一项研究探讨了fNIRS在外科肿瘤学中的应用。研究人员使用fNIRS技术评估了脑肿瘤手术前后患者的皮质活动，发现皮质活动在肿瘤切除前受到抑制，肿瘤切除后恢复。这表明fNIRS技术可用于评估肿瘤手术的风险并预测手术后的恢复情况。

Lawrence等人使用fNIRS研究听力正常儿童不同的言语清晰度的皮层激活模式，这种模式可以为言语发育迟缓等患者找到新的解决方案，证明fNIRS技术可能成为听力和理解能力临床研究的辅助工具。

几项研究还表明，在工作记忆负荷期间，受试者前额叶皮质和顶叶区域的HbO₂ 浓度变化更为明显。此外，不同条件下的皮质激活被认为是认知功能的有用预测因子。

Blum 等人使用Trail Making Test（TMT）和fNIRS来检查年龄对执行任务的健康老年人的行为表现和皮质血氧水平变化的影响，结果显示年龄与TMT中皮质血氧水平的变化呈正相关，表明认知功能下降，皮质活动随着老年人年龄的增加而代偿性增加。

这些发现凸显了fNIRS作为研究各种模式大脑皮层功能状态的工具的潜力，使其成为大脑研究的宝贵资产，并可能用于治疗脑部疾病。

fNIRS技术可用于研究大脑皮层的功能和结构，提供有助于了解特定大脑区域神经活动模式的详细信息。观察不同状态下受损脑区的激活状态、健康脑区的代偿模式以及脑区间功能连接的差异，有助于疾病的诊断和预后。

☞ 参考文献：

[1]Zhang,J.,Yu,T.,Wang, M.,et al. (2023). Clinical applications of functional near-infrared spectroscopy in the past decade: a bibliometric study.Applied Spectroscopy Reviews, 1-27.