基于fNIRS技术检测脑外伤所致轻度认知功能障碍者工作记忆

昌凡 ，李豪喆 ，张盛宇 ，陈琛 ，刘超 ，樊慧雨 ，邢燕 ，张钦廷 ，蔡伟雄

（1.温州医科大学精神医学院，浙江 温州 325035；2.司法鉴定科学研究院 上海市法医学重点实验室司法部司法鉴定重点实验室 上海市司法鉴定专业技术服务平台，上海 200063）

工作记忆（working memory，WM）是一种容量有限的记忆系统，可供存储，也有操作加工处理记忆的功能[1]。不仅可以暂时保持信息，而且涉及对信息加工、协调、计划和监督管理的整个过程。目前倾向将工作记忆分为三成分模型，其中，语音回路负责语义和听觉信息，是信息维持及复述的重要环节；视空间模板负责对物体的颜色、距离、方向等一些外在特征进行存储和调节；中央执行系统是工作记忆核心，负责对信息进行刷新、转换、注意与抑制等执行控制过程。在神经影像学研究中，通常使用单词、字母和数字N-back范式来考察工作记忆。

研究[2]结果表明，至少25%的创伤性颅脑损伤（traumatic brain injury，TBI）患者在康复阶段后至少6个月仍遗留有不同程度的认知功能障碍，其中记忆障碍是最常见的症状之一。有研究[3-4]结果显示，与正常对照组比较，TBI患者的工作记忆指数（working memory index，WMI）、处理速度指数（processing speed index，PSI）显著降低。遗憾的是，尽管通过事件相关电位（event-related potential，ERP）、眼动（eye movement，EM）以及脑电图等技术手段可探索脑外伤后认知功能状况，但空间分辨率较差[5-8]。另外，功能性磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）虽然有极高的空间分辨率，但其时间分辨率相对较差，且其对被试者的活动限制较高。为此，开发和利用新的功能性检查技术对脑外伤所致轻度认知障碍患者的微观结构进行深入研究已成为必然。

功能性近红外光谱成像（functional near-infrared spectroscopy，fNIRS）作为一种光学检测手段，将近红外光直射于头皮表面，通过测定大脑皮质中散射光的强度可间接检测出被试者执行任务过程中大脑特定区域皮质氧合血红蛋白（oxyhemoglobin，HbO）浓度的变化，并以此反映大脑皮质的激活情况[9]。fNIRS是一种完全无创且同时兼具较高的时间与空间分辨率的多功能神经影像学技术，能弥补fMRI、ERP和脑电图等各自的不足。其体积小，便携，且用户界面更友好，能提供更宽松的实验环境，这使得在临床环境中研究认知任务简单方便。同时仪器成本不高，易于运行和维护。并且，针对脑外伤患者烦躁易怒、情绪不稳定、注意力有时无法集中、无法忍耐等特点，利用fNIRS无需严格限制被试者活动这一优点，可以很好地弥补患者的不稳定性。自1977年fNIRS首次被使用于动物大脑皮质血氧水平的检测后，至今已有大量研究围绕该技术展开深入挖掘，尤其在精神障碍领域，包括精神分裂症[10]、情感障碍[11]以及神经发育障碍[12]等多个方面。且WIJEAKUMAR等[13]观察到fNIRS和fMRI测量之间存在显著的体素相关，适用于大脑额颞叶皮质的所有实验条件。以往虽有将fNIRS用于脑损伤患者的研究，但所用范式大部分集中在Stroop与VFT[14-15]。少有研究者利用fNIRS分析被试者工作记忆的脑激活差异，或者仅分析脑震荡患者的注意抑制差异[16]。基于此，本研究拟将对象定焦于脑外伤所致轻度认知功能障碍患者，应用fNIRS实时检测患者和健康人群在执行N-back任务时前额叶皮质HbO浓度的变化情况，探讨观察对象前额叶皮质激活情况的差异。

1 对象与方法

1.1 研究对象

纳入2018年11月—2019年6月因道路交通事故受伤在司法鉴定科学研究院进行精神残疾程度评定的被鉴定人28名为研究组，招募志愿者30名为对照组。

研究组纳入标准：（1）年龄为18～50周岁；（2）右利手；（3）符合《ICD-10精神与行为障碍分类》[17]中器质性（脑外伤所致）轻度认知障碍的诊断标准；（4）道路交通事故伤后6个月及以上；（5）入组前未服用过精神科药物；（6）研究对象理解研究内容并签署知情同意书。

排除标准：（1）符合《ICD-10精神与行为障碍分类》其他精神障碍的诊断标准；（2）酒精和（或）物质依赖史；（3）癫痫病史；（4）精神疾病家族史；（5）既往有脑外伤史或脑器质性疾病；（6）严重的心血管疾病、内分泌疾病以及肝、肾、肺等重大疾病史。

对照组入组标准：（1）年龄18～50周岁；（2）右利手；（3）伤前无颅脑受伤史、脑血管意外病史；（4）身心健康，无严重躯体疾病；（5）自愿参加本研究，知晓并签署知情同意书。

1.2 研究方法

收集人口学（性别、年龄、受教育年限等）以及临床资料［颅脑损伤程度、损伤部位、损伤性质、昏迷时间和格拉斯哥昏迷指数（Glasgow coma scale，GCS）评分等一般情况］，使用日常生活能力量表（activity of daily living scale，ADL）、社会功能缺陷筛选量表（social disability screening schedule，SDSS）对研究组进行评估，同时进行韦氏成人智力量表测试，采用LabNIRS/16近红外光学脑成像系统（日本岛津公司）完成fNIRS检测。

精神残疾程度评定由2名以上有经验的法医精神病鉴定人根据《人体损伤致残程度分级》进行评定。

研究按双盲法进行，研究人员参与被鉴定人fNIRS的检查过程，不参与鉴定案件的讨论；鉴定人不知道被试者fNIRS与N-back范式的结果。

1.3 fNIRS检测

（1）N-back任务设计

N-back任务使用E-Prime 3.0软件（美国PST公司）编写，并呈现于台式机电脑显示器，显示器与被试者之间的距离为50cm。刺激任务采用区组设计，且正确率高于90%后再进入正式测试模块。任务初始为时长10s的基线采集。N-back任务由高记忆负荷的2-back任务和低记忆负荷的1-back任务组成（其中每组任务包括刺激23次），两组任务随机呈现各3次，两组任务中间为时长30s的静息态。N-back的刺激内容为伪随机顺序呈现的数字，当数字呈现时，要求被试者迅速按键反应。1-back任务下，如果屏幕上出现的数字和其前一位数字相同则按“f”键，否则按“j”键。2-back任务下，如果屏幕上出现的数字与其前两位数字（隔一位数字）相同则按“f”键，否则按“j”键。实验材料及实验程序刺激由E-Prime 3.0软件控制。每次刺激呈现时间不设限，当被试者对刺激呈现按键反应后，刺激消失，进入短暂的空白阶段后自动跳转至下一个刺激，刺激间隔时间即空白阶段为500ms。被试者平视显示屏中心。要求被试者对刺激尽快准确地按键，在休息阶段保持清醒但放松的状态（默数1、2、3、4……）[18]。记录行为学数据（包括按键错误个数与反应时间）以备统计分析。

（2）血氧代谢记录

fNIRS检查采用LabNIRS/16近红外光学脑成像系统。首先，根据10-20定位系统[19]标记头皮上的Nz、Fpz、Cz、Oz、A1、A2、T3位置。16个探头随后用特制的泳帽固定在前额上（图1），探头下侧与眉毛上侧齐平，共形成22条通道。光源发射器3放置在Fpz（额极中线）位点，左右不对称。使用FASTRAK 3D磁场数字化仪（美国Polhemus公司）和3D位置测量系统软件4.1.0.0版（日本Shimadzu公司）[20]定位被试者头皮上标记点和探头夹持器中每个探头的三维空间位置，参考蒙特利尔神经研究所坐标系（MNI坐标系）[21]，正式开始后，仪器自动记录光信号。

1.4 数据处理和分析

在Matlab2013软件（美国The MathWorks公司）中使用LabNIRS/16配备的近红外数据处理软件包NIRS-SPM对收集到的fNIRS数据进行预处理，得到各通道HbO质量浓度变化减去静息态的HbO浓度的β值（ΔHbO）。β值为正代表正性激活，为负代表负性激活。采用SPSS 20.0（美国IBM公司）对数据进行统计分析。计量数据均采用表示。根据实验目的对转换后得到的各个任务中的β值以及被试者行为学数据（按键错误个数与反应时间）的平均值进行统计分析。对组间一般资料与β值数据比较时，不符合正态分布的配对样本数据的比较进行Wilcoxon秩检验，组间比较进行Mann-WhitneyH检验。符合正态分布的数据进行χ2检验或独立样本t检验。检验水准α=0.05。采用统计参数图（statistics parameter mapping，SPM）记录激活区的激活范围及激活强度。

图1 大脑前额叶通道分布情况Fig.1 Distribution of channels on prefrontal ganglia

2 结 果

2.1 一般资料比较

排除研究组明显不配合4名，对照组中无法顺利完成2-back任务3名，实际入组研究组24名，对照组27名。研究组与对照组一般数据符合正态分布。性别构成使用χ2检验，其余数据使用独立样本t检验。由表1可见，性别构成、年龄、受教育年限等方面两组差异均无统计学意义（P＞0.05）。但在智力评分、SDSS、ADL量表评分上差异有统计学意义，除智力评分外，研究组得分均高于对照组（P＜0.05）。

表1 研究组与对照组间一般情况的比较Tab.1 Comparison of general conditions between study group and control group （±s）

表1 研究组与对照组间一般情况的比较Tab.1 Comparison of general conditions between study group and control group （±s）

注：1）“/”前后分别为男、女性数据；“-”表示无数据。

images/BZ_60_1285_2677_2265_2731.png0.40 0.79 0.49 0.001-0.001 0.001性别 1）/例年龄/岁受教育年限/年智力评分GCS评分SDSS ADL 14/10 40.45±11.67 11.27±5.63 69.70±10.71 14.40±1.40 5.83±1.76 21.80±3.74 12/15 41.38±11.46 12.60±6.02 101.67±14.93-0.25±0.05 14.21±1.34

2.2 行为学结果比较

对对照组与研究组在1-back、2-back任务时的反应时间与错误个数进行独立样本t检验（符合正态分布，其中方差不齐时，采用校正的t检验）（表2），对照组错误个数与反应时间均少于研究组，差异具有统计学意义（P＜0.05）。

对组别（对照组×研究组）和工作负荷（1-back×2-back）进行重复测量方差分析。在错误个数与反应时间上，工作负荷的主效应显著（F=14.11，P=0.0011），组别的主效应显著（F=10.39，P=0.0015）。工作负荷与组别的交互作用不显著（F=2.11，P=0.088）。

2.3 fNIRS结果比较

2.3.1 1-back、2-back任务下各通道ΔHbO比较

因两组β值均不符合正态分布，因此使用非参数检验，对对照组和研究组进行Mann-WhitneyH检验，在1-back任务中，研究组与对照组在任一通道上的差异均没有统计学意义（P＞0.05）。

在2-back任务中，两组在通道2、3、7、9、10、11、14、15、18、21、22上差异有统计学意义（P＜0.05），其余通道差异无统计学意义（表3）。对照组的ΔHbO值大于研究组，研究组ΔHbO值多为负值。

2.3.2 脑区激活定位比较

将对照组27名与研究组24名的脑区激活SPM分别叠加，在1-back条件下，对照组与研究组在偏左侧额极与背外侧前额叶区域均有激活。2-back条件下（图2），对照组激活区域在左侧额极区与左侧背外侧前额叶区，而研究组几乎涵盖左右大部分额极区，散在分布，且其右侧区域也存在激活。

表2 对照组与研究组不同认知负荷的工作记忆的错误个数与反应时间比较Tab.2 Comparison of the number of errors and reaction time of working memory in different cognitive load between control group and study group （±s）

表2 对照组与研究组不同认知负荷的工作记忆的错误个数与反应时间比较Tab.2 Comparison of the number of errors and reaction time of working memory in different cognitive load between control group and study group （±s）

注：1）与对照组比较，P＜0.05。

错误个数 反应时间/ms对照组（n=27） 研究组（n=24） 对照组（n=27） 研究组（n=24）任务1-back 2-back 6.14±6.85 7.96±7.25 10.50±7.461）14.19±9.111）1337.42±904.97 2426.06±1829.00 1825.12±891.011）3074.63±143.651）

表3 2-back任务下，对照组与研究组的ΔHbO质量浓度比较Tab.3 Comparison of mass concentrations of ΔHBO between control group and study group under the 2-back task

3 讨 论

创伤性颅脑损伤患者经长期系统的治疗后，仍有部分患者会出现感知、记忆、情感以及智能等精神方面的异常。本研究发现，当性别组成、年龄以及文化程度相匹配情况下，脑外伤所致精神障碍患者ADL、SDSS得分均高于对照组，韦氏成人智力量表测试得分低于对照组，差异具有统计学意义。这与既往研究结果[22]一致，提示ADL、SDSS和韦氏成人智力量表在反映脑外伤所致精神障碍患者的日常生活和社会功能受损的严重程度上具有一定的参考价值。

图2 2-back任务时大脑前额叶激活区域Fig.2 The activation of prefrontal cortex during the 2-back task

1974年，BADDELEY和HITCH在分析短时记忆时提出工作记忆的概念[23]，用以表示短时间内贮存和保持信息的能力。目前认为，工作记忆包括至少词语和空间工作记忆两种类型，分别负责处理词语和空间信息。词语工作记忆主要激活左侧半球（优势半球），空间工作记忆则主要激活右侧半球。N-back实验范式是工作记忆的经典范式之一，其大脑激活基本与工作记忆的神经环路贴合[24]，通过参数N及控制当前刺激与目标刺激间隔的刺激个数来控制工作记忆负荷，N越大，工作记忆负荷越高。研究结果[25-26]表明，工作记忆对于语言理解、学习、推理、思维等认知任务的完成起关键作用。其指标平均反应时与正确率（或错误个数）可以用来间接测量个体神经网络对信息处理的快慢程度，用来反映工作记忆损害的严重程度[27-28]。本研究选定数字为刺激物，包括1-back与2-back任务，评估神经系统对简单负荷与高负荷任务的反应。本研究中，对照组的激活范围和激活强度显著部位主要集中在左侧前额叶，1-back任务中，研究组激活部位也主要集中在左侧前额叶。这与其他词语工作记忆激活区域基本一致，支持数字也作为一种词语信息，处理过程在左侧额叶优势半球的理论。

有研究[29]认为，BA10区的重要功能就是信息处理的协调和多个认知过程间的信息转移。利用fMRI对工作记忆的研究[30-32]也发现，前额叶区域的BA10区有强烈激活。尽管因为实验对象不同，激活范围会有相应变化，但BA10总是存在不同程度的激活。本研究结果与其一致，该区域确实明显激活。另外，脑外伤所致轻度认知功能障碍者与健康人群在1-back任务下各个通道ΔHbO浓度无明显差异，推测1-back工作容量负荷较小，因而对轻度认知功能障碍患者而言，激活的部位与强度尚能代偿。这一点与SPM结果相一致。而在高难度负荷2-back任务下的2、3、7、9、10、11、14、15、18、19、21、22通道，组间差异明显，表明脑外伤所致轻度认知功能障碍患者的ΔHbO浓度明显小于对照组，即激活程度明显弱于对照组。功能神经成像研究发现，事件记忆的编码过程与左侧前额叶（BA 10、45、46、47）的激活有关，记忆的提取则与右侧前额叶（BA 9、10、46）的激活有关[33]，而这些存在差异的通道位于额极区域（frontopolar area，FpA）、腹外侧前额叶（ventrolateral prefrontal cortex，VLPFC）以及左右背外侧前额叶（dorsolateral prefrontal cortex，DLPFC）区域，故提示脑外伤所致轻度认知功能障碍组在高难度负荷下对记忆的提取与编码过程都存在一定程度的削弱。

另外，本研究结果还发现，在15通道即右侧BA45区，研究组ΔHbO为正值且明显大于对照组，激活程度也明显强于对照组。早期有学者对双侧VLPFC（BA 44、45、47）功能成像进行研究时发现，在语言工作记忆任务中，VLPFC特别是BA 44、45，与顶叶皮质同属于语音环，在默读复述中起重要作用[28]。笔者推测，相对于对照组，研究组为了更好地完成任务，与通过激活对记忆的编码与提取的功能区相比，对默读复述这种方法的依赖性更高。这些区域的差异，也说明两组完成任务时，对记忆实施的策略存在很大差异。有研究结果[29，34]认为，当出现脑损害后，无论是什么原因导致的局部或者弥漫性损害，患者大脑数字工作记忆的策略都会发生变化，激活能力改变，不能像正常人群对刺激进行储存和提取，本研究结果较好地验证了这一点。

既往研究中，存在认知功能障碍的患者，无论是痴呆早期[35]或者精神分裂症[36]，在执行工作记忆任务时，都存在前额叶脑区激活程度明显降低的情况。本研究观察到，工作记忆任务期间脑外伤所致轻度认知功能障碍患者同样表现出前额叶脑区激活程度减弱、激活范围更广的现象，我们将其归因于工作记忆的额叶功能紊乱。这一结果提示，fNIRS在发现脑外伤所致轻度精神障碍患者认知功能障碍上具有一定的参考价值。

大多数学者[31，37-40]认为，工作记忆的激活脑区集中在额叶区域。通过额叶主导其他皮质脑区形成可以共同完成这一项复杂的认知过程的网络系统。与对照组比较，本研究中脑外伤所致轻度认知功能障碍患者数字工作记忆的激活脑区在前额区域发生了较大变化。首先，在左侧额叶其较正常组功能脑区的激活强度降低，在左侧额叶的有效激活范围也有所减少。其次，在右侧额叶周边出现了非正常激活区域，其有效激活区域散在分布。有学者[41]对脑外伤患者的工作记忆进行fMRI影像学资料研究发现，在2-back任务时，额顶叶主要是DLPFC和顶叶皮层区活动在脑外伤患者中呈现出更广泛的趋势；对多次脑震荡而出现记忆下降等症状的运动员进行视觉和语音刺激，发现其DLPFC的激活相对于正常人是减弱的[42]；KEIGHTLEY等[43]对轻度创伤性颅脑损伤（mild traumatic brain injury，mTBI）患者（受伤后平均41 d，范围为990 d）后的工作记忆表现研究发现，mTBI组的任务表现较差，大脑活动也较低；王慧芳[44]在对伴短暂性记忆障碍的轻度创伤性脑损伤患者静息态fMRI研究中发现，短暂记忆障碍患者与无记忆障碍患者相比，某些区域的激活是减弱的。本研究结果与上述研究类似，在2-back任务下，脑外伤所致轻度认知功能障碍患者额叶效率低下。根据激活区域比较，研究组其激活范围更广，产生了一个较广泛的前额叶活动来实现超额的激活代偿反应。工作记忆的执行依靠一个复杂的信息加工网络系统，涉及了整体的协作[39]。存在记忆障碍的脑外伤患者，其工作记忆涉及的脑神经网络可能受到损害，继而为弥补损伤部位所带来的缺陷，会利用某些相同或者相似的机制（调动其他脑区的功能进行代偿）来完成任务。与本结果存在矛盾的是，KONTOS等[45]虽发现多次脑震荡的青年运动员与健康运动员在相关脑区激活情况存在减弱现象，但并未看到激活范围的扩大，尽管脑震荡组确实存在更差的准确性与反应性，猜测原因可能在于多次脑震荡造成周围部分已无法有效地代偿。但有趣的是，本研究结果还发现，在1-back任务中两组被试者前额叶皮质激活情况无明显差异，这一现象仅出现在任务效应难度更大的2-back中，尽管与对照组相比，在1-back简单负荷任务的认知加工下反应时间和错误率都有所增加。而KHETANI等[31]却发现，在1-back任务下，脑外伤组也存在激活范围扩大的现象。我们推测，造成这种差异的原因可能更多地在于实验对象的不同。KHETANI等的研究对象是儿童，儿童的认知功能处于一个未发育完全的状态，1-back任务对于儿童来讲也存在一定难度，而对成年患者来说，1-back为简单负荷任务，大脑区域仍能完整负担。

综上，本研究发现，在高负荷工作记忆任务下，脑外伤所致轻度认知功能障碍患者对记忆实施的策略存在改变。其额极、腹外侧与背外侧前额叶区域激活较健康人群减弱，尽管在右侧前额叶区域的激活范围更广，但其分布更分散，排布不规则，无法产生有效的功能，表现出来的仍是工作记忆功能的下降。这一结果提示，脑外伤所致精神障碍患者可能存在脑区激活异常的情况，fNIRS可以作为潜在的检测脑外伤所致轻度认知功能障碍患者执行工作记忆任务的客观评定方法。