NeuroImage | fNIRS揭示前额皮层与工作记忆负荷的关系
功能性近红外光谱（fNIRS）是一种近年来迅速发展的非侵入性脑成像技术，它通过检测大脑皮层中血氧水平的变化来反映神经活动。
与传统的功能性磁共振成像（fMRI）相比，fNIRS更具灵活性和实用性，尤其在动态和自然环境中进行实验时，其对运动伪影的耐受性使得它成为研究脑功能的重要工具。fNIRS在研究复杂的认知任务（如工作记忆负荷任务）中表现尤为突出，能够提供实时的、精确的脑活动数据。
1.研究目的与方法
本研究旨在探讨fNIRS技术如何捕捉工作记忆任务中的前额皮层和顶叶皮层的激活模式，以及这些激活如何与认知表现相关联。研究选用了经典的N-back任务来操控认知负荷的变化，任务难度通过设置不同的N-back水平（1-back、2-back、3-back）来逐步增加。这一任务设计可以有效引发前额皮层和顶叶皮层的激活。
1-back 任务示例和 3-back 任务示例
2.主要成果和观察结果
研究使用的主要设备是NIRSport2，这是一款由NIRX公司生产的高精度fNIRS系统，具备16个光源和16个探测器，能够广泛覆盖双侧前额皮层和右侧顶叶皮层。在实验中，70名参与者完成了不同负荷水平的N-back任务，同时使用NIRSport2设备的采集软件Aurora fNIRS采集了他们的大脑活动数据。为了深入分析这些数据，研究团队采用了一种新开发的多变量统计分析方法——行为偏最小二乘（PLS）分析，以更好地揭示脑活动与任务表现之间的复杂关系。
3.设备细节与数据采集
NIRSport2设备是专为测量大脑皮层血氧变化设计的便携式fNIRS系统。设备使用760 nm和850 nm的光波长，通过光源和探测器对大脑皮层进行扫描，记录氧合血红蛋白（HbO）和去氧合血红蛋白（HbR）的浓度变化。实验设置中，设备以4.5 Hz的采样率对每个参与者的大脑活动进行实时记录。
在数据采集过程中，研究团队确保设备的精确校准，并对每个参与者的fNIRS帽子进行精密调整，以确保光源和探测器覆盖目标脑区（特别是前额皮层和顶叶皮层）。数据采集过程中，实验者实时监控信号质量，并在必要时进行调整，确保获得高质量的数据以用于后续分析。
在国际 10–10 坐标空间中的fNIRS光极排列布局。光极排列布局包括 16 × 16 的额部光源-探测器对，以及 4 × 4 的右顶叶光源-探测器对。光源以红色表示，探测器以灰色表示，通道以紫色线条表示，Cz 用绿色高亮显示
4.fNIRS反映的认知负荷与表现关系
研究发现，前额皮层的激活与工作记忆任务的认知负荷密切相关。参与者在2-back任务中的前额皮层激活显著高于1-back任务，并且这种激活模式与他们的任务表现密切相关。
这表明，随着任务难度的增加，大脑需要调动更多资源来应对更高的认知负荷，这一过程可以通过fNIRS技术进行精确捕捉。
与Colin27大脑模板配准的fNIRS光极排列布局，以及基于Talairach Daemon分区生成的6个ROI的深度图：这些ROI包括左侧和右侧额下回、内侧额上回、内侧眶额皮质、右侧顶上小叶和右侧顶下小叶
然而，在3-back任务中，尽管认知负荷最高，许多参与者的表现却低于2-back任务。PLS分析进一步揭示了不同任务难度下，前额皮层的激活模式对任务表现的不同影响。在1-back任务中，较低的前额皮层激活与更高的任务表现相关，而在3-back任务中，较高的激活水平则与更好的表现相关。这一结果支持了“神经效率假说”，即在简单任务中，大脑以更少的资源消耗实现高效运作，而在复杂任务中，需要动员更多资源以应对挑战。
HbO(左)和HbR(右)的N-back水平对比。仅显示显著通道(q < 0.05)。通道显示在左侧和右侧额下回、内侧额上回和右侧顶叶上下回的10-20坐标和灰度深度图上。对于HbO对比，正的t值(红色)对应于对比中第一项相对较大的活动，负的t值(蓝色)对应于第二项较大的活动，相反的模式适用于HbR对比
LV 1在脱氧血红蛋白浓度(HbR)的变化和性能之间表现出n -back负荷依赖关系。(A)左图分别显示了准确度与HbR浓度变化在N-back水平上的相关性。误差条是平均相关性周围的95%置信区间。右面板显示通道(以数字标记)，其引导比率(BSR) > |2|。(B)散点图显示了在bsr > 3的4个通道上HbR(任务诱发的基线变化的时延)与性能(准确性)之间的相关性，以N-back水平分隔
5.研究的意义与展望
本研究验证了fNIRS技术在测量认知负荷和任务表现关系中的有效性，特别是在自然环境中的应用潜力。
fNIRS不仅可以灵活应用于实验室研究，还能够在教育、职业培训和临床心理学等领域发挥重要作用。例如，在教育领域，fNIRS可以用来研究学生在不同学习任务中的脑部反应，帮助优化教学策略；在职业培训中，fNIRS可以评估员工在复杂任务下的认知负荷，从而制定更有效的培训方案；在临床心理学中，fNIRS可以用于监测患者在认知行为治疗中的进展，为个性化治疗提供科学依据。
6.结论
a. 前额皮层激活与认知负荷的关系
研究显示，前额皮层的激活水平与任务的认知负荷密切相关，2-back任务引发的激活显著高于1-back任务，而3-back任务尽管负荷最高，但参与者表现却不及2-back任务。
b. 任务表现的负荷依赖性
在1-back任务中，较低的前额皮层激活与更好的任务表现相关，而在3-back任务中，较高的激活水平则与更好的表现相关，这种负荷依赖性关系支持了“神经效率假说”。
c. fNIRS技术的有效性与应用前景
本研究通过NIRSport2设备验证了fNIRS技术在捕捉认知负荷变化中的独特能力，并展示了其在不同领域中的广泛应用潜力，尤其是在教育、职业培训和临床心理学领域。
完整的出版物可以在此链接找到：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1053811921000720
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