島津“運用功能性近紅外光學成像技術對腦功能進行深入研究”

2011-04-06

近代自然科學發(fā)展的趨勢表明，21世紀的自然科學重心將在生命科學，生命科學研究必將飛速發(fā)展。分子生物學的奠基人之一，諾貝爾獎獲得者沃森宣稱：“20世紀是基因的世紀，21世紀是腦的世紀。”。創(chuàng)業(yè)于1875年的島津制作所，始終站立在科學技術的前沿，從不間斷地向世間推出一個又一個尖端科學技術，為社會發(fā)展做出著貢獻。在當今令人矚目的腦功能研究領域，隨處可見島津制作所活躍的身姿，從醫(yī)學生物學領域的基礎研究到臨床應用，再到產業(yè)應用，在廣泛領域內對作為尖端學術性領域之一的腦科學實施了深入研究。

 

    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）功能性近紅外光學成像技術，是近年來日本發(fā)明的新型腦功能測量手法。它可以通過生物體穿透性高的近紅外光譜對腦功能進行無侵襲性測量。其原理是通過三個特定波長的近紅外光來測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程中不同區(qū)域的反應和功能表達。
     
    島津制作所早于1980年開始了近紅外光譜測量身體組織內氧動力學的研究，1991年發(fā)售了日本國內首臺臨床用無侵襲氧監(jiān)測儀OM-100A。目前，在全世界范圍內發(fā)售多通道型紅外光學成像裝置（FOIRE-30000系列，OMM-300系列）。

    近紅外光學腦成像系統(tǒng)可廣泛應用于腦功能、腦認知領域，在醫(yī)療、教育、腦疾病康復、診斷、產業(yè)、基礎研究等領域有著廣泛的應用前景。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，可以加深對近紅外光學腦成像技術的發(fā)展和應用的了解。

    YOKO HOSHI是fNIRS在大腦成像中研究和開發(fā)的主要專家，現(xiàn)任神經(jīng)學東京研究院綜合神經(jīng)科學研究組的主任，但是她對近紅外光譜臨床應用的興趣，源自于1987年在北海道大學開始的關于監(jiān)控大腦中血流量的項目。那時候，她已經(jīng)加入了近紅外光譜的開發(fā)者之一 ——Mamoru Yamura實驗室，她的第一個任務是測量細胞色素C氧化酶，這種酶通過氧氣供應改變氧化態(tài)。HOSHI解釋說：“我認為通過這個途徑有可能來監(jiān)測大腦中的氧，因為細胞色素C氧化酶的氧態(tài)是通過神經(jīng)細胞中氧濃度改變的。”

    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作為實驗室領導人，那時其研究關注在心肌方向，有一天詢問Hoshi：“如果人不能再思考，是因為大腦正經(jīng)受缺乏能量的痛苦嗎？”Hoshi認為可能并不是如此，她轉而想通過交給學生一些問題，并同時用近紅外光監(jiān)測他們大腦的方法來測驗這個想法。測量結果顯示當他們正在思考的時候，大腦血流量增加，但當他們停止思考這些問題的時候，大腦血流量減小。

    因為血紅蛋白在近紅外波長范圍內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胞色素c氧化酶，不如研究血液血紅蛋白。Hoshi回應到：“經(jīng)過大量的技術改進和實驗，我們已經(jīng)撰寫利用NIRS檢測血紅蛋白改變來測量大腦功能的相關文章。”

與島津共同發(fā)展
    不久后，來自島津的研究人員加入了HOSHI在北海道大學的研究團隊，在Tamura 和Hoshi的指導下，島津公司著力發(fā)展一個NIRS的通用模型。終于，島津成功開發(fā)了NIRS系統(tǒng)，可以對大腦和四肢進行局部測量，1991年擴展了它的第一個測量系統(tǒng)。隨后伴隨大量的設計修改和持續(xù)的改進，直到2001年島津開始發(fā)售OMM-2001多波段fNIRS系統(tǒng)。這種新的設計可以測量大腦更大范圍的區(qū)域，緊接著2003年新的改進版本OMM-3000面世。這些設備自此開始應用于臨床研究，2006年，島津公司看到這些應用，于2006年開發(fā)了新的設計FORIE-3000系統(tǒng)，此系統(tǒng)現(xiàn)在仍應用在全日本的基礎大腦科學研究中。

    多波段fNIRS允許病人在自然條件下活動的同時實時監(jiān)測大腦功能，比如，與嬰兒母親配合可以監(jiān)測嬰兒的大腦，或者記錄腦損傷患者在復原過程中的大腦功能。“現(xiàn)在，越來越多的研究人員開始在新生兒和患者的大腦活性的研究中應用fNIRS系統(tǒng)，希望fNIRS能在我們獲得神經(jīng)網(wǎng)絡生長機制方面有所幫助”hoshi如此說到，她同時注意到一個新發(fā)現(xiàn)：在腦損傷復原過程中，在正常活動中大腦某一部分減除活性，一旦損傷部位得以康復，大腦的相應部位在康復運動中不再變的活躍。

近紅外光用于情緒分析
    HOSHI把FOIRE-3000平臺作為她最新研究項目的一部分，“我最近的工作是當志愿者在注視可引起肯定或否定的情緒回應的圖像的時候，分析其大腦機能的變化。”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的測量系統(tǒng)才能執(zhí)行，所以fMRI不太適合應用于實時情感分析試驗中，對于志愿者姿勢和行動有很少限制的實驗可使用fNIRS來執(zhí)行。

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

分離認知空間
    Hoshi的另外一個持續(xù)項目是利用fNIRS實施眼動的聯(lián)合測量，hoshi說到“當我們試圖記住某物或者試圖思考的時候，我們會使眼睛偏向特定的方向，我希望能找出其原因。”當我們全神貫注思考的時候，我們試圖把眼睛投射到某一物體上，而且在相同任務下每個人凝視的方向也不同。兒童以相似的方式移動頭部，但是會有更大的變化范圍，隨著年齡的增長，他們凝視的方向和范圍會變得聚焦，“10歲大概是明確路線形成的臨界年齡。”

    通過對上述現(xiàn)象設計方法所獲得的fNIRS數(shù)據(jù)的分析，可以發(fā)現(xiàn)當人陷入沉思開始注視的時候，大腦的兩個特定區(qū)域是活躍的。“這兩個區(qū)域中的一個是ventral premotor，當人們把注意力放在某一個物體上的時候這個區(qū)域會被激活，另外一個區(qū)域是人們從一個物體轉移注意力到另外一個物體時被激活的。心理學家和信息科學家都認為認思考發(fā)生在認知空間內，在思考中注視某一物體也許反應了我們對認知空間的注意，和這個空間內從一個到另外一個信息過程轉換我們的注意力。”

fNIRS的更多可能
    fNIRS眾多優(yōu)點中其中一個是它可以很方便和其它分析方法結合在一起，它也是一個非常容易使用的系統(tǒng)，并應用于非常多的領域，不管是工程教學，還是動物學和醫(yī)藥領域，尤其是令人激動的領域是腦機接口(BMI)領域。島津已經(jīng)開始實驗用BMI來控制由本田公司開發(fā)的MSIMO類人機器人，在肉眼觀察諸如腿腳活動等人為動作的同時，可以通過應用fNIRS來描述志愿者大腦機能特點，志愿者精神上的努力可以被實時的監(jiān)測和處理，并被轉化成機器人行動的信號。

    Hoshi作為在基礎和應用研究中，不斷推進大腦圖像技術深入發(fā)展的眾多專家中的一員，她說到，“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目中可以積極運用fNIRS。”