小磁說｜TIPS

每年 9月5日是國際脊髓損傷日， 近年來，功能性近紅外光譜(fNIRS)技術在脊髓損傷研究中發揮著重要作用。

在這個特殊的日子里，小磁專門為大家整理了一篇極具價值的文獻。該文獻通過運用fNIRS的N-back任務研究脊髓損傷(SCI)個體與健全(AB)個體工作記憶的神經血管相關性發現：SCI患者在2-back任務中右頂下小葉的活動增加，整體在N-back任務表現上與AB組無差異。

希望可以給大家帶來參考和啟發！

研究背景

脊髓損傷患者常出現認知障礙，但損傷后認知功能改變導致的功能性腦重組程度尚不清楚，且缺乏相關神經影像學研究。

功能磁共振成像(fMRI)和結構磁共振成像(MRI)雖用于研究腦重組，但在研究脊髓損傷后的上位脊髓變化時有局限性，而fNIRS更靈活便捷，可用于此領域研究。

研究方法

1.參與者： 招募19名SCI患者和25名年齡、性別匹配的AB個體，SCI組排除標準包括損傷后一年內、四肢癱瘓、有創傷性腦損傷史等；AB組應用相同排除標準且無SCI史；納入標準為SCI組損傷后超過一年、手臂有自主運動等，AB組為18-65歲且能說英語。

2.認知測試： 所有參與者進行神經精神科認知評估工具(NUCOG)測試，評估多個認知領域，如注意力、記憶、視結構能力、執行功能和語言技能等。

3.N-back任務： 通過E-Prime2.0軟件實施三個認知負荷水平（0-back、2-back和3-back）的N-back任務，刺激通過計算機屏幕呈現，參與者根據屏幕上顯示的字母刺激點擊計算機鍵盤上的左右箭頭鍵。

N-Back任務流程圖

4.fNIRS數據采集： 使用連續波fNIRS系統，配置30個通道覆蓋多個興趣區域，數據預處理包括轉換為光密度值、頭動校正、帶通濾波等，后續分析使用氧合血紅蛋白(HbO)數據。

通道排布和覆蓋情況

5.行為評分： 收集每個區塊和每個N-back任務的準確性、響應時間和d-prime分數以評估性能。

6.fNIRS任務激活指標： 對N-back的fNIRS數據進行Block平均和一般線性模型(GLM)分析，提取任務激活指標如曲線下面積(AUC)、達峰時間(TTP)、最大HbO(maxHbO)和HbO標準差(stdHbO)信號等。

研究結果

1.NUCOG分數： AB和SCI組在綜合NUCOG分數上無顯著差異，但在執行功能子域上，SCI組得分顯著低于AB組，其他認知域無顯著差異。

(A)健全(AB)組和脊髓損傷(SCI)組的神經精神單元認知評估工具(NUCOG)評分分別用綠色和橙色條表示。(B) NUCOG測試分數的子域也被顯示出來，AB組和SCI組在執行功能上有顯著差異(獨立樣本檢驗，t(42)=2.98, p=0.0047, 95%置信區間:[0.35,1.81]，Bonferroni調整α = 0.01(0.05/5))。從NUCOG子域的總分：注意力，視覺結構，記憶，執行和語言，被添加，以獲得綜合NUCOG分數。** p<0.01。

2.N-back任務表現：N-back任務水平和區塊對行為分數有顯著影響，兩組在準確性、響應時間和d-prime分數上無顯著差異，但隨著任務難度增加，表現變差；在2-back任務中，兩組在不同區塊的表現有顯著差異。

(A)準確性,(B)反應時間,(C)d-prime分數顯示了脊髓損傷(SCI)組和健全(AB)組每個N-back任務的執行情況。d-prime是一種在心理學和認知科學研究中常用的指標，用于評估任務表現中的敏感性。在文章中，它被用于計算N-back任務中的表現。d-prime值可以反映參與者在任務中區分目標和非目標刺激的能力，值越大表示敏感性越高，即能夠更好地區分相關和無關的刺激。

3.fNIRS任務激活差異： SCI組在2-back任務中右頂下小葉（通道#14）的 maxHbO 值顯著高于AB組，該區域的AUC也較高，但經錯誤發現率(FDR)校正后結果不顯著；AB組在一些區域（如左運動皮層的通道19、21和22）的任務激活值在2-back任務中高于SCI組，但經FDR校正后結果不顯著；大多數任務激活指標的差異在2-back任務中發現，0-back任務差異最少；SCI和AB組在各通道的總體任務激活模式相似，如頂下小葉區域（通道11-15）的maxHbO和stdHbO總體激活增加。

在所有26個通道中，SCI組和AB組的N-back工作記憶任務fNIRS指標。以下fNIRS指標（z得分）顯示:曲線下面積(AUC)，峰值時間(TTP)，最大HbO (maxHbO)， HbO標準差(stdHbO)和GLM分析的beta值。在校正多重比較之前，黑色橢圓表示AB組和SCI組之間存在顯著差異(p< 0.05)。在2-back任務中，通道#14中maxHbO的綠色橢圓顯示AB組和SCI組經FDR校正后的顯著差異，α = 0.05。在所有通道中，對每個N-back任務和每個fNIRS指標進行FDR校正。

4.任務激活和行為分數的關聯： fNIRS 任務激活指標與N-back任務和NUCOG分數的表現指標之間存在顯著關聯，但0-back任務無顯著關系；SCI和AB組的顯著腦-行為關聯在大腦的不同區域。

結論

本研究使用功能性近紅外光譜(fNIRS)結合N-back工作記憶任務，探討了脊髓損傷(SCI)患者與正常對照組在認知功能上的差異。

研究者發現，在進行2-back任務時，SCI患者的右下方頂葉活動增加，相比之下，正常對照組沒有這種增加。然而，盡管在NUCOG子域測試中的執行功能得分存在差異，但在N-back任務表現上，SCI組和正常對照組之間沒有發現顯著差異。

fNIRS技術在深入研究脊髓損傷患者的認知功能狀況已經取得了重要成果，這為將來的康復治療開辟了嶄新的路徑，有著極大的潛在價值和前景。

小磁將持續關注fNIRS在脊髓損傷方面的研究應用，也歡迎廣大科研同仁們積極投身于fNIRS領域的研究探索之中，通過技術創新為患者帶來新的希望！

?參考文獻：

[1] Chen DY, Di X, Amaya N, Sun H, Pal S, Biswal BB. Brain activation during the N-back working memory task in individuals with spinal cord injury: a functional near-infrared spectroscopy study. bioRxiv [Preprint]. 2024 Feb 12:2024.02.09.579655.