Research progress on the application of functional near infraredspectroscopy in the diagnosis of various mental illnesses

Keywords" functional near infraredspectroscopy， fNIRS； psychiatric disorders； diagnosis； review

摘要" 對不同的精神疾病功能性紅外光學成像技術(shù)不同的激活方式和特征表現(xiàn)進行綜述，為多種精神疾病的診斷和鑒別診斷提供新的潛在生物學標志物。

關(guān)鍵詞" 功能性近紅外光學成像技術(shù)；精神疾??；診斷；綜述

doi：10.12102/j.issn.1009-6493.2024.23.026

目前，臨床精神障礙診斷主要是基于臨床現(xiàn)象學，尚未發(fā)現(xiàn)確切的生物診斷標志物[1?9]，因此探索可用于鑒別精神疾病生物標記物迫在眉睫。多項Meta分析結(jié)果同樣提示，不同精神障礙間存在共同的腦功能和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，包括高度相似的大腦結(jié)構(gòu)異常[10?17]以及任務態(tài)下相似的腦區(qū)激活等[18?21]。功能性近紅外光學成像技術(shù)（functional near infraredspectroscopy，fNIRS）通過觀察任務期間額葉、雙側(cè)顳葉的氧合血紅蛋白（oxygen?hemoglobin，oxy?Hb）以及脫氧血紅蛋白（deoxygen?hemoglobin，deoxy?Hb）含量的波動，揭示了大腦皮層的活躍性和代謝狀況。本綜述旨在探討不同精神障礙病人在功能性近紅外光學成像技術(shù)下的特征性表現(xiàn)。

1" 功能性近紅外光學成像技術(shù)概述

近年來，功能性近紅外光學成像技術(shù)是一種新興的神經(jīng)成像技術(shù)，利用650～950 nm近紅外光對大腦神經(jīng)生物組織有較好的穿透性，依據(jù)神經(jīng)血管耦合機制觀察組織生理活動。主要通過監(jiān)測大腦在認知活動過程中額葉、雙側(cè)顳葉的氧合血紅蛋白、脫氧血紅蛋白等相對濃度的變化，進一步反映額顳葉皮層活躍和代謝程度及血流動力學改變，是一種無創(chuàng)的腦功能成像技術(shù)[22?23]。許多研究人員通過結(jié)合不同的認知任務下功能性近紅外光學成像技術(shù)探究精神疾病病人的腦部神經(jīng)反應模式，尤其是以言語流暢性任務（verbal fluency test，VFT）為主要的認知任務范式。該任務要求參與者在限定的時間內(nèi)完成各種形式的詞語記憶任務，可被劃分為詞義流暢任務和音韻流暢任務[24]。研究已證實，在實施中文版言語流暢性任務過程中，額葉積分值及顳葉重心值對于區(qū)分不同類型的精神疾病病人和健康對照有著極高的敏感性和特異性[25]。2019年，歐美精神病學中認知功能篩查和評估的專家共識[26]指出，功能性近紅外光學成像技術(shù)血流動力學指標有成為精神病學領(lǐng)域生物標志物的潛力，幫助指導臨床治療。因其具有很好的時間分辨率、可監(jiān)測個體的運動、操作簡便、費用比功能性磁共振成像低、適用范圍廣泛、體積相對較小等優(yōu)勢。目前功能性近紅外光學成像技術(shù)在精神科臨床診療中被廣泛使用。

2" 不同精神疾病病人功能性近紅外光學成像技術(shù)腦血流動力學各指標特征

2.1 精神分裂癥

精神分裂癥是一種常見的慢性高發(fā)病率和高致殘率精神障礙，臨床癥狀包括陽性癥狀、陰性癥狀和認知功能損害，多涉及知覺、思維、情感和行為等方面，并伴有社會功能受損，給個人、家庭和社會均帶來了巨大負擔[27]。研究表明，精神分裂癥病人在前額葉區(qū)域的活動明顯減少，如Hirata等[28]觀察到精神分裂癥病人相對于正常人的額極大腦活動減少；Reif等[29]發(fā)現(xiàn)精神分裂癥病人與健康人相比，背外側(cè)前額葉、雙側(cè)顳葉的氧合血紅蛋白濃度降低，即該區(qū)皮層激活顯著降低。同樣，精神分裂癥病人在倫敦塔任務（London tower task）[30]、面部情緒識別任務（facial emotion recognition task）[31]和持續(xù)注意任務（continuous attention task）[32]等多種認知任務中的表現(xiàn)也有類似的變化，即大腦前額葉活動減弱。除了前額葉之外，精神分裂癥病人還有顳葉血流動力學異常現(xiàn)象。研究結(jié)果顯示，精神分裂癥病人在言語流暢性任務中額顳葉區(qū)域的皮質(zhì)活動減退，且病人背外側(cè)前額葉皮層的激活水平隨病情的發(fā)展逐漸加劇[33?34]。精神分裂癥病人不僅存在額顳葉激活水平降低，在任務期開始和結(jié)束后階段，腦區(qū)激活時間和方式也存在異常改變。根據(jù)Takizawa等[35?36]研究結(jié)果顯示，健康的被試者在任務初期會快速提高雙側(cè)顳葉的氧合血紅蛋白含量，并在整個任務過程中維持激活水平，而在任務完成后，則逐步回落至基線；然而，精神分裂癥病人的雙側(cè)顳葉的氧合血紅蛋白含量在任務過程中上升緩慢，一旦任務結(jié)束立即下降，繼而再次出現(xiàn)上升趨勢。該結(jié)果提示，精神分裂癥病人在任務期間和任務結(jié)束后階段，雙側(cè)顳葉的氧合血紅蛋白存在特征性變化過程，亦可證明功能性近紅外光學成像技術(shù)有較高的時間分辨率，可準確記錄病人在整個檢查過程中的腦血流變化情況。

以上研究結(jié)果均表明，通過功能性近紅外光學成像技術(shù)可檢測到精神分裂癥病人存在異常的血流動力學變化，是一種潛在的臨床癥狀評估、早期識別病人的生物學標志。

2.2 重性抑郁障礙

重性抑郁障礙癥狀包括核心癥狀群、軀體癥狀群和心理癥狀群，其中，顯著持久的心境低落為典型核心臨床癥狀之一[37?39]。每例病人的臨床癥狀表現(xiàn)和病情的復雜程度可有較大區(qū)別，為臨床治療提出了更高的要求[37?40]。根據(jù)世界衛(wèi)生組織預測，到2030年，抑郁癥將超過缺血性心肌病，躍居成為全球患病率最高的疾病，已成為精神障礙所致疾病負擔的首要原因，是全球重大公共衛(wèi)生問題[41]。在抑郁障礙病人完善功能性近紅外光學成像技術(shù)檢查時發(fā)現(xiàn)，檢測部位腦區(qū)，即額葉、雙側(cè)顳葉腦區(qū)均存在血流動力學異常表現(xiàn)，如存在情緒低落等核心癥狀的抑郁障礙病人較其他病人左側(cè)前額葉的激活水平顯著降低[39]。Ohta等[42]研究發(fā)現(xiàn)，通過監(jiān)測重性抑郁障礙病人在執(zhí)行言語流暢性任務期間血紅蛋白含量發(fā)現(xiàn)，額葉區(qū)域的雙側(cè)顳葉的氧合血紅蛋白增加減弱。Satomura等[43]研究發(fā)現(xiàn)，重性抑郁障礙病人雙側(cè)額顳區(qū)的激活程度也顯著下降。Nishida等[44]研究發(fā)現(xiàn)，抑郁障礙病人右側(cè)顳葉、雙側(cè)顳葉的氧合血紅蛋白濃度與抑郁癥狀嚴重程度呈正相關(guān)。不同臨床表現(xiàn)的病人在功能性近紅外光學成像技術(shù)監(jiān)測下可有不同的血流動力學表現(xiàn)，這為進一步精準治療奠定了基礎(chǔ)。抑郁障礙病人常有入睡困難等睡眠障礙，是重要的臨床癥狀之一[45]。Nishida等[44]研究結(jié)果還顯示，在執(zhí)行言語流暢性任務時，伴有睡眠障礙的重性抑郁障礙病人額顳葉腦區(qū)的平均氧合血紅蛋白水平的變化較健康對照組相比顯著降低，這進一步證實了該病癥中存在著大腦額顳葉功能異常，可能與其嚴重的失眠癥狀相關(guān)。自殺意念是抑郁障礙的常見癥狀。有研究表明，與健康對照組相比，伴有自殺意念的重性抑郁障礙病人在執(zhí)行言語流暢性任務期間左側(cè)前額葉、雙側(cè)顳葉的氧合血紅蛋白的變化相對減少[46]，即前額葉的激活程度與病人的自殺意念存在一定的相關(guān)性。功能性近紅外光學成像技術(shù)在執(zhí)行任務期間，血紅蛋白下降可被視為抑郁障礙潛在的生物學指標[47]。重性抑郁障礙病人額顳葉異常的血流動力學特征，可作為輔助診斷抑郁癥的指標之一[48]。

2.3 雙相情感障礙

雙相情感障礙屬于心境情感障礙，在病程發(fā)展過程中可有抑郁發(fā)作和躁狂發(fā)作的反復不規(guī)則呈現(xiàn)，是一類既有躁狂發(fā)作，又有抑郁發(fā)作的常見精神障礙[49]。這種疾病的特征在于其復雜的臨床表現(xiàn)，同時，可有注意力分散等認知損害癥狀[50]。在臨床病史采集及診斷過程中，雙相情感障礙病人的抑郁發(fā)作與抑郁障礙病人的抑郁癥狀相像，有時難以區(qū)分[51]，而功能性近紅外光學成像技術(shù)在區(qū)分2種疾病病人中有著不俗的表現(xiàn)。Takizawa等[52]研究結(jié)果顯示，通過使用功能性近紅外光學成像技術(shù)對673例患有精神疾病的個體進行了大腦功能狀況的評估，在研究中運用了額葉和兩側(cè)顳葉的血流動力學特性構(gòu)建時間空間特性模型，并從中提取出積分值、重心值等參數(shù)，借此以有效地識別重性抑郁障礙及雙相情感障礙病人。Tsujii等[53]發(fā)現(xiàn)，左額極皮層在雙相情感障礙和重性抑郁障礙病人中可有不同的表現(xiàn)，是可用于區(qū)分這2種疾病的重要腦區(qū)。Zhu等[51]研究發(fā)現(xiàn)，雙相情感障礙病人在左額極皮層雙側(cè)顳葉的氧合血紅蛋白減少較重性抑郁障礙病人少。Feng等[54]也有類似研究結(jié)果。上述研究均表明，雙相情感障礙和重性抑郁障礙病人在前額葉的激活、血流動力學都有不同表現(xiàn)，可成為鑒別2種疾病的重要方式[48]。

2.4 焦慮障礙

焦慮障礙主要表現(xiàn)為持續(xù)6個月以上的焦慮和擔心，是常見的精神疾病之一[55]。根據(jù)《精神障礙診斷與統(tǒng)計手冊（第5版）》，焦慮障礙包括廣泛性焦慮障礙（generalized anxiety disorder，GAD）、社交焦慮障礙（social anxiety disorder，SAD）、驚恐障礙（panic anxiety disorder，PD）等[56]。

2.4.1 廣泛性焦慮障礙

廣泛性焦慮障礙病人大多出現(xiàn)前額葉激活減弱。Fitzgerald等[57]發(fā)現(xiàn)，廣泛性焦慮障礙病人前額葉激活存在明顯不足，且焦慮癥狀的嚴重程度與該病人前額葉激活程度呈負相關(guān)，即焦慮癥狀程度越重，前額葉激活程度越低。

2.4.2 社交焦慮障礙

社交焦慮障礙病人在認知功能相關(guān)腦區(qū)激活程度較健康個體存在差異。Mizzi等[58]發(fā)現(xiàn)面對社交情境時，社交焦慮障礙病人在邊緣區(qū)域，如杏仁核、海馬體中表現(xiàn)過度活躍，而認知控制區(qū)域，如前扣帶回皮層、背外側(cè)前額葉皮層（DLPFC）則顯示激活不足。Yokoyama等[59]使用功能性近紅外光學成像技術(shù)比較社交焦慮障礙病人和健康個體在認知任務中前額葉皮質(zhì)激活的差異。

2.4.3 驚恐障礙

持續(xù)存在恐懼情緒的驚恐障礙病人前額葉皮層活性明顯下降。研究發(fā)現(xiàn)，伴有廣場恐怖的驚恐障礙病人與不伴有廣場恐怖的病人相比，前額葉皮層活性顯著低下，且前額葉皮層活性與杏仁核激活程度呈正相關(guān)，究其原因，杏仁核是與恐懼發(fā)生密切相關(guān)的腦區(qū)，前額葉皮層激活減弱，則大腦皮層對杏仁核的抑制作用不足，從而易于引發(fā)驚恐障礙[60]。Nishimura等[61]發(fā)現(xiàn)，在執(zhí)行認知任務期間，驚恐障礙病人驚恐發(fā)作頻率越高，前額葉皮層外側(cè)區(qū)域激活程度越低，由此可見，持續(xù)存在驚恐發(fā)作會使得驚恐障礙病人出現(xiàn)認知受損。

2.5 強迫障礙

強迫障礙是常見的精神疾病之一，其臨床特征是使病人不受控制地產(chǎn)生令人不安的想法和（或）進行重復性的行為[62]。強迫障礙的終身患病率為1%～3%[63]，給個人及社會帶來巨大的負擔和影響[64]。衛(wèi)生經(jīng)濟學調(diào)查顯示，我國每年因強迫障礙導致的直接和間接經(jīng)濟損失約370億元[13]。背外側(cè)前額葉和后部區(qū)域可能參與強迫障礙的病理生理學過程[65]。Hirosawa等[66]發(fā)現(xiàn)，與健康的對照組相比，患有強迫障礙的成年人血流動力學指標在前額葉，特別是在背外側(cè)前額葉皮層中有所減弱。Watanuki等[31]發(fā)現(xiàn)，強迫障礙病人在執(zhí)行各種任務范式，包括言語流暢性任務期間表現(xiàn)出低下的神經(jīng)認知功能并存在額葉腦激活水平的下降[67]。Feng等[54]發(fā)現(xiàn)，強迫障礙病人在執(zhí)行言語流暢性任務期間，額顳葉積分值及額葉斜率相比健康對照者顯著降低，提示強迫障礙病人額顳葉血流響應及激活降低，即存在功能下降。有研究探討了強迫障礙病人相比健康對照者的額顳葉相關(guān)腦區(qū)在任務下的激活延遲，發(fā)現(xiàn)強迫障礙病人的額顳葉腦區(qū)激活達峰時間明顯延遲[68]。

3" 存在的問題及展望

3.1 存在的問題

功能性近紅外光學成像技術(shù)也存在不足，如探測深度較淺，無法進一步檢測深部腦組織結(jié)構(gòu)血流動力學表現(xiàn)[69]；近紅外光線在探測過程中易受皮膚、顱骨影響，使得功能性近紅外光學成像技術(shù)的空間分辨率較低[25]。

3.2 展望

功能性近紅外光學成像技術(shù)具有舒適性高、便攜、實時性、非侵入性等優(yōu)勢，對不同精神障礙有各自特征性表現(xiàn)，雖仍存在部分不足，但可與顱腦磁共振或腦電圖等檢查共同完善，取長補短，在精神疾病的診斷和鑒別診斷等領(lǐng)域仍具有顯著的優(yōu)勢。

4" 小結(jié)

功能性近紅外光學成像技術(shù)是一項非侵入性技術(shù)，動態(tài)監(jiān)測病人額葉、雙側(cè)顳葉因神經(jīng)活動引起的血流動力學改變。在功能性近紅外光學成像技術(shù)監(jiān)測下完成認知任務時，不同的精神障礙病人有不同的血流動力學改變的特征表現(xiàn)，這些特征可作為區(qū)分不同種類精神疾病的潛在精神病學生物標志物[26]，用于早期精神障礙的識別，鑒別不同的精神障礙，指導精神疾病的診治，為精準醫(yī)學提供依據(jù)，具有廣闊的前景。

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