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(代发)近红外光谱脑功能成像技术综述

近红外光谱(NIR)

  • 近红外光谱脑功能成像技术综述



    近红外光谱(NIRS)的出现为理解从静息状态向活动状态转变过程中氧化代谢的调节提供了一种独特的工具。许多实验室已经开始应用近红外光谱来询问大脑和肌肉的新陈代谢,并获得了区分健康和患病组织的生物能量学和血流动力学的见解。然而,适当地使用近红外光谱技术和方法论需要对物理、生物化学和生理学的原理有扎实的理解。事实上,以学术严谨但有趣的方式介绍一个复杂的生物物理学主题往往会带来挑战;本文通过简要介绍fNIRS技术并结合部分实验来进一步说明其应用。

    关键NIRS fNIRS

    一、近红外光谱脑功能成像技术介绍

    近红外光谱脑功能成像技术(fNIRS)是近年来新兴的一种非侵入式功能神经影像学技术。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不同波长的近红外光吸收率的差异特性,来实时直接检测大脑皮层的血液动力学活动,进而通过观测这种血液动力学变化,即可通过神经血管耦合规律反推大脑的神经活动情况。例如,当让受试者做右手手指运动任务时,其大脑皮层左侧运动放电,消耗氧和能量。此时,脑部血供系统的过补偿机制会向该局部大量输入含有丰富氧合血红蛋白的血液,从而导致该局部的氧合血红蛋白浓度增加,脱氧血红蛋白下降;在fNIRS实验中,实验者让被试按照一定实验范式执行任务,同时使用fNIRS观测大脑不同位置的血红蛋白度的浓度变化,如果找到了某一脑区,其血液动力学活动与该任务设计相关程度很高,即可推断该脑区被实验任务激活。

    近红外光谱领域有四种主要的实验技术,如图1所示。最简单的一种方法是连续波光谱法(CWS),将恒定强度的光注入组织,然后在距光源一段距离处测量衰减的光信号。CWS技术具有仅获得光密度变化的限制。更详细的方法有空间分辨光谱(SRS)、时间分辨光谱(TRS)和相位调制光谱(PMS)。表1显示了四种测量方法的优缺点。


    图1.利用近红外光谱进行组织血氧测定的各种技术

    表1.CWS、SRS、TRS和PMS的优缺点[1]

    2、 近红外光谱技术在生理科学中的应用

    早期研究采用血氧饱和度的起始和恢复动力学来评估氧利用和氧输送。肌肉复氧恢复时间反映局部肌肉氧合平衡和需氧量。恢复时间的测量基于对PCR恢复时间的广泛研究[2]比较了男性优秀赛艇运动员和女性优秀赛艇运动员,并提出了改进成绩的建议。他们报告说恢复时间延长了,这表明当运动强度增加时,能量短缺会增加。他们还将次长时间和长时间工作的恢复时间与血浆乳酸进行了比较,并证明了运动后血乳酸和肌肉复氧恢复时间之间存在显著的相关性。多项研究报道,亚极量至最大强度运动后肌肉复氧恢复时间是评价肌肉氧化能力的指标之一[1]。在坡道自行车运动中的脱氧-Hb/Mb模式已经被监测,以区分训练有素的自行车运动员和体力活动的受试者[5]。一组作者提出了一种非侵入性近似肌肉毛细血管血流动力学的方法,该方法利用人体在运动过程中肺摄氧量和脱氧血红蛋白/Mb的主要成分的动力学[5]。其他研究人员比较了间歇性有氧足底屈曲开始时的脱氧率和肌肉氧化酶活性[6],并证明了脱氧率和柠檬酸合成酶活性之间有很好的相关性。因此,我们可以假设脱氧率反映了肌肉的氧化能力。有人可能会认为线粒体的速率呼吸可以通过腺嘌呤核苷酸转位的速率来决定,因此,在生理条件下,[ATP]/[ADP]比率调节呼吸频率[6]。然而,在次极量有氧运动中,ATP通过肌酸激酶平衡来保持恒定,因此我们在有氧运动中不需要考虑ADP腺嘌呤核苷酸的移位。

    图2.运动后短暂性缺血后血红蛋白/肌红蛋白脱氧率和磷酸肌酸(PCR)再合成率。运动后30s,采用瞬时动脉结扎法测定肌肉耗氧量(VO2),并与氧化ATP再合成的生化过程--PCR恢复率进行比较。

    在分级跑步机运动中,研究了股外侧肌(VL)和腓肠肌外侧头(GL)的氧合模式[7]。本研究发现肺VO2与肌肉氧合水平呈负相关,VL与GL的氧合模式略有不同,肌肉氧合水平与肺VO2有关。结合全身摄氧量评估肌肉氧合能力将有助于了解健康和运动个体的生理状况,并为功能改善提供更好的运动处方。活动增加和减少对肌肉功能的影响也用近红外光谱(NIRS)进行了测量。大多数研究都评估了有氧运动过程中肌肉氧合的急性变化,但也有一些研究考察了高强度运动[5]。此外,近红外光谱(NIRS)已被用于评估各种运动项目中不同类型运动员(如耐力[6]和短跑运动员[3]的运动训练对肌肉氧合和氧化代谢的影响[4]运动训练诱导的肌肉适应是否可以通过近红外光谱(NIRS)来确定,结果发现,训练并没有改变肌肉的氧合模式,尽管有显著的运动结束时血乳酸与肌肉氧合呈正相关。[6]采用近红外光谱(NIRS)对固定的前臂肌肉进行检测,检测骨骼肌氧化功能的变化,评价耐力训练方案对骨骼肌退化的预防作用。他们发现,肌肉氧化功能是由运动后反复进行短暂动脉闭塞的mVO2恢复的时间常数决定的。近红外光谱(NIRS)测量显示制动时运动后mVO2恢复延迟。综上所述,近红外光谱可以为非侵入性监测骨骼肌氧化功能的去条件化和修复提供有用的信息。然而,大多数关于训练影响的研究都是采用横断面研究设计进行的。仍然需要对使用近红外光谱测量的运动训练进行更多的纵向研究。



    3、 总结与展望

    目前已经开发了几种多通道近红外光谱系统来检测肌肉氧合的区域差异[8]。通过同时从多个肌肉区域收集数据,这些设备避免了困扰所有单一位置测量的肌肉含氧量随位置不同而引起的变异性。成像设备还可以研究骨骼肌对运动反应的区域差异。使用多通道近红外光谱系统的另一个基本原理是,在多个位置进行测量可以在近红外光谱信号和整个肢体的血氧饱和度之间提供更好的一致性[7]。通过同时从多个肌肉区域收集数据,这些设备避免了困扰所有单一位置测量的肌肉含氧量随位置不同而引起的变异性。在更好的时间分辨率方面,多通道NIRS还拥有比NMR和PET设备更高的优势。




    参考文献:

    1. Welch HG, Bonde-Petersen F, Graham T, Klausen K, Secher N (1977) Effects of hyperoxia on leg blood flow and metabolism during exercise. J Appl Physiol 42:385–390

    2. Gayeski TE, Honig CR (1983) Direct measurement of intracellular O2gradients; role of convection and myoglobin.Adv Exp Med Biol 159:613–621

    3. Bhambhani YN (2004) Muscle oxygenation trends during dynamic exercise measured by near infrared spectros-copy. Can J Appl Physiol 29:504–523

    4. Boushel B, Langberg H, Olesen J, Gonzales-Alonzo J, Bulow J, Kjaer M (2001) Monitoring tissue oxygenavailability with near infrared spectroscopy (NIRS) in health and disease. Scand J Med Sci Sports 11:213–222

    5. Ferrari M, Mottola L, Quaresima V (2004) Principles, techniques, and limitations of near infrared spectroscopy. Can J Appl Physiol 29:463–487

    6. Hamaoka T, McCully K, Quaresima V, Yamamoto K, Chance B (2007) Near-infrared spectroscopy/imagingfor monitoring muscle oxygenation and oxidative metabolism in healthy and diseased humans. J Biomed Opt 12(6):62105–62120

    7. Millikan GA (1933) A simple photoelectric colorimeter. J Physiol 79:152–157

    8.Chance B, Connelly CM (1957) A method for the estimation of the increase in concentration of adenosine diphosphate in muscle sarcosomes following a contraction. Nature 179:1235–1237





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