近红外光谱技术用于前额叶皮层工作记忆作用的研究

【摘要】：工作记忆是一种对信息进行暂时性储存和加工的机制,它能够保存被激活的信息表征,以备进一步加工之用,对于学习、推理、问题解决及语言理解等高级认知功能的完成起着重要作用。来自正电子发射层析成像(PET)和功能磁共振成像(fMRI)的研究证据表明,前额叶皮层(PFC)是在工作记忆中起关键作用的脑区。 近红外光谱技术(NIRS)是近年来快速发展起来的一项非侵入光学测量方法。在700~900nm的近红外光谱范围内,生物组织具有高散射、低吸收的特性,近红外光可以穿过头皮和颅骨深入脑组织,并由漫射光携带出反映大脑皮层激活状况的血液动力学变化信息。基于氧合血红蛋白(HbO_2)和脱氧血红蛋白(Hb)对多个波长的近红外光的不同吸收,NIRS可以提供对脑组织中HbO_2和Hb浓度相对变化的独立测量,因而在大脑功能活动的检测领域表现出了巨大潜能。 本论文在阐述NIRS 基本测量原理和大脑具体生理特性的基础上,设计并建立了一套多通道近红外光谱检测系统。作为系统的主要应用,通过对两种工作记忆任务下PFC 激活状况的检测,探讨了PFC 在工作记忆中的作用。 1)以光与生物组织的相互作用规律为基础,结合脑的具体生理特性,设计并实现了一套24 通道基于三波长连续光类型的脑功能近红外光谱检测系统。系统的时间分辨率取决于采样频率,因此是可调的,应用中设定的分辨率为1 秒; 成像器(探头)探测面积为6cm×12cm,实际应用中,成像器对称地置于被试眉骨以上、前额中线左右两侧,这样,成像器所检测的脑区范围为前部前额区(Anterior PFC),背外侧前额区(DLPFC)及腹外侧前额(VLPFC)的部分区域。系统实现的主要功能包括获取三种波长的光强变化数据,计算并显示HbO_2、Hb和总血红蛋白(HbT)的相对浓度变化量。离体血液模型实验结果表明该系统可以较为准确地测量组织中HbO_2、Hb和HbT相对浓度的变化。 2)利用NIRS系统对被试在执行基于项目再认范式的言语和空间工作记忆任