第2O卷第3期
2007年6月
航天医学与医学工程
Space Medicine& Medical Engineering
Vo1．20 No．3
Jun．2007
近红外光学成像技术检测视觉搜索任务期问大脑前额叶氧
合血红蛋白水平变化
杨宏宇 ，周振字 ，刘 云 ，阮宗才 ，龚 辉 ，骆清铭 ，陆祖宏
(1．东南大学儿童发展与学习科学教育部重点实验室，江苏南京210096；2 华中科技大学生物医学和光学教育部重点
实验室，湖北武汉430074)
摘要：目的研究视觉搜索对大脑前额叶氧合血红蛋白水平变化的影响。方法25名右利手健康大学生
被试者在一列非靶字母中搜索靶字母，依据非靶字母数目(2个或6个)，将任务分为2个水平(任务1
或2)。实验期间同时记录被试者行为反应和前额叶脑区氧合血红蛋白水平变化。结果1)与任务1相
比，任务2期间被试者反应时延长、正确率下降，前额叶脑区氧合血红蛋白水平明显上升；2)任务2期间
被试者前额叶脑区激活水平与反应时呈负相关。结论前额叶区域氧合血红蛋白反应与视觉搜索行为
结果相一致，较高的氧合血红蛋白水平有可能缩短行为反应时间。
关键词：前额叶皮层；近红外光学成像；视觉搜索
中图分类号：R318．51 文献标识码：A 文章编号：1002—0837(2007)03-O209-O4
Oxygenated Hemoglobin Responses in Prefrontal Area during Visual Search Tasks Measured with Nearinfrared
Spectroscopy．YANG Hong—yu，ZHOU Zhen—yu，LlU Yun，RUAN Zong—cai，GONG Hui，LUO
Qing—ming，LU Zu—hong．Space Medicine& Medical Engineering，2007，20(3)：209～212
Abstract：0bjective To observe concentration changes of oxygenated hemoglobin(HbO．)in pre—
frontal area during visual search tasks．M ethods Twenty—five healthy college students w ere asked to
do two levels of visual search tasks during which changes of concentration of HbO were meas—
ured．Results 1)HbO，increased during the task of detecting a ta rget letter from eight non—target
letters as compared with that durlng the task of detectIng a target letter frOm 2 non—target letters．
2)The enhancement of HbO，measured bv NlRS on prefrontal cortex was negatively correlated with
performance of the tasks．Conclusion The HbO，response of prefrontal area iS consistent with the
behavioral result of vlsual search tasks．suggesting that higher hem odynam ic response maV reduce
the response time of visual search task．
Key works：prefrontal cortex；near—infrared spectroscopy；visual sea rch
Address reprint to request to：LU Zu—hong．Key Laboratory of Child Development and Learning Sci—
ences of Ministr、，of Education，Southeast University，Nanjing Jiangsu 210096．China
人类功能性脑成像研究的主要目的是探索各
种认知活动期间大脑内部的活动过程。随着正电
子发射断层扫描技术(positron emission tomo—
graphy，PET)和功能性核磁共振技术(functional
magentic resonance imaging，fMRI)的出现，越
来越多的功能性脑成像资料可用来探讨大脑活动
的机制。近红外光学成像技术(near—infrared
spectroscopy，NIRS)为新近出现的一种无创光
学成像技术，可用于检测脑组织静脉血液中氧合
血红蛋白和去氧血红蛋白水平变化⋯，研究表
明，NlRS可反映认知活动期间大脑血流的微小变
化，由于具有较高的时间分辨率，采用这一技术，
我们可以观察在大脑活动期间脑组织氧合血红蛋
白和去氧血红蛋白实时变化情况。利用PET，也
修回日期：2006—12-O5
通讯作者：陆祖宏zhiu@SOU edu cn
基金项目：国家自然科学基金资助项目(00570655)
已经验证了近红外成像技术的可靠和真实性 J。
在NlRS早期研究，只能检测1～2个通道的变
化 ，随着NlRS技术的发展，采用多通道NlRS
系统改进和扩大了其检测脑区的范围，从而获得
更多脑区血液动力学变化的数据。
人类大脑前额叶区域与多种认知活动密切相
关，例如工作记忆、执行控制功能、情绪反应等。
人们在生活中经常面临在众多信息中选择与当前
任务相关信息的情境，这一选择过程亦可称为视
觉搜索。在视觉搜索过程中，个体需要在众多分
心刺激中选择特定的刺激，这一任务属于一种常
用的注意研究范式，以反映个体搜索相关信息的
过程 。如果分心物与靶刺激在某些特征上具
有相似性，而在空间位置上有所不同的话，在实验
中变换分心物的数量，会发现随着分心物数量的
增加，检测靶刺激的反应时明显增加。文献表明
第3期 杨宏宇，等．近红外光学成像技术检测视觉搜索任务期间大脑前额叶氧合血红蛋白水
0．04
0．02
0．00
．
0．02
．
0．04
．
0．06
A 0．0005～0．02 Hz band pass filter B．raw data of ofright prefror
j
1．192forbaseline，193．576fortask1 1-192forbaseline，193-576fortask2
图2 1名被试者在执行任务1和2期间其右侧前额叶区域通道8血红蛋白水平变化图
．
2 I-lbO2 changes in channel 8 of right prefrontal area durint taskl and task 2 for one single sul,jeet
表1 视觉搜索任务行为学结果(i± )
Table 1 Performanceforthe visual search tasks( ±s)
Noto：· ·P<O．o1。as compared with task 1
<O．05被认为具有统计学意义，实验所得数据用
SPSSIO．0软件进行统计学处理。
结 果
行为学数据表明，与任务1相比，任务2反应
时明显增加(t：17．22，df：24，P<0．O1)，正确率
明显下降(t：一3．72，df：24，P<0．O1)，说明被试
者完成任务2花费的资源多于任务1(表1)。
NIRS信号重复测量结果表明，氧合血红蛋白
浓度任务主效应显著(F=7．86，df：1，P<
0．01)，表明任务2期间氧合血红蛋白增加大于任
务1，未发现左右半球(F=0．61，df：1，P：
0．75)和通道效应(F：0．73，df：7，P：0．39)
(图3)。
暑
taskl task2
图3 任务1和任务2期间前额叶区域血红聋白浓度变
化(i± )
|．1g．3 Concentration changes of oxy-I-IB OVel"prefrontal
area during taskl and task 2( -i- )
相关分析表明，在任务2期间左前额通道l
(r： 一0．45，P：0．03)、3(r： 一0．41，P=
0．04)、5(r：一0．51，P：0．01)、7(r：一0．47，P
：0．02)和右前额通道2(r=一0．49，P：0．O1)、
5(r： 一0．48，P=0．02)、7(r= 一0．52，P：
0．01)、8(r=一0．44，P：0．03)氧合血红蛋白变
化与反应时呈负相关，表明随着前额叶脑区激活
水平增加，被试者在任务2中反应时下降。任务
1未发现行为学数据和氧合血红蛋白水平变化之
间具有相关性。
讨 论
本研究行为学数据表明，在视觉搜索任务中，
随着非靶刺激数目的增加，被试者反应时延长、正
确率下降，与行为学数据结果相一致。NIRS数据
信号也表明，在复杂视觉搜索任务期间，被试者前
额叶区域氧合血红蛋白水平高于简单视觉搜索任
务，氧合血红蛋白水平增加反映了大脑皮层神经
元细胞激活而引发的局部脑血流增加。NIRS结
果显示与简单任务相比，被试者在执行复杂任务
期间前额叶脑区出现了明显激活反应。多项fM—
RI研究也表明，在视觉搜索任务期间大脑前额叶
区域明显激活 ，本实验采用l6导NIRS技术，
在被试者执行视觉搜索任务期间记录其氧合血红
蛋白浓度变化，结果与fMRI研究结果一致，表明
212 航天医学与医学工程 第20卷
NIRS可以灵敏反映认知活动对于大脑血液动力
学信号的影响。
相关结果还显示，在执行复杂视觉搜索任务
期间，前额叶区域血液动力学激活水平与个体操
作任务反应时负相关，表明随着被试者前额叶氧
合血红蛋白水平的增加，行为学反应更加快速。
关于行为学反应与脑区激活之间的关系，目前得
到的结果尚不十分一致。有NIRS研究报道，在
执行N—back任务和两位数心算任务中，均发现
前额叶脑区激活水平与反应时呈正相关 。分
析本实验在视觉搜索任务中出现负相关的结果，
可能是由于视觉搜索任务难度相对较低，而N—
back任务和两位数心算任务难度较高的原因所
致。Yerkes&Dodson l1]定律认为，执行操作困
难的任务，唤醒水平在较低状态下较好，而对于操
作简单的任务，唤醒水平在较高的水平最佳。不
过这一定律采用的实验对象为动物，唤醒水平也
仅用电击进行评估。而在NIRS研究中，根据复
杂和简单两种认知操作任务出现不同的相关性，
提示我们前额叶血液动力学激活水平有可能也是
反映个体唤醒水平的可靠指标，促使我们进一步
研究采用前额叶氧合血红蛋白水平变化来衡量个
体的客观唤醒水平。前额叶脑区在人类和灵长类
动物中得到了高度发展，并且与多种高级认知活
动密切相关。在以往有关应激反应、情绪激活等
研究的唤醒水平指标中，多数研究关注交感神经
系统、下丘脑一垂体一肾上腺皮质轴这些神经体液
调节指标 ，但如果采用NIRS检测前额叶脑区
氧合血红蛋白水平变化，无疑会使我们从另外一
个新的角度探讨生理唤醒这一概念。
结 论
本文采用近红外光学成像技术，研究前额叶
区域在视觉搜索任务中血液动力学变化，发现复
杂视觉搜索任务与简单任务相比，氧合血红蛋白
水平显著增加，而且血液动力学变化水平与个体
行为反应时负相关。NIRS同时具有方便、无创、
价格适中等诸多特点，提示多导NIRS系统在认
知神经科学研究中将会发挥越来越重要的作用。
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[作者简介：杨宏字．女．博士后．讲师．研究领域为生物心理学]
摘要：“電子郵件，實時通訊，校內，微博，RSS訂閱…”我們每天都接受著信息爆炸時代的洗禮，過量的信息對我們造成了無盡的打擾，讓我們處在一種永遠分心的狀態。
“電子郵件，實時通訊，校內，微博，RSS訂閱…”我們每天都接受著信息爆炸時代的洗禮，過量的信息對我們造成了無盡的打擾，讓我們處在一種永遠分心的狀態。如何讓這場災難結束？把它們屏蔽掉然後只關注手頭的工作？Come on，工作沒有那麼容易，每個任務都有它的脾氣。也許有一個辦法令一切變簡單，讓電腦知道、你要幹什麼。Evan Peck正在構造一個系統，賦予電腦監視你大腦的能力，並對你的工作作出反應。另一方面來説，它就像一個過濾器，只提供給你必要的信息，把無關的雜亂信息屏蔽掉。
系統的輸入端在耳機上。它配置有紅外線，照射到用戶的額頭上，觀測用戶的前額皮質。這部分在大腦中參與計劃和決策制定。有些光線被含氧血紅蛋白吸收，有些被去氧血紅蛋白吸收，還有一些被反射回去。通過測量前額吸收的光線量，系統可以知曉用戶什麼時候心無旁騖，什麼時候三心兩意。把測量數據和屏幕上的內容關聯起來，計算機就能夠估算相關信息是否有用了。
輸入端的技術叫做(fNIRS)功能性近紅外光譜學。是一種粗糙的大腦成像技術。與(MRI)核磁共振成像對比，它很便宜、且合適小型化，所以是這個系統的不二選擇。
為了得到合適的信息，系統監視血紅蛋白的變化。使用之前要通過14個測試用的小電影來分辨你的指標。這些電影與雲端的數據庫相連接，用來修正用戶大腦指標的正負差值，每一部電影的播放過程中都會對指標進行修正。最後構建起一套你的專屬系統。
美國聯邦航空管理局正在探究這項技術，以及如何在空勤控制中的使用。Erin Solovey則在探索如何在汽車中使用這項技術。
對於Peck來説，計劃的下一步就是加入更加複雜的功能，比如過濾電子郵件等。現階段而言，只能探測用戶對當前的任務專注與否。在記錄下大腦的活動級別後數據，Peck相信電腦最終可以用來預測一些信息是否重要。對於拖延症來説這是個福音，讓我們拭目以待。
編輯：遊戲臺編輯 聲明：央視網遊戲頻道登載此文處於傳遞信息之目的，絕不意味著贊同其觀點或證實其描述。
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