近红外脑功能成像技术(fNIRS)在应激障碍治疗中的研究进展

任克 汪待发 刘松柏 王珏君 孙志辉

应激障碍主要包括创伤后应激障碍(post-traumatic stress disorder,PTSD)和急性应激障碍。PTSD一般由物理创伤、精神创伤引起,具体表现为精神障碍、面临类似情景可感到痛苦、创伤性体验重现或对相关经历的选择性遗忘[1],症状通常会持续3个月以上[2]。急性应激障碍,主要由急性精神刺激引起,数小时内发病,症状表现为语言功能受损、精神亢奋或抑制等[3]。患者通常发病较快,且治疗后恢复较为明显[4]。应激障碍的核心症状表现为认知功能缺陷,而神经影像学研究普遍认为,应激障碍患者的前额叶皮质(prefrontal cortex,PFC)活动会出现异常。

近红外脑功能成像技术(functional near-infrared spectroscopy,fNIRS),又称近红外脑成像技术、功能性近红外光谱成像,自1977年首次被用于动物大脑皮层活跃程度的检测以来,已成逐步为神经影像学研究中最常用的技术手段之一,并越来越广泛地被用于应激障碍的相关研究中[5]。fNIRS利用人体血液中氧和血红蛋白、脱氧血红蛋白对光的吸收度不同的原理,根据所采集到光强的变化来得到氧和血红蛋白、脱氧血红蛋白的含量变化,而氧和血红蛋白、脱氧血红蛋白含量反映了大脑皮层的活跃与代谢情况。在以往研究中,已有多种神经影像学成像技术被用于应激障碍的相关研究,最常用的是功能核磁成像(functional MRI,fMRI),此外还包括脑电图(electroencephalogram,EEG)、正电子发射扫描(positron emission computed tomography,PET)等。应激障碍涉及到的研究普遍与认知能力有关,相关实验范式通常需要受试者身体在一定范围内进行活动。另一方面,由于应激障碍人群属于特殊人群,非常规的环境可能引起受试者情绪波动,例如fMRI、PET幽闭的试验环境可能会引起受试者情绪波动从而影响实验结果准确性。此外,对于应激障碍的研究多集中于前额叶区域的各个部位,所以对于脑区中各个部位的区分能力也有一定要求。相比之下,fNIRS在同时满足时间空间分辨率、无创的基础上,且对运动伪影不敏感、使用地点灵活,因此更加适合于应激障碍的相关研究。为进一步梳理相关研究取得的进展,本文将对fNIRS在应激障碍治疗的研究中的作用进行简要综述。

一、fNIRS在PTSD中的应用

许多神经心理学研究已经证实了与PTSD相关的认知功能障碍,如记忆障碍、注意力缺陷和学习障碍[6-8]。研究表明[9-11],应激障碍患者前额叶区域的功能存在受损迹象。金圭星等[12]发现前额叶灰质体积减小,是导致PTSD患者执行功能缺陷的原因之一。Aupperle等[13]的研究证实PTSD患者认知功能受损,主要与背侧前额叶、额叶-纹状体环路即额叶、ACC、眶前额皮层等脑结构受损有关。

通过调研过往的fNIRS相关研究不难发现,研究者通常通过fNIRS检测患者前额叶在执行认知测试任务时的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白水平变化,评估其认知功能[14-18]。在过往研究中涉及到的研究对象主要分为以下几类:患有PTSD的退伍军人;人为灾害中的受害者,该群体又细分为患上PTSD的受害者与未患PTSD的受害者;另外还有自然灾害(如洪水、地震等)中的受害者;而健康受试者通常作为实验中的对照组。对比已有研究,组别设计大致可以概括为以下两种:一种为PTSD患者组成的实验组与健康对照组;另一种是因经历灾害而患上PTSD的患者与经历灾害但未患PTSD的受害者,某些研究也会在此基础上加入健康对照组,例如2003年Matsuo等[14]对东京地铁沙林事件受害者所进行的fNIRS研究中,就选用了三组对照的设计。

研究表明[12-13],认知功能障碍是PTSD最核心的临床症状,与前额叶脑区功能高度相关。目前,有关fNIRS在PTSD中的研究同样主要集中于前额叶皮层,而采取的研究模式分为三种,包括认知测试研究模式、场景刺激研究模式、治疗评估研究模式。认知测试研究模式的内容为设计与基础认知功能激活有关的试验范式,主要考察了受试者的工作记忆能力、反应-抑制能力、语言加工能力等,所用到的实验范式主要包括:数字前向-后向实验、STROOP实验、正向-反向扫视实验、威斯康星卡片实验、语言流畅性实验等。而场景刺激研究模式的内容为向受试者展示与其所经历灾害相关或不相关的内容,并观察在此期间受试者大脑皮层相关区域的变化。治疗评估研究模式的内容为对PTSD患者施以治疗手段,治疗期间采集fNIRS数据并进行分析,例如2016年Amano等[15]对PTSD模型受试者进行了眼球运动脱敏和再处理(eye movement desensitization and reprocessing,EMDR),以观察EMDR治疗期间受试者的大脑相关区域变化情况。

(一)认知测试方面的研究

在已有的认知测试模式的研究中,普遍认为PTSD患者在执行任务期间前额叶相关区域的激活程度相对于正常人有所不同,而这一点在已有fNIRS研究中也得到了证实。已发表的有关PTSD中fNIRS的研究主要集中在工作记忆能力、反应-抑制能力、语言加工能力等方面。

在工作记忆能力的相关研究中,所用实验范式多为数字前向-后向实验,而不同研究在数字前向实验与数字后向实验分别得到结果中,普遍表现为患者与健康受试者前额叶相关区域生理变化在不同使其呈现不同程度的差异。首先,已有研究[16-17]发现,受试者在进行数字前向-后向任务期间,其氧合血红蛋白水平会呈现“数字呈现”、“维持”、“数字回忆”三阶段模式的变化规律,在这三个阶段对应的时间区间内,对照组和实验组的血氧水平存在差异,具体表现为“数字呈现”与“维持”阶段差别较小,而患者在数字后向实验“数字回忆”阶段的血氧水平明显高于数字前向实验相同阶段的血氧水平。此外,上述研究还对受试者脑区激活程度进行了探究。其中2012年Tian等[16]在对患有PTSD的退伍军人进行数字前向-后向测试时,发现在进行前向实验时患者的前额BA9和BA10区域激活程度较弱,而在后向实验时出现较强的激活。出现这种结果主要是由于数字保持短期记忆后,需要对其进行复现操作,而与数字前向任务相比,患者在进行数字后向任务时需要比正常人更强烈的神经活动,便会导致更强烈的血流动力学激活。

在反应-抑制能力的研究中,普遍认为健康受试者的抑制反应能力强于PTSD患者,具体表现为患者在抑制反应期间前额叶背外侧区域活性较低。其中,Tian等[16]进行的正-反扫视实验中,发现患者在进行抗眼运动期间,其前额叶右侧背外侧存在轻微失活,而该研究团队还发现在进行STROOP实验期间,患者的左侧背外侧区域接近额下回的位置活性较低。以上结果表明了前额叶背外侧区域可能与抑制反应能力有关。

对于语言加工能力的研究并不多见,主要研究方式为探究受试者相关脑区在实验期间的氧合血红蛋白浓度增加程度。在Matsuo等[18]进行的一项语言流畅性测试中,发现PTSD患者在某些通道的氧合血红蛋白(oxyHb)增加量明显减少,而这些通道对应位置大致为前额叶皮层。说明在PTSD组中,患者的注意力不能有效集中、前额叶不能被有效利用。

(二)场景刺激方面的研究

神经影像学研究中普遍认为,前额叶皮层是与许多高级认知功能相关的关键脑区[17],在PTSD患者的额叶和顶叶皮质这两个关键脑区的活动出现了异常,而且前额叶某些区域的活性可能与精神警觉程度呈正相关。在以往fMRI研究中,也进行过一些探讨。例如Fonzo等[19]对遭受过家暴并因此患上PTSD的受试者进行了fMRI研究。但应激障碍人群较为特殊,幽闭的试验环境可能引起其情绪波动,而fNIRS则可以避免这一因素所带来的干扰,2003年Matsuo等[14]使用fNIRS对东京地铁沙林事件中的受害者进行的研究中,发现患有PTSD的受害者在受到与灾害相关的情景刺激后,前额叶相关区域活跃程度明显增加,激活的区域为额叶中部和上回,对应于背外侧前额叶皮质。PTSD患者前额叶皮层血流动力学反应的增加,表明PTSD患者中存在对威胁的警戒回避反应机制,前额叶皮层的激活程度与记忆强度之间存在着神经关联,该区域在抑制创伤性事件的视频图像所引起的创伤性记忆方面发挥作用。

(三)治疗评估中的应用

传统的心理干预疗法包括认知行为疗法、教育、宣泄、疏导、社会支持、药物治疗等,但近年来新兴的一种治疗方法——EMDR疗法开始受到临床的青睐。EMDR疗法由Francine Shapiro于1978年创建,是美国心理协会推荐的治疗创伤相关症状的标准治疗方法之一,被广泛认为适合于研究与心理干预相关的大脑变化[20],而神经影像学研究中所用最广泛的治疗方法也是EMDR疗法。fNIRS作为一种脑功能成像手段,可用于检测治疗期间或治疗前后PTSD患者脑激活水平的变化,以此反应认知能力是否得到提升,探究治疗对患者的影响。2016年Amano等[21]使用fNIRS证明了EMDR疗法可以有效减少PTSD患者对所回忆事件产生的不愉快感，提升患者情绪的积极程度。而EMDR疗法通常也应用于其他心理障碍疾病的治疗,例如Shapiro曾用EMDR治疗药物滥用患者、惊恐障碍患者、演讲焦虑者等,治疗效果都较为显著。

此外,fNIRS因其时间分辨率高、对运动伪影不敏感,也曾用于PTSD动物的治疗评估实验研究。但这方面的相关报道较为稀少,其中张彦峰等[22]以大鼠为实验对象,通过探索大鼠在接受穴位针刺时大脑皮层的血流变化情况,验证了穴位针刺疗法对于PTSD的积极作用。

二、fNIRS在急性应激障碍中的应用

过去的经验和证据表明,认知能力会受到急性刺激的影响。使用fNIRS评估急性应激障碍对认知灵活性影响的相关研究还较为稀少。其中,Kalia等[23]进行了相关研究,所使用的研究模式为本文所提到的认知测试研究模式,利用威斯康星卡片实验评估受试者的认知灵活性。但所选取的受试者并非真正的急性应急障碍患者,而是对健康受试者采用冷加压处理法(cold pressor task, CPT)形成临时的急性应激状态。结果表明接受CPT处理后的受试者功能性氧合血红蛋白信号波动幅度大于系统性氧合血红蛋白成分。这也从侧面反映了急性应激障碍对认知灵活性具有影响。

三、小结

本文介绍了fNIRS在应激障碍中的研究现状,通过梳理可以发现,近年来 fNIRS 成为了应激障碍相关研究的新兴手段,它可以作为一种便携式、辅助性的神经影像学工具,用于研究应激障碍患者的认知功能,且已经取得了一些成果。但回顾过往的研究,仍然存在着一些局限性,例如各个研究中的样本量普遍较小;PTSD水平、不同类型的创伤会形成组内的差异性,也会对结果产生影响;多数研究中的fNIRS只覆盖了前额叶皮层区域,其他大脑区域在任务中的参与情况仍不明确;前额叶和其他脑区的相互关系也有待进一步阐明。而未来的相关研究也可以从以上几个方面来进行改进和完善。

总的来说,fNIRS具有高时空分辨率、低成本、便携、非侵入、无噪音、使用环境开放不受限制、对实验过程中被试动作不会过分敏感等特性,非常适用于应激障碍人群治疗的研究。因此,fNIRS为探究应激障碍患者的神经病理机制提供了新的方法和新的机遇。