情绪任务在情感障碍中的近红外脑功能成像研究进展☆

郭灿 杨春霞 孙宁

情感障碍（affective disorder）是常见精神疾病，主要包括抑郁障碍和双相障碍（bipolar disorder，BD）等心境障碍。目前研究显示，我国成人抑郁障碍终身患病率高达6.8%，BD的终身患病率0.6%，同时，情感障碍具有易复发、高自杀率和高疾病负担等特点[1-4]，其病因机制尚不明确[5-6]。目前临床对情感障碍的诊治仍缺乏客观准确的标志物。功能性近红外光谱成像（functional near-infrared spectroscopy，fNIRS）作为临床检测的新兴技术，为探索精神障碍脑功能差异提供了定量测量、诊断治疗的工具，具有较好的应用前景[7-8]。既往基于fNIRS开展的情绪相关研究，范式上多倾向于探索在言语流畅性任务下脑皮质的激活，在情绪任务方面的研究甚少。情绪任务通过呈现情绪信息或刺激，引起被试的主观感受，采用不同评价指标反映注意偏向和认知功能，是研究情感障碍的重点任务范式。因此，本文综述基于情绪任务下fNIRS 技术对抑郁障碍和BD 领域的研究，探究执行情绪任务时大脑皮质激活情况，分析任务中的血流动力学特征在情感障碍诊断、治疗及评估等方面的实践价值。

1 fNIRS概述

fNIRS 是基于光源的技术，在受检者头部表面发射波长范围为700～900 nm 的近红外光来探测脑皮质的血流反应。根据朗伯-比尔定律可以测量血红蛋白相对浓度变化[9-10]，得到各脑区的活动信息。由于fNIRS具有无创伤、可重复测量、适用于自然情景以及时间分辨率较高等优势，可运用于抑郁障碍和BD 的辅助诊断、认知功能评估以及治疗预测等方面，已成为情感障碍领域不可或缺的定量评估平台。

2 情感障碍领域基于情绪任务的fNIRS研究

情绪信息对大脑认知功能的调节是研究情感障碍的重点问题之一，目前研究中以情绪为主的任务范式有面部情绪识别任务（facial emotion recognition task，EFRT）、情绪stroop 任务（emotional stroop effect，ESE）、面部情绪性别判断任务、情绪自传体任务、图像回忆任务、情感图片任务、负面情绪图片描述任务和情绪GO/NOGO 任务等。本文归纳了3种具有代表性的情绪任务：面部情绪识别任务、情绪stroop任务及情绪诱导任务。这3 种情绪任务分别测量被试对人类面孔情绪的识别能力、对物体的情绪注意偏向以及在各情绪状态下的心理行为表现，fNIRS则在此基础上研究情绪功能和大脑激活模式。表1 总结了3 种任务范式，表2 对情绪任务应用于情感障碍的fNIRS研究进行了整理。

Tab.2 fNIRS studies on emotional disorders based on emotional tasks表2 基于情绪任务应用于情感障碍的fNIRS研究

2.1 面部情绪识别任务面部情绪识别任务通过识别面部表情来理解他人的情感表达，反映被试对情绪面孔的感知、注意和反应能力。行为和神经心理学研究表明，情感障碍患者在情绪面部处理方面存在识别障碍和标记错误[11-14]。目前较为一致的结果认为，与健康被试相比，抑郁障碍患者在识别面部情绪时，反应时间较长且准确性普遍较差，相比中性情绪面孔，抑郁障碍患者在识别负性情绪面孔时正确率更高，反映出患者对负性刺激的注意偏向以及对中性表情的识别能力受损[15-18]。

对面部情绪识别任务期间的大脑皮质血流量进行fNIRS 检测，可得到相应的血红蛋白水平变化。在诊断方面，ZHANG 等[15]纳入35 例重性抑郁障碍（major depressive disorder，MDD）患者和39 名健康对照，MANELIS 等[16]选择51 例抑郁患者和36 名健康对照，都以中性面孔刺激为基线，检测快乐面孔和恐惧面孔刺激条件下氧合血红蛋白（oxyhemoglobin，oxy-Hb）浓度的变化和前额叶皮质（prefrontal cortex，PFC）的激活情况，结果发现抑郁障碍患者在区分中性和其他面部表情的障碍与情绪加工时背外侧前额叶皮质（dorsolateral prefrontal cortex，DLPFC）激活异常减少有关。在抑郁程度的识别中，有研究选取27 例抑郁患者和24名正常对照探讨抑郁障碍面部情绪识别任务期间前额叶皮质的血流动力学变化，结果指出MDD 患者在面部情绪识别过程中左侧PFC 的活性以及双侧oxy-Hb 之间的平均交叉小波系数和平均小波相干系数均显著低于HC 组[17]。这些研究的结果提示MDD 患者左侧PFC 激活异常，双侧PFC 之间存在功能连接障碍，前额叶皮质的血流动力学变化可能是抑郁障碍诊断性生物标志物研究的进一步方向。

另外，在治疗机制研究和效果评估领域，SEGAR 等[19]使用药物干预，纳入14 例首次躁狂发作（first episode mania，FEM）缓解期患者（BD 组）、14 例BD 患者的健康同胞（HR组）和13 名健康被试（HC 组）发现，与HC 组和BD 组相比，HR组在观察情绪面孔时表现出更高程度地DLPFC激活，而BD 组却没有表现出过度激活。前者的过度激活可能提示在面部情绪识别任务中，使用fNIRS观察到的前额叶激活模式可作为BD 的一个风险标志，但需要在更大样本中进一步研究和评估。后者BD 组结果的可能原因是此项研究中BD组由疾病前期、缓解期以及接受药物治疗的患者组成，导致了相对于HR 组的激活正常化。综上，患者在任务期间PFC表现出异常的大脑功能损伤，面部情绪识别任务可用于探究情感障碍的情绪处理过程。除此之外，情绪任务配合药物治疗可能更能体现药物对大脑激活模式的影响[20-22]。在药物治疗过程中使用fNIRS 检测血氧信号变化或许可以优化患者的临床治疗方案。

2.2 情绪stroop 任务stroop 效应的原理主要涉及大脑对各种信息的整合和处理，当大脑接收到两种相互冲突的信息时，处理过程受到干扰，导致反应时和错误率增加。情绪stroop 任务是经典stroop 效应的变式，反映了刺激中的情绪信息对非情绪信息的影响[23]，在研究情绪障碍患者认知功能和注意偏向中应用较为广泛，是目前stroop任务研究的重要领域。

在情感障碍的诊断中，MATSUBARA 等[24]研究指出情感障碍患者在情绪stroop 任务中的反应时和正确率比健康对照差，但MDD 与BD 患者在正确率上没有显著差异。NISHIZAWA 等[25]纳入14例MDD患者和20名正常被试进行情绪单词的stroop研究，结果显示在负性词条件下，与HC组相比，MDD 患者左侧额叶区域的oxy-Hb 显著增加，而在正性刺激下两组的oxy-Hb 浓度没有显著差异，左上额叶皮质相关的诱发波与抑郁的严重程度呈负相关。该结果提示左上额叶皮质可能是反映抑郁症状严重程度的一个潜在位置。此外，另一项色词测验对比了16 例具有双相障碍风险者（at risk for bipolar disorder，BIP）与46 名健康被试的额叶脑活动，发现BIP 组左侧DLPFC 的活性较低，额颞叶（frontotemporal，FTL）中的oxy-Hb 水平也显著降低[26]。一些结果共同表明情感障碍患者在执行情绪任务时会出现前额叶皮质激活减少[16-17,26-28]。但这与部分神经影像学研究结果有些矛盾。例如，有研究发现BD 和MDD 患者在消极任务下表现出左侧额中区、额下区的激活增加[24]。这种不一致的原因可能是任务范式（如使用观看任务、面孔匹配或性别判断任务等）存在差异。此外，近年meta分析显示不同刺激材料影响自上而下的情绪调控，负性单词可能对额叶的激活更活跃，负性图片则可能更易激活杏仁核[29]。

在鉴别抑郁障碍患者和健康对照的研究中，MATSUBARA等[30]选取18 例BD 患者和27 例MDD 患者，评估患者在认知和情绪任务中大脑活动的变化。发现在认知任务期间患者的大脑活动较少，而在情绪任务期间，与HC相比，情感障碍患者的额颞叶激活更为明显，在区分患者和健康对照的ROC 分析中发现，认知任务和快乐词任务中的额极激活与MDD 显著相关。这些发现表明，在认知任务和快乐词任务中比较大脑激活的差异或许可以帮助区分抑郁障碍患者和HC。在部分基于情绪色词stroop 测验所得出的结果中，刺激材料不同是否会影响不同区域的激活，双任务能否作为鉴别抑郁障碍和健康对照的有效手段，未来仍需要进一步的大样本研究来验证。

2.3 情绪诱导任务情绪诱导任务是通过给被试呈现情绪材料来引起被试处于一种较长时间的情绪状态，从而影响之后的认知活动/任务反应的范式（如图像回忆任务、情感图片任务、图片描述任务以及情绪自传性记忆任务等），具有强烈的自我参照性。

在情感障碍的特征识别方面，YANG 等[31]评估50 例MDD 患者在4 项组合任务中的脑血流动力学特征，其中包括情感图片任务（emotional picture tasks，EPT）和负面情绪图片描述任务（negative emotional picture description task，NEPDT）。结果发现，MDD 患者和对照组表现出完全相反的左右额叶不对称特征，组合任务下患者和对照之间的差异比单个任务下更为显著。在单个任务中，NEPDT 期间，MDD 患者血流动力学变化差异更大，敏感性更高。而在EPT期间，MDD与HC无显著差异。同时该研究还比较了两组被试在不同任务下双侧额叶oxy-Hb 浓度的箱线图，发现在NEPDT 中的额叶不对称差异最大。这可能提示该任务更适合作为对双侧额叶进行不同程度激活的诱发任务。此外，针对46例BD患者和45名HC进行的研究表明，与HC相比，在观看令人愉快的图片时，BD 患者双侧DLPFC 的血流动力学变化较少，而在观看不愉快的图片时，BD 患者左侧腹外侧前额皮质（ventrolateral prefrontal cortex，VLPFC）的血流动力学变化较为强烈[32]。这一结果与MATSUBARA 等[24]利用情绪stroop范式研究的结果相一致，这表明情绪刺激的神经反应可能是BD 患者情绪处理改变的一个特征标记，与采用特定的情绪任务无关。

另外，在对比情感障碍症状对大脑激活差异的研究中也有一些发现。ZHENG 等[33]使用情绪自传记忆任务，研究17 例有自杀意念和34 例无自杀意念抑郁障碍患者的额叶激活差异，在负面情绪下，无自杀意念抑郁组左侧DLPFC的激活率高于HC组。而在积极情绪下，有自杀意念抑郁组患者右侧DLPFC 的激活率低于HC 组。这表明有自杀意念抑郁障碍患者的右侧DLPFC 在情绪处理上存在一定缺陷，而无自杀意念的抑郁患者可能在左侧DLPFC中存在资源补偿机制，DLPFC 异常可能局限于左半球。不仅如此，该研究与ZHANG 等[34]使用相同任务探索128 例焦虑和92 例抑郁大学生双侧DLPFC异常激活的神经活动特征结果一致。尽管这两项研究与部分在抑郁障碍患者中发现左侧DLPFC低激活的结果相悖，与一部分使用言语流畅性任务或心算任务的fNIRS研究结果也相反，但这些文献在关于抑郁障碍患者的选择性注意力、执行功能和情绪处理等领域表现出认知功能缺陷的结果都一致。情绪诱导任务不仅可以探索患者的神经活动，而且在改善患者症状和认知功能方面也有实际作用。KONDO 等[35]对25例MDD患者和25名与之匹配的健康对照进行研究得出，在不愉快的图像回忆任务中，MDD患者汉密尔顿量表总分与左额叶区oxy-Hb浓度波动之间呈显著负相关，这一结果指出抑郁障碍患者的额叶功能损伤可能与状态依赖的标志物有关，通过fNIRS测量的图像回忆任务可能是理解MDD患者额叶功能下降的一个有效方法。综上，通过fNIRS 对患者的额叶功能障碍进行探测，可能为认知、情绪和自杀意念的临床评估提供潜在的生物标志物线索。在任务设计和组合使用上，要注意不同任务的使用条件，对任务进行详细的分析和比较，利用氧合血红蛋白积分值来说明不同任务期间MDD的血流动力学变化。未来研究可加入随时间推移的脑疲劳模式及其对血流动力学分析的影响。此外，抑郁障碍患者的症状表现也许会影响DLPFC的处理，这对未来抑郁障碍的诊断和分类具有参考价值。

3 总结与展望

综上所述，fNIRS 作为一种新兴的神经影像学工具，为探索情感障碍的认知功能和情绪处理方面提供了客观的量化指标和技术支持。各项情绪任务共同表明，通过fNIRS观察到的左侧前额叶和双侧前额叶皮质之间的血流动力学变化可以作为评估情感障碍患者认知、情绪功能的有效工具，情绪任务与fNIRS 信号检测相结合或许可以进一步揭示情感障碍患者不同的病理生理机制。

然而，fNIRS 在情感障碍领域的研究仍存在一些局限性，许多问题亟待解决。首先，在相关研究中，fNIRS技术由于对大脑的穿透力有限，无法检测皮质下参与情绪处理的杏仁核和前扣带回等深层区域。未来需要与其他神经影像学工具如fMRI 等相结合来弥补fNIRS 的不足，从不同维度探索患者脑功能改变。其次，fNIRS在情感障碍领域的研究还不成熟，部分研究存在样本量较小、药物具有潜在的混杂效应等问题，可能导致结果之间相互矛盾，降低了结果的普适性。未来应该在扩大样本量、完善变量数据、个体同质化等方面深入分析，进一步支持相关的研究结果。最后，在情感障碍患者的情绪性问题上，很难确定研究中观察到大脑的异常激活模式是否与其情绪状态或特征有关，且情绪任务中患者对刺激的感受也缺少客观的评判标准。未来研究可以将刺激材料的情绪效价纳入评估，采用临床干预的纵向队列研究，还可针对患者情绪状态变化如何影响面部表情的识别能力，以及这些变化如何影响PFC 的激活模式展开研究，以进一步阐明情绪处理过程中的神经机制。