近紅外光譜技術(shù)用于前額葉皮層工作記憶作用的研究.pdf

1、工作記憶是一種對信息進行暫時性儲存和加工的機制，它能夠保存被激活的信息表征，以備進一步加工之用，對于學習、推理、問題解決及語言理解等高級認知功能的完成起著重要作用。來自正電子發(fā)射層析成像（PET）和功能磁共振成像（fMRI）的研究證據(jù)表明，前額葉皮層（PFC）是在工作記憶中起關(guān)鍵作用的腦區(qū)。近紅外光譜技術(shù)（NIRS）是近年來快速發(fā)展起來的一項非侵入光學測量方法。在700～900nm的近紅外光譜范圍內(nèi)，生物組織具有高散射、低吸收的特性，近

2、紅外光可以穿過頭皮和顱骨深入腦組織，并由漫射光攜帶出反映大腦皮層激活狀況的血液動力學變化信息?；谘鹾涎t蛋白（HbO2）和脫氧血紅蛋白（Hb）對多個波長的近紅外光的不同吸收，NIRS可以提供對腦組織中HbO2和Hb濃度相對變化的獨立測量，因而在大腦功能活動的檢測領(lǐng)域表現(xiàn)出了巨大潛能。本論文在闡述NIRS基本測量原理和大腦具體生理特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計并建立了一套多通道近紅外光譜檢測系統(tǒng)。作為系統(tǒng)的主要應用，通過對兩種工作記憶任務下PFC激

3、活狀況的檢測，探討了PFC在工作記憶中的作用。1）以光與生物組織的相互作用規(guī)律為基礎(chǔ)，結(jié)合腦的具體生理特性，設(shè)計并實現(xiàn)了一套24通道基于三波長連續(xù)光類型的腦功能近紅外光譜檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)的時間分辨率取決于采樣頻率，因此是可調(diào)的，應用中設(shè)定的分辨率為1秒；成像器（探頭）探測面積為6cm×12cm，實際應用中，成像器對稱地置于被試眉骨以上、前額中線左右兩側(cè)，這樣，成像器所檢測的腦區(qū)范圍為前部前額區(qū)（AnteriorPFC），背外側(cè)前額區(qū)(DL

4、PFC)及腹外側(cè)前額(VLPFC)的部分區(qū)域。系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能包括獲取三種波長的光強變化數(shù)據(jù)，計算并顯示HbO2、Hb和總血紅蛋白（HbT）的相對濃度變化量。離體血液模型實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)可以較為準確地測量組織中HbO2、Hb和HbT相對濃度的變化。2）利用NIRS系統(tǒng)對被試在執(zhí)行基于項目再認范式的言語和空間工作記憶任務情況下PFC激活狀況進行了監(jiān)測，考察了PFC激活腦區(qū)的血液動力學變化特征以及在兩種不同工作記憶任務下PFC激活腦區(qū)空

5、間分布的差異。發(fā)現(xiàn)激活腦區(qū)存在著典型的激活模式：HbO2、HbT相對濃度的上升往往伴隨著Hb相對濃度的下降。PFC在工作記憶的短時存儲中存在著明顯的功能側(cè)化趨勢，言語性材料主要激活了PFC的左腹外側(cè)腦區(qū)，空間性材料則主要激活了PFC的右腹外側(cè)腦區(qū)。3）利用上述系統(tǒng)對被試在執(zhí)行言語性n-back任務情況下PFC的激活狀況進行了監(jiān)測,同時記錄了被試行為表現(xiàn)數(shù)據(jù)（響應時間和正確率）。考察了被試行為表現(xiàn)及PFC激活腦區(qū)的工作記憶負荷效應；探討了

6、較高記憶負荷條件下被試PFC激活量與行為參數(shù)之間的關(guān)系。結(jié)果顯示：①被試行為表現(xiàn)指標及PFC活動呈現(xiàn)出顯著的記憶負荷效應，隨著記憶負荷的加大，響應時間延長，正確率減小，激活腦區(qū)的活動程度加強；②PFC左側(cè)腦區(qū)激活量明顯大于右側(cè)腦區(qū)，腹外側(cè)PFC的功能側(cè)化尤其顯著；③在較高記憶負荷下，被試的不同行為參數(shù)之間、激活腦區(qū)活動程度與其行為參數(shù)之間存在著規(guī)律性聯(lián)系，具體表現(xiàn)為較長的響應時間常伴隨著較低的正確率，表現(xiàn)出較低正確率或較長響應時間的被試

7、往往具有較大的PFC激活量。綜上所述，本論文率先將近紅外光譜技術(shù)用于了對工作記憶的研究，從而為工作記憶研究提供了新的手段。借助NIRS的高時間分辨和多指標測量特性，發(fā)現(xiàn)在工作記憶任務執(zhí)行期間，被試PFC激活腦區(qū)存在典型的激活模式。同時，本論文首次系統(tǒng)地考察了大腦工作記憶過程中，PFC活動與行為參數(shù)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在較高記憶負荷下，響應時間與正確率之間、活動腦區(qū)的激活程度與響應時間、正確率之間均存在著規(guī)律性的聯(lián)系。以上發(fā)現(xiàn)為揭示PFC在工