脑功能成像 以更自然的方式观察大脑：近红外光谱脑功能成像

纵观人类历史，尽管科学家们经常会遇到许多障碍，但科学的巨轮从未停止前进。如今，我们对自然、宇宙、生命的认识比以往任何时候都更加深刻，许多困扰前人的难题对我们来说也不再神秘。但有一点，我们对它的认识才刚刚开始。它日夜陪伴着我们，却又神秘难及；我们对它的神奇能力感到惊讶，但对它的工作原理却知之甚少。这东西是我们神奇的大脑。大脑是我们意识的载体，它让我们感受到喜怒哀乐，也控制着我们的走、坐、卧；它让我们能够独自默默地思考深刻的哲学问题，也让我们能够相互合作，构建复杂的社会组织。

有人说21世纪是大脑的世纪，无数科学家都在努力揭开它的神秘面纱。然而，人眼无法直接看到隐藏在头骨下的大脑，更不用说知道它的精细神经活动了。如果我们想要揭开大脑的秘密，我们还需要一种利器——脑成像技术。

跨期观测技术往往在促进科学发展方面发挥重要作用。比如显微镜诞生了现代生物学，望远镜诞生了现代天文学，而脑成像技术就是21世纪脑科学发展的显微镜。脑成像技术可分为结构成像技术和功能成像技术。前者用于揭示大脑的解剖结构和形态，称为脑结构成像；后者更注重大脑中认知活动的状态和动态过程，称为脑功能成像。

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20世纪初，德国精神病学家伯杰首次从人体头皮电信号中观察到与心算相关的神经活动，这是旨在检测头皮电活动的EEG和ERP的起源。同时，人们也意识到，当神经元释放能量时，会有额外的代谢需求，这将导致大脑中血氧的局部变化。代谢变化和血氧变化是神经活动的间接产物。基于这种间接成像的思想，PET跟踪代谢物是在20世纪70年代左右产生的；20世纪90年代，贝尔实验室的小川奈那等人提出了BOLD，人们开始检测血氧变化引起的局部磁场变化。此后，fMRI因其无创性和毫米级分辨率在空之间而成为主流的脑功能成像技术，为理解人脑功能提供了大量重要证据。20世纪90年代初，fNIRS进入脑功能成像研究者领域。fNIRS作为一种低成本、高生态有效性的无创成像技术，在过去20年发展迅速，在婴儿发育、社会互动等传统脑成像难以涉足的诸多领域发挥了不可替代的作用。

2009年，作者的研究从脑功能磁共振成像领域转移到新兴的近红外光谱脑功能成像领域。花了十几年的时间一无所知，对这项技术及其应用有了一定的了解和体会，最终取得了一系列原创性的成果。由于缺乏能帮助研究者快速、系统、全面了解这一技术的教材或专著，只能依靠以往fMRI研究的基础和经验，参考fNIRS的研究论文和综述文献，零敲碎打地研究探索，经历了种种挫折。为防止国内同行走上我们走过的弯路，我们的研究团队在2014年发起并成功举办了首届全国近红外光谱脑成像学术年会，为研究者提供了交流学习的平台；此外，我们还组织了fNIRS技术的系统培训，分享我们在fNIRS技术和应用方面的知识和经验。同时，许多学生和国内研究人员建议我们应该编写一份教材，以便在更大范围内推广这项技术。幸运的是，这一想法得到了“十三五”国家重点出版物出版规划项目“认知神经科学图书部”的支持和认可。在相关部门的支持下，这本书的写作和出版计划终于提上了日程。

考虑到大多数基础和临床认知神经科学研究者的背景知识结构，作者在内容选择、编排和写作风格上做了相应的调整。在写作过程中，在保证内容完整性和严密性的前提下，尽可能避免使用复杂的生理物理理论和数学公式，以更直观的方式介绍相关内容。

第一章主要介绍了fNIRS的起源和发展历史，通过与fMRI、EEG等常见脑成像技术的对比，介绍了我们对fNIRS技术特点的理解和认识，使读者能够从fNIRS技术的历史发展和在脑成像家族中的地位两个维度对其形成整体的认识。

第二章简要介绍了fNIRS成像的基本生理和光学原理，成像设备及相关器件的组成。成像设备的介绍主要集中在应用最广泛的连续波系统。其他更复杂的成像技术在认知神经科学研究领域所占的比例相对较低，因此它们被包括在本章末尾的扩展阅读部分。

第三章除了介绍常规的实验设计外，作者还分享了研究团队多年来在fNIRS数据采集过程中积累的实践经验，以期为fNIRS数据采集的规范化做出贡献。

第四章忽略了常见的统计学知识，较为详细地介绍了fNIRS脑成像的特殊数据分析过程，如fNIRS信号预处理、基于GLM模型的个体血氧反应指数计算和多重比较校正。此外，考虑到基于fNIRS的认知神经科学研究通常采用群体研究，本书没有采用功能磁共振脑成像数据分析原理的常规介绍方法，而是采用与行为数据分析类比的方法，浓缩了个体效应提取和群体统计两个环节介绍fNIRS脑成像数据分析方法。从以往的经验来看，这种结构化和解释的方式更有助于研究者理解fNIRS数据分析的原理。

第五章详细介绍了fNIRS技术在其优势领域的应用，以使研究者更好地理解和借鉴该领域现有的研究方法和成果。

第六章结合fNIRS的国际研究动态和作者团队的研究成果，介绍了一些有前景的技术和应用，包括静息脑成像、多脑成像和fNIRS多元数据分析。

值得一提的是，fNIRS的脑机接口和神经反馈是一个很有前景的前沿方向。受清华大学高尚凯教授邀请，本部分内容已收录在《类脑计算与类脑智能研究前沿》系列丛书《脑机交互研究前沿》一书中，有兴趣的读者可以查阅。

近红外光谱脑功能成像

朱朝哲

北京:科学出版社，2020年12月

“十三五”国家重点出版物出版规划项目

国际标准书号978-7-03-067849-2

责任编辑:崔

内容简介

近红外光谱技术是一种新兴的脑成像技术，由于其高度的生态有效性和移动性，发展迅速，成为脑成像领域不可或缺的一员。本书首先介绍了这项技术的起源、发展和特点；然后从成像原理和设备参数、实验设计、光学板制备、fNIRS信号和定位数据采集、个体血氧反应指数计算、群体实验效果统计等方面系统介绍了fNIRS技术和方法。最后总结了模糊神经网络的优势应用领域和前沿技术，以及模糊神经网络领域常用的定位和数据分析软件。

本书可供近红外光谱脑功能成像技术与方法领域的研究人员、应用该技术研究基础和临床认知神经科学问题的学者和医生参考，也可作为fNIRS脑功能成像相关领域研究生课程的教材。

目录

本书的目录

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系列前言

前言

缩写列表

第一章引言001

第一节fNIRS技术的起源和发展002

第二节fNIRS的技术优势和劣势004

第二章成像原理和设备007

第一节神经血管耦合007

第二节光学探测原理009

第三节fNIRS 012的设备组成和技术参数

第四节扩大阅读018

第三章实验设计和数据采集

第一节因变量022

第二节独立变量的定义和操作

第三季度，fNIRS实验刺激显示028

第四节控制混乱因素032

第5节受试者的抽样和分布034

第6节数据采集036

第四章fNIRS数据分析047

第一节fNIRS数据预处理047

第二节个体血流动力学反应指数050的计算

第三节分组统计推断和多重比较057

第四节fNIRS数据空标准化和实验结果报告061

第五章是模糊神经推理系统在认知神经科学中的应用

第一节069大脑发育和认知发展

第二节社交互动087

第三节高生态效度下的一般认知过程研究099

第六章fNIRS 110前沿技术课题

第一节静息脑成像110

第二节多脑成像122

第三节基于独立分量分析132的模糊神经网络数据分析

附录156

附录1通用软件工具包156

附录2脑颅位置参考系统183

指数190

想了解