島津“運(yùn)用功能性近紅外光學(xué)成像技術(shù)對(duì)腦功能進(jìn)行深入研究”

2011-04-06

近代自然科學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)表明，21世紀(jì)的自然科學(xué)重心將在生命科學(xué)，生命科學(xué)研究必將飛速發(fā)展。分子生物學(xué)的奠基人之一，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者沃森宣稱：“20世紀(jì)是基因的世紀(jì)，21世紀(jì)是腦的世紀(jì)。”。創(chuàng)業(yè)于1875年的島津制作所，始終站立在科學(xué)技術(shù)的前沿，從不間斷地向世間推出一個(gè)又一個(gè)尖端科學(xué)技術(shù)，為社會(huì)發(fā)展做出著貢獻(xiàn)。在當(dāng)今令人矚目的腦功能研究領(lǐng)域，隨處可見(jiàn)島津制作所活躍的身姿，從醫(yī)學(xué)生物學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究到臨床應(yīng)用，再到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，在廣泛領(lǐng)域內(nèi)對(duì)作為尖端學(xué)術(shù)性領(lǐng)域之一的腦科學(xué)實(shí)施了深入研究。

 

    目前，作為腦功能研究的手段主要有腦電圖、fMRI（功能性磁共振成像）、PET、MEG等。而fNIRS：（functional Near Infrared Spectroscopy）功能性近紅外光學(xué)成像技術(shù)，是近年來(lái)日本發(fā)明的新型腦功能測(cè)量手法。它可以通過(guò)生物體穿透性高的近紅外光譜對(duì)腦功能進(jìn)行無(wú)侵襲性測(cè)量。其原理是通過(guò)三個(gè)特定波長(zhǎng)的近紅外光來(lái)測(cè)量大腦皮層的含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白以及總血紅蛋白的含量，從而表征大腦在接受外界刺激或思維過(guò)程中不同區(qū)域的反應(yīng)和功能表達(dá)。
     
    島津制作所早于1980年開(kāi)始了近紅外光譜測(cè)量身體組織內(nèi)氧動(dòng)力學(xué)的研究，1991年發(fā)售了日本國(guó)內(nèi)首臺(tái)臨床用無(wú)侵襲氧監(jiān)測(cè)儀OM-100A。目前，在全世界范圍內(nèi)發(fā)售多通道型紅外光學(xué)成像裝置（FOIRE-30000系列，OMM-300系列）。

    近紅外光學(xué)腦成像系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于腦功能、腦認(rèn)知領(lǐng)域，在醫(yī)療、教育、腦疾病康復(fù)、診斷、產(chǎn)業(yè)、基礎(chǔ)研究等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。島津的近紅外光譜系統(tǒng)，為大腦功能研究提供了極大的可能性。

    我們不妨閱讀以下文章，可以加深對(duì)近紅外光學(xué)腦成像技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的了解。

    YOKO HOSHI是fNIRS在大腦成像中研究和開(kāi)發(fā)的主要專家，現(xiàn)任神經(jīng)學(xué)東京研究院綜合神經(jīng)科學(xué)研究組的主任，但是她對(duì)近紅外光譜臨床應(yīng)用的興趣，源自于1987年在北海道大學(xué)開(kāi)始的關(guān)于監(jiān)控大腦中血流量的項(xiàng)目。那時(shí)候，她已經(jīng)加入了近紅外光譜的開(kāi)發(fā)者之一 ——Mamoru Yamura實(shí)驗(yàn)室，她的第一個(gè)任務(wù)是測(cè)量細(xì)胞色素C氧化酶，這種酶通過(guò)氧氣供應(yīng)改變氧化態(tài)。HOSHI解釋說(shuō)：“我認(rèn)為通過(guò)這個(gè)途徑有可能來(lái)監(jiān)測(cè)大腦中的氧，因?yàn)榧?xì)胞色素C氧化酶的氧態(tài)是通過(guò)神經(jīng)細(xì)胞中氧濃度改變的。”

    近紅外光用于腦功能成像的思想源于和Tamura交流中的偶然發(fā)現(xiàn)，Tamura作為實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)人，那時(shí)其研究關(guān)注在心肌方向，有一天詢問(wèn)Hoshi：“如果人不能再思考，是因?yàn)榇竽X正經(jīng)受缺乏能量的痛苦嗎？”Hoshi認(rèn)為可能并不是如此，她轉(zhuǎn)而想通過(guò)交給學(xué)生一些問(wèn)題，并同時(shí)用近紅外光監(jiān)測(cè)他們大腦的方法來(lái)測(cè)驗(yàn)這個(gè)想法。測(cè)量結(jié)果顯示當(dāng)他們正在思考的時(shí)候，大腦血流量增加，但當(dāng)他們停止思考這些問(wèn)題的時(shí)候，大腦血流量減小。

    因?yàn)檠t蛋白在近紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光吸收特性不依賴一定有氧的存在，所以她決定與其分析細(xì)胞色素c氧化酶，不如研究血液血紅蛋白。Hoshi回應(yīng)到：“經(jīng)過(guò)大量的技術(shù)改進(jìn)和實(shí)驗(yàn)，我們已經(jīng)撰寫(xiě)利用NIRS檢測(cè)血紅蛋白改變來(lái)測(cè)量大腦功能的相關(guān)文章。”

與島津共同發(fā)展
    不久后，來(lái)自島津的研究人員加入了HOSHI在北海道大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，在Tamura 和Hoshi的指導(dǎo)下，島津公司著力發(fā)展一個(gè)NIRS的通用模型。終于，島津成功開(kāi)發(fā)了NIRS系統(tǒng)，可以對(duì)大腦和四肢進(jìn)行局部測(cè)量，1991年擴(kuò)展了它的第一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)。隨后伴隨大量的設(shè)計(jì)修改和持續(xù)的改進(jìn)，直到2001年島津開(kāi)始發(fā)售OMM-2001多波段fNIRS系統(tǒng)。這種新的設(shè)計(jì)可以測(cè)量大腦更大范圍的區(qū)域，緊接著2003年新的改進(jìn)版本OMM-3000面世。這些設(shè)備自此開(kāi)始應(yīng)用于臨床研究，2006年，島津公司看到這些應(yīng)用，于2006年開(kāi)發(fā)了新的設(shè)計(jì)FORIE-3000系統(tǒng)，此系統(tǒng)現(xiàn)在仍應(yīng)用在全日本的基礎(chǔ)大腦科學(xué)研究中。

    多波段fNIRS允許病人在自然條件下活動(dòng)的同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大腦功能，比如，與嬰兒母親配合可以監(jiān)測(cè)嬰兒的大腦，或者記錄腦損傷患者在復(fù)原過(guò)程中的大腦功能。“現(xiàn)在，越來(lái)越多的研究人員開(kāi)始在新生兒和患者的大腦活性的研究中應(yīng)用fNIRS系統(tǒng)，希望fNIRS能在我們獲得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)生長(zhǎng)機(jī)制方面有所幫助”hoshi如此說(shuō)到，她同時(shí)注意到一個(gè)新發(fā)現(xiàn)：在腦損傷復(fù)原過(guò)程中，在正常活動(dòng)中大腦某一部分減除活性，一旦損傷部位得以康復(fù)，大腦的相應(yīng)部位在康復(fù)運(yùn)動(dòng)中不再變的活躍。

近紅外光用于情緒分析
    HOSHI把FOIRE-3000平臺(tái)作為她最新研究項(xiàng)目的一部分，“我最近的工作是當(dāng)志愿者在注視可引起肯定或否定的情緒回應(yīng)的圖像的時(shí)候，分析其大腦機(jī)能的變化。”fMRI經(jīng)常用于包括大腦的函數(shù)圖像的研究中，但是，由于志愿者必須躺在狹窄的通道中，fMRI的測(cè)量系統(tǒng)才能執(zhí)行，所以fMRI不太適合應(yīng)用于實(shí)時(shí)情感分析試驗(yàn)中，對(duì)于志愿者姿勢(shì)和行動(dòng)有很少限制的實(shí)驗(yàn)可使用fNIRS來(lái)執(zhí)行。

    Hoshi解釋說(shuō)：“我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)志愿者經(jīng)歷一個(gè)非常強(qiáng)烈的不愉快情緒，情緒開(kāi)始3到4秒后，大腦中特定區(qū)域的血流量明顯增大。”相同實(shí)驗(yàn)顯示愉悅的情緒可以降低大腦另一部分的血流量，這與之前報(bào)告的愉快的感覺(jué)可以降低血流量是一致的。HOSHI持續(xù)深入分析后解釋說(shuō)“情緒和情感研究常常靶向大腦內(nèi)部的邊緣系統(tǒng)，但是，我們認(rèn)為大腦控制認(rèn)知能力的部分，諸如腦前額葉表層，同樣與控制非愉快情緒有密切的關(guān)系。”

分離認(rèn)知空間
    Hoshi的另外一個(gè)持續(xù)項(xiàng)目是利用fNIRS實(shí)施眼動(dòng)的聯(lián)合測(cè)量，hoshi說(shuō)到“當(dāng)我們?cè)噲D記住某物或者試圖思考的時(shí)候，我們會(huì)使眼睛偏向特定的方向，我希望能找出其原因。”當(dāng)我們?nèi)褙炞⑺伎嫉臅r(shí)候，我們?cè)噲D把眼睛投射到某一物體上，而且在相同任務(wù)下每個(gè)人凝視的方向也不同。兒童以相似的方式移動(dòng)頭部，但是會(huì)有更大的變化范圍，隨著年齡的增長(zhǎng)，他們凝視的方向和范圍會(huì)變得聚焦，“10歲大概是明確路線形成的臨界年齡。”

    通過(guò)對(duì)上述現(xiàn)象設(shè)計(jì)方法所獲得的fNIRS數(shù)據(jù)的分析，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)人陷入沉思開(kāi)始注視的時(shí)候，大腦的兩個(gè)特定區(qū)域是活躍的。“這兩個(gè)區(qū)域中的一個(gè)是ventral premotor，當(dāng)人們把注意力放在某一個(gè)物體上的時(shí)候這個(gè)區(qū)域會(huì)被激活，另外一個(gè)區(qū)域是人們從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移注意力到另外一個(gè)物體時(shí)被激活的。心理學(xué)家和信息科學(xué)家都認(rèn)為認(rèn)思考發(fā)生在認(rèn)知空間內(nèi)，在思考中注視某一物體也許反應(yīng)了我們對(duì)認(rèn)知空間的注意，和這個(gè)空間內(nèi)從一個(gè)到另外一個(gè)信息過(guò)程轉(zhuǎn)換我們的注意力。”

fNIRS的更多可能
    fNIRS眾多優(yōu)點(diǎn)中其中一個(gè)是它可以很方便和其它分析方法結(jié)合在一起，它也是一個(gè)非常容易使用的系統(tǒng)，并應(yīng)用于非常多的領(lǐng)域，不管是工程教學(xué)，還是動(dòng)物學(xué)和醫(yī)藥領(lǐng)域，尤其是令人激動(dòng)的領(lǐng)域是腦機(jī)接口(BMI)領(lǐng)域。島津已經(jīng)開(kāi)始實(shí)驗(yàn)用BMI來(lái)控制由本田公司開(kāi)發(fā)的MSIMO類(lèi)人機(jī)器人，在肉眼觀察諸如腿腳活動(dòng)等人為動(dòng)作的同時(shí)，可以通過(guò)應(yīng)用fNIRS來(lái)描述志愿者大腦機(jī)能特點(diǎn)，志愿者精神上的努力可以被實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和處理，并被轉(zhuǎn)化成機(jī)器人行動(dòng)的信號(hào)。

    Hoshi作為在基礎(chǔ)和應(yīng)用研究中，不斷推進(jìn)大腦圖像技術(shù)深入發(fā)展的眾多專家中的一員，她說(shuō)到，“fNIRS提供了更多的可能，我希望科研人員在了解了fNIRS的原理和限制后，可以在自己的研究項(xiàng)目中可以積極運(yùn)用fNIRS。”