Autism Research |使用fNIRS技术研究自闭症与典型发育儿童的联合注意反应
自闭症谱系障碍（ASD）是一种影响社会交际、语言沟通和行为模式的神经发育障碍。联合注意（Joint Attention, JA）是社交认知发展的关键技能之一，指个体与他人共享对某一物体或事件的注意力，通常分为主动发起联合注意（IJA）和对他人联合注意的反应（RJA）。在典型发育儿童（TD）中，JA能力在生命的早期逐步发展，并与语言和社交技能紧密相关。然而，ASD儿童在这方面常常表现出显著的不足，尤其是在RJA中反应迟缓或缺乏，这直接影响他们的社交互动能力。
近红外脑功能成像（fNIRS）是一种能够实时、无创监测大脑皮层活动的技术，特别适用于研究儿童的神经活动。本研究通过fNIRS技术，重点探讨2至5岁ASD儿童与TD儿童在RJA任务中的神经活动差异，进一步揭示RJA在社交认知中的神经机制。通过分析不同群体在联合注意任务中的神经反应，可以为早期干预ASD儿童的社交障碍提供依据。
1. 研究目的
本研究旨在通过fNIRS技术，探讨2至5岁ASD儿童和TD儿童在RJA任务中的神经激活差异，并分析这些神经反应与行为表现的关联。研究将特别关注ASD儿童在RJA任务中的神经活动是否存在异常，以及这些异常是否与其社交行为的缺陷相关。研究结果将为理解ASD儿童的社交认知障碍提供神经生物学依据，进而为早期干预策略提供参考。
2. 实验方法
2.1 参与者
本研究共招募了35名儿童，分为两个组别：18名自闭症谱系障碍（ASD）儿童和17名典型发育（TD）儿童，年龄范围为2到5岁。ASD儿童的家庭通过比利时的家庭指导中心进行招募，这些中心为有神经发育障碍的儿童提供非药物治疗或支持。参与研究的ASD儿童在研究开始时大部分已经获得临床确诊，其他儿童则在随后的9个月内确诊。TD儿童则通过社区公告和社交媒体进行招募，所有TD儿童的家长均未对儿童的发育提出任何担忧，且在筛查问卷中未发现临床相关的自闭症特质。
在实验开始前，所有参与儿童的家长或监护人均签署了知情同意书，研究获得了当地伦理委员会的批准。为了确保实验过程中儿童的舒适度，研究员在实验准备阶段会观察儿童的表现，若有任何不适迹象，实验将立即中止。
样本的人口统计特征和相关的行为特征。缩写词说明：ADOS-2 CSS，孤独症诊断观察量表-2校准严重程度评分；DQ，发育商；nvDQ，非语言发育商；RRB CSS，限制性重复性行为校准严重程度评分；SA CSS，社会情感校准严重程度评分；SCQ，社会交往问卷；vDQ，语言发育商
自闭症谱系障碍组与典型发育组从注册到数据分析的流失详情
2.2 行为测量
研究使用了早期社会交际量表（Early Social Communication Scales, ESCS），这一量表由Mundy等人开发，旨在通过一系列结构化的观察任务评估儿童的社会交往能力，特别是他们在联合注意中的表现。实验员与儿童面对面坐在桌子前，父母则坐在一旁，以确保儿童的舒适感。ESCS的主要测量维度包括：
联合注意的启动（Initiating Joint Attention, IJA）：指儿童主动与他人共享注意力的行为，例如通过指向某个物体或做出展示动作来吸引他人的注意。
行为请求的启动（Initiating Behavioral Requests, IBR）：指儿童通过眼神接触、指示或说话来表达请求的行为。
联合注意的反应（Response to Joint Attention, RJA）：指儿童对实验员发出的联合注意邀请的反应，例如通过跟随实验员的指示看向某个物体。
用于早期社会交往量表（ESCS）评分的行为编码
双向随机效应、绝对一致性、单一测量的ICC评分，用于感兴趣的行为测量
在实验过程中，实验员使用了多种玩具和视觉刺激，例如发条玩具和弹出式玩偶，来引导儿童的注意力。RJA的任务设计包括实验员呼叫儿童的名字并指向房间内的海报或书中的图片，观察儿童是否会跟随实验员的指引转向指定目标。每个RJA任务包含14个实验，分别测试儿童在不同情况下对远距离和近距离目标的反应。
实验过程全程录像，并由两位训练有素的编码员进行离线编码，使用Observer XT软件对儿童的表现进行标记。编码的一致性通过内类相关系数（ICC）进行评估，结果显示IJA、IBR和RJA的ICC评分均高于0.87，表明编码员之间的一致性较高。
2.3 fNIRS数据采集
本研究使用近红外脑功能成像（fNIRS）技术来记录儿童在联合注意反应（RJA）任务中的大脑活动。数据采集使用NIRScout设备（NIRx, 德国），采样率为3.91 Hz，光源波长为850 nm和760 nm，分别测量氧合血红蛋白（HbO）和脱氧血红蛋白（HbR）的浓度变化。为了全面覆盖大脑的额叶、颞叶和顶叶区域，本研究使用了16个光源和17个探测器，形成42个有效通道。这些通道主要覆盖儿童大脑的双侧颞叶和部分额叶区域，特别针对与联合注意任务相关的脑区进行监测。
在实验过程中，儿童坐在屏幕前，实验员通过言语和指向提示来引导儿童的注意力。fNIRS的头部探测器布置采用国际10-10系统标准，以确保探测器能够精准覆盖与社交认知相关的大脑区域。在实验期间，fNIRS设备实时记录儿童在联合注意任务中的大脑活动。实验包括两个条件：联合注意（JA+）和独自注意（JA-）。每个条件下，儿童都会观看13秒的视频片段，并在此期间进行大脑活动的监测。为了消除运动伪影和其他干扰因素，研究团队在数据分析前对fNIRS数据进行了预处理。
探头上位于额叶(a)、左颞叶(b)、右颞叶区域(c)的光源、探测器、通道（光源-探测器对）的位置，以及将相邻通道组织成簇的结构(d)。与大脑皮层的配准基于Homer2软件的AtlasViewer工具。在近红外脑成像(fNIRS)中，大部分检测到的信号源自于通道中探测器和相应光源之间的中点，其深度大约也等于通道长度的一半。在(d)图中，通道以光源和探测器之间的中点为中心，并与相邻的通道相连，显示为簇
fNIRS数据采集过程中的实验室设置
2.4 fNIRS数据处理
采集到的数据经过了一系列预处理步骤。首先，未参与任务的试次和因儿童不适而终止的试次被剔除。其次，针对fNIRS数据进行时间锁定处理，信号的起点为视频刺激的呈现时刻。基于文献中的标准，设定时间窗口为视频呈现后的2到20秒。为了确保信号的准确性，处理过程中使用Homer2软件对数据进行滤波和去噪，并剔除含有运动伪影的试次。
fNIRS处理流程，包括Homer2功能、参数、每一步骤的纳入原因以及（如适用）由此导致的流失情况
2.5 统计分析
在行为数据分析中，使用非参数Mann-Whitney U检验比较ASD组和TD组在IJA、IBR和RJA任务中的表现。对于fNIRS数据，使用混合设计的方差分析（ANOVA）来评估组间差异和不同注意类型之间的相互作用。统计结果中使用蒙特卡洛集群检验来确保结果的稳健性。
3. 研究结果
3.1 行为结果
行为测量结果显示，典型发育儿童（TD）在联合注意的启动（IJA）和联合注意的反应（RJA）任务中表现显著优于自闭症谱系障碍（ASD）儿童。TD儿童在与他人分享注意力的能力上更为主动，能够更频繁地发起联合注意，而ASD儿童则表现出较低的社交互动主动性。此外，在RJA任务中，TD儿童对他人的指向性提示反应更为敏捷，而ASD儿童在此任务中的反应较为迟缓或缺乏明显的回应。两组儿童在行为请求的启动（IBR）方面未表现出显著差异，这表明在非社交情境下，ASD儿童与TD儿童的行为请求能力相对接近。
3.2 fNIRS结果
fNIRS数据显示，TD儿童在RJA任务中右侧颞叶区域表现出显著的氧合血红蛋白（HbO）浓度增加，尤其是在联合注意任务（JA+）中，这表明TD儿童对社交性提示的神经反应更为积极。相对而言，ASD儿童在相同任务条件下的神经激活水平较低，且在非社交任务（JA-）中的神经活动更为显著，表明他们在处理社交提示时存在反应迟钝。ASD儿童的大脑反应模式显示出他们在社会互动中的神经适应性不足，尤其是在右侧颞叶的激活上与TD儿童存在显著差异。
在簇1中的注意类型 × 组别交互作用：自闭症谱系障碍（ASD, a）和典型发育组（TD, b）在RJA试验（JA+）和单独注意（JA-）中的HRF反应，信号的概率来源(c)，以及簇的定位(d)。在(a)和(b)中，信号是在组成簇1的三个通道（31、32和34）上的平均值，簇1在(d)中以绿色突出显示，注意类型 × 组别的交互作用在此显著。在(a)和(b)中，阴影区域表示均值的标准误差。簇1在(d)中以绿色突出显示，展示通道的空间相邻性
ASD组（n = 18）：在早期社会交往量表中联合注意反应次数与JA+试验中HbO浓度之间的相关性(a)，信号的概率来源(b)及簇的定位(c)。在(a)中，JA+的HbO信号是对通道18、20、23和25的平均值，(c)中显示通道的空间相邻性及其簇的组织结构，以绿色突出显示
自闭症谱系障碍组（n = 18）：ADOS社会情感校准严重程度评分与JA+试验中HbO浓度之间的相关性(a)，信号的概率来源(b)及簇的定位(c)。在(a)中，JA+的HbO信号是对通道29、30和34的平均值，(c)中显示通道的空间相邻性及其簇的组织结构，以绿色突出显示
3.3 神经激活与行为的关联
研究还发现，在ASD儿童中，左侧颞叶的HbO浓度变化与他们在RJA任务中的行为反应频率显著正相关，表明ASD儿童在表现出联合注意行为时，这一区域的神经激活增强。此外，ASD儿童右侧颞叶的神经激活水平与其社交症状严重程度呈负相关，右侧颞叶激活越低，社交交际能力越差。这些结果提示ASD儿童的联合注意行为与神经反应密切相关，且他们在社交情境中的神经激活不足可能是导致社交障碍的原因之一。
4. 讨论
本研究利用fNIRS技术探讨了自闭症谱系障碍（ASD）儿童与典型发育（TD）儿童在联合注意反应（RJA）任务中的神经差异。结果显示，ASD儿童在RJA任务中的右侧颞叶激活显著低于TD儿童，这表明他们在处理社交提示时的神经反应较为迟钝。相比之下，TD儿童表现出更强的神经激活，特别是在与社交互动相关的任务中，右侧颞叶的显著激活表明他们能够更有效地参与社交互动。ASD儿童的神经活动与他们的RJA行为反应频率密切相关，特别是在左侧颞叶区域，反应频率越高，神经激活越强。右侧颞叶激活不足则与社交交际能力的下降相关，提示这一区域可能是导致ASD儿童社交障碍的重要神经机制之一。
5.结论和未来研究方向
本研究的结果表明，ASD儿童和TD儿童在联合注意任务中的神经活动存在显著差异，尤其是在RJA任务中，ASD儿童的右侧颞叶激活不足，可能是导致他们社交障碍的原因之一。TD儿童表现出较为强烈的神经反应，尤其是在处理社交性提示时，大脑的相关区域能够迅速被激活。这一发现为理解ASD儿童在社交互动中的困难提供了神经生物学的依据，并为早期的干预策略指明了方向。
未来的研究可以进一步扩展本研究的样本量，以确保结果的普适性。同时，未来的研究应关注不同社交任务（如IJA与RJA）的神经活动差异，以更全面地理解联合注意在社交认知中的作用。此外，随着fNIRS技术的不断进步，未来可以在更自然的情境中进行脑部活动监测，减少实验室环境对数据采集的影响。进一步的研究也应探讨如何将fNIRS与其他脑成像技术（如fMRI、EEG）结合，提供多维度的神经生理证据，从而更全面地理解ASD儿童在社交认知中的神经机制。
参考文献：Piatti, A., Van der Paelt, S., Warreyn, P., & Roeyers, H. (2024). Neural correlates of response to joint attention in 2‐to‐5‐year‐olds in relation to ASD and social‐communicative abilities: An fNIRS and behavioral study. Autism Research.
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