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發(fā)展性fNIRS超掃描數(shù)據(jù)流程優(yōu)化應(yīng)用:4-6 歲兒童與母親協(xié)作神經(jīng)連貫性

瀏覽次數(shù):38 發(fā)布日期:2025-7-14  來(lái)源:本站 僅供參考,謝絕轉(zhuǎn)載,否則責(zé)任自負(fù)
發(fā)展性fNIRS超掃描數(shù)據(jù)的分析流程優(yōu)化:4 至 6 歲兒童與其母親協(xié)作時(shí)的神經(jīng)連貫性

背景介紹
兒童的大部分學(xué)習(xí)發(fā)生在與父母、兄弟姐妹和同齡人的互動(dòng)中。少數(shù)發(fā)展研究發(fā)現(xiàn),兒童與他人的互動(dòng)中會(huì)引發(fā)神經(jīng)同步現(xiàn)象(兩個(gè)或多個(gè)人之間神經(jīng)活動(dòng)的時(shí)間對(duì)齊)可以作為揭示親子協(xié)作機(jī)制的核心切入點(diǎn)。當(dāng) 4-6 歲兒童與照料者互動(dòng)時(shí),大腦特定區(qū)域的活動(dòng)會(huì)呈現(xiàn)“同步化”特征,但這類(lèi)發(fā)現(xiàn)面臨兩大方法學(xué)挑戰(zhàn):
 
生理噪聲干擾:頭皮血流、心率等非腦信號(hào)容易被誤判為神經(jīng)同步,導(dǎo)致結(jié)果偏差;
機(jī)制模糊性:互動(dòng)中的同步性究竟源于任務(wù)共享,還是真實(shí)的社交動(dòng)態(tài)耦合?
 
 圖1. 文章信息
 
倫敦大學(xué)學(xué)院團(tuán)隊(duì)在《Imaging Neuroscience》雜志發(fā)表了題為 “Analytical pipeline optimisation in developmental fNIRS hyperscanning data: Neural coherence between 4- to 6-year-old children collaborating with their mothers” 的文章,通過(guò)系統(tǒng)性?xún)?yōu)化 fNIRS 分析流程,在自然協(xié)作場(chǎng)景中,分離出由社交互動(dòng)驅(qū)動(dòng)的神經(jīng)同步信號(hào),為兒童 “社會(huì)腦”發(fā)育研究建立了方法學(xué)范式。
 
研究方法
被試
47 對(duì)母子(兒童年齡 4.01-6.90 歲,平均 5.11±0.83 歲,21 名女童),均為足月出生的典型發(fā)育兒童。
排除標(biāo)準(zhǔn):父親參與(n=1)、拒絕佩戴 fNIRS 帽(n=5)、技術(shù)誤差(n=5)、數(shù)據(jù)質(zhì)量不達(dá)標(biāo)(n=2)。
來(lái)實(shí)驗(yàn)室之前,母親需提前通過(guò)線(xiàn)上填寫(xiě)知情同意書(shū)及父母壓力量表(PSS),評(píng)估自身壓力水平。
 
實(shí)驗(yàn)任務(wù)
七巧板拼圖任務(wù):模仿真實(shí)生活中的協(xié)作情境,要求母子合作完成拼圖。采用三條件隨機(jī)交叉設(shè)計(jì),每次持續(xù)120秒,任務(wù)間有80秒休息階段(觀(guān)看風(fēng)景視頻或閉眼休息)(圖2)。
完全合作:母子面對(duì)面共同完成,允許語(yǔ)言、表情、動(dòng)作的全通道互動(dòng);
半屏合作:用半簾遮擋面部,無(wú)法觀(guān)察對(duì)方臉部但能看到對(duì)方手部動(dòng)作,驗(yàn)證面部線(xiàn)索對(duì)同步性的影響;
個(gè)體任務(wù):完全分隔母子,排除社交互動(dòng)因素。
研究人員通過(guò)回看視頻,人工統(tǒng)計(jì)出母子倆正確拼出的七巧板數(shù)量,再結(jié)合他們完成任務(wù)的快慢節(jié)奏,把這些行為數(shù)據(jù)和大腦信號(hào)變化對(duì)應(yīng)起來(lái),就能看出神經(jīng)同步程度和協(xié)作效率之間的關(guān)系。
 
 
圖 2. 實(shí)驗(yàn)任務(wù):完全合作(FC),半屏合作(CwS),個(gè)體任務(wù)(T)
 
fNIRS數(shù)據(jù)采集
使用雙臺(tái) Brite MKII 系統(tǒng)同步采集母子腦信號(hào),覆蓋前額葉(PFC)和顳頂聯(lián)合區(qū)(TPJ)。每頂帽含 16 個(gè)長(zhǎng)距通道(Long-Separation Channel, LSC), 兒童帽源 - 探測(cè)器間距 25mm,母親 30mm,用來(lái)探測(cè)皮層氧合血紅蛋白(HbO₂)和脫氧血紅蛋白(HbR)濃度變化;還包括 2 個(gè)短距通道(Short-Separation Channel, SSC),均為10mm,用來(lái)捕捉頭皮淺層血流用于生理噪聲校正(圖3)。
 
 
圖3. 光極和通道配置示意圖

fNIRS數(shù)據(jù)處理
數(shù)據(jù)預(yù)處理用 Homer2 工具包檢查原始信號(hào),剔除信噪比低的通道(如探測(cè)器故障、光接觸差或運(yùn)動(dòng)干擾大的通道)。強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)成光密度變化,再用小波法校正運(yùn)動(dòng)干擾(兒童參數(shù)設(shè)為 0.8,母親設(shè)為 1.5),最后用 0.01-0.5Hz 濾波器去噪。按年齡調(diào)整光程因子(DPF):兒童用 5.4 和 4.7,母親用 6 和 6,算出血紅蛋白濃度。
 
在進(jìn)一步分析前,先對(duì)目標(biāo) fNIRS 信號(hào)中的生理干擾進(jìn)行降噪處理。通過(guò)全局表面信號(hào)回歸(superficial signal regression,SSR)將短距通道的平均信號(hào)從每個(gè)長(zhǎng)距通道(LSC)信號(hào)中回歸出去,以減少腦外層生理噪聲,從而實(shí)現(xiàn)皮層組織血紅蛋白濃度變化的精確分析。
 
小波變換連貫性(Wavelet transform coherence analysis, WTC):聚焦 0.02-0.1Hz 頻段(對(duì)應(yīng)血流動(dòng)力學(xué)響應(yīng)),計(jì)算母子腦區(qū)信號(hào)的時(shí)頻同步性;對(duì)母親信號(hào)進(jìn)行 100 次相位打亂,生成無(wú)時(shí)間相關(guān)性的偽配對(duì)數(shù)據(jù),來(lái)驗(yàn)證同步性是否依賴(lài)實(shí)時(shí)互動(dòng)(也即真實(shí)配對(duì))(圖4)。WTC 分析流程和腳本已開(kāi)源(https://github.com/vmousley/pc_fNIRS_hyperscanning)。
 
 
圖4. 真實(shí)配對(duì)(A)與偽配對(duì)(B)的 WTC 分析流程

關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)結(jié)果
 1. SSR 顯著降低偽同步信號(hào)
完全合作場(chǎng)景中,表面信號(hào)回歸(SSR)處理后,前額葉(PFC)和顳頂聯(lián)合區(qū)(TPJ)的 HbO₂連貫性平均降低 15%,HbR 在合作條件下降低約 12%(圖5)。證實(shí)原始數(shù)據(jù)中約 12-18% 的同步性可能由頭皮血流等非腦信號(hào)驅(qū)動(dòng),SSR 是發(fā)育性 fNIRS 研究的必備步驟。
 
 
圖5. 表面信號(hào)回歸(SSR)處理對(duì)不同實(shí)驗(yàn)條件下神經(jīng)同步性的影響
 
2. 合作任務(wù)驅(qū)動(dòng)的腦區(qū)同步性
在完全合作和半屏合作條件下,前額葉 HbO₂連貫性顯著高于個(gè)體任務(wù)(圖6),該區(qū)域可能參與動(dòng)作協(xié)調(diào)、語(yǔ)言交流及社交意圖理解 。顳頂聯(lián)合區(qū)(TPJ)在真實(shí)配對(duì)中的 HbO₂/HbR 連貫性顯著高于偽配對(duì),尤其在完全合作場(chǎng)景中,提示該區(qū)域與實(shí)時(shí)互動(dòng)中的心理理論(如意圖推測(cè))相關(guān)。
 
 
圖6. 通道水平條件對(duì)比的顯著性示意圖
 
3. 面部信息對(duì)腦區(qū)同步的影響
完全合作與半屏合作條件下,前額葉和顳頂葉的 HbO₂/HbR 連貫性無(wú)顯著差異,表明這些腦區(qū)的同步性主要由手部協(xié)作、語(yǔ)言交流等非面部線(xiàn)索驅(qū)動(dòng)。
 
4. 神經(jīng)同步與行為變量的腦區(qū)關(guān)聯(lián)
前額葉 HbO₂連貫性與正確拼圖數(shù)量呈正相關(guān),提示該區(qū)域神經(jīng)耦合強(qiáng)度可預(yù)測(cè)協(xié)作效率 。母親壓力與前額葉 HbO₂連貫性負(fù)相關(guān),但與顳頂葉 HbR 連貫性正相關(guān),可能反映不同腦區(qū)對(duì)壓力的響應(yīng)差異。
 
5. 腦區(qū)同步的機(jī)制驗(yàn)證
前額葉和顳頂葉的真實(shí)配對(duì)連貫性顯著高于偽配對(duì),排除任務(wù)共性解釋?zhuān)_認(rèn)腦區(qū)同步由實(shí)時(shí)社交動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng) 。按腦區(qū)聚合數(shù)據(jù)后,顳葉區(qū)域在合作條件下的同步性差異最顯著,可能與聽(tīng)覺(jué) - 運(yùn)動(dòng)整合相關(guān) 。

結(jié)論
該研究證實(shí),4-6 歲兒童與母親在協(xié)作任務(wù)中的神經(jīng)同步主要發(fā)生在前額葉皮層(尤其前額葉中回)和顳頂聯(lián)合區(qū),這些腦區(qū)通過(guò)處理社交認(rèn)知、動(dòng)作協(xié)調(diào)及語(yǔ)言互動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)同步性。生理噪聲對(duì)前額葉 HbO₂信號(hào)干擾最強(qiáng),需通過(guò) SSR 校正;母親壓力主要削弱前額葉同步性。研究結(jié)果為兒童社交腦發(fā)育提供了腦區(qū)特異性證據(jù),并強(qiáng)調(diào)前額葉 - 顳頂葉網(wǎng)絡(luò)在親子互動(dòng)中的核心作用。
 
原文鏈接
Victoria St. Clair, Letizia Contini, Rebecca Re, Paola Pinti, Denis Mareschal; Analytical pipeline optimisation in developmental fNIRS hyperscanning data: Neural coherence between 4- to 6-year old children collaborating with their mothers. Imaging Neuroscience 2025.
https://doi.org/10.1162/imag_a_00509

研究團(tuán)隊(duì)介紹
本文作者包括 Victoria St. Clair、Letizia Contini、Rebecca Re、Paola Pinti、Denis Mareschal,分別來(lái)自倫敦大學(xué)伯克貝克學(xué)院腦與認(rèn)知發(fā)展中心、米蘭理工大學(xué)物理系、意大利國(guó)家研究委員會(huì)光子學(xué)與納米技術(shù)研究所、倫敦大學(xué)學(xué)院醫(yī)學(xué)物理與生物醫(yī)學(xué)工程系等機(jī)構(gòu)。
 
關(guān)于維拓啟創(chuàng)
維拓啟創(chuàng)(北京)信息技術(shù)有限公司成立于2006年,是一家專(zhuān)注于腦科學(xué)、康復(fù)工程、人因工程、心理學(xué)、體育科學(xué)等領(lǐng)域的科研解決方案供應(yīng)商。公司與國(guó)內(nèi)外多所大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)長(zhǎng)期保持合作關(guān)系,致力于將優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品、先進(jìn)的技術(shù)和服務(wù)帶給各個(gè)領(lǐng)域的科研工作者,為用戶(hù)提供有競(jìng)爭(zhēng)力的方案和服務(wù),協(xié)助用戶(hù)的科研工作,持續(xù)提升使用體驗(yàn)。

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發(fā)布者:維拓啟創(chuàng)(北京)信息技術(shù)有限公司
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