通過(guò)fNIRS信號(hào)復(fù)雜度分析研究阿爾茨海默病記憶缺陷

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 研究背景

工作記憶缺陷是阿爾茨海默病 (AD) 的標(biāo)志。自由和提示選擇性提醒測(cè)試 (free and cued selective reminding test, FCSRT) 是一項(xiàng)臨床測(cè)試，可量化 AD 診斷的記憶缺陷。通過(guò)神經(jīng)影像學(xué)可以提高 FCSRT 的診斷準(zhǔn)確性。由于測(cè)試需要醫(yī)患互動(dòng)，因此腦部監(jiān)測(cè)具有挑戰(zhàn)性。由于 fNIRS 的靈活性，功能性近紅外光譜 (fNIRS) 可能適合這一目的。本實(shí)驗(yàn)研究了基于樣本熵和多尺度熵指標(biāo)的 FCSRT 期間 fNIRS 信號(hào)的復(fù)雜性是否與 AD 早期的記憶缺陷相關(guān)。

02

研究方法

2.1、實(shí)驗(yàn)被試

研究共有22名有效被試，其中AD患者11人（女性4人，平均年齡72.2歲），健康對(duì)照組 11人（女性3人，平均年齡67.5歲）。

2.2、實(shí)驗(yàn)材料

視覺(jué)刺激包含圖片刺激。

2.3、實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)任務(wù)由記憶階段開(kāi)始：主試者將呈現(xiàn) 12 個(gè)選定的刺激圖形，在一張紙上一次顯示 4 個(gè)，每個(gè)象限 1 個(gè)圖形；在主試者口頭披露每個(gè)插圖的語(yǔ)義線索后，受試者需要指出并大聲提及每個(gè)插圖。接下去，受試者被要求在2分鐘內(nèi)自由回憶物品（IFR）；主試者提醒受試者任何未提及的項(xiàng)目的語(yǔ)義線索 (ICR)。30 分鐘后，受試者必須執(zhí)行非語(yǔ)言任務(wù)，再次進(jìn)行相同的回憶程序[延遲自由回憶/延遲線索回憶（DFR / DCR）]。非語(yǔ)言測(cè)試是：時(shí)鐘繪制測(cè)試 (CDT)、數(shù)位跨度測(cè)試 (DST)、Corsi跨度測(cè)試 (CST)、試次制作測(cè)試 (TMT)（版本 A 和 B）、和 Benton 測(cè)試 (BT)。

圖1. 實(shí)驗(yàn)任務(wù)流程。

2.4、數(shù)據(jù)采集與分析

實(shí)驗(yàn)采用商業(yè)頻域近紅外光譜儀（Imagent，ISS Inc.，Champaign，Illinois）。該儀器由 32 個(gè)激光二極管光源、16 個(gè)發(fā)射 690 nm 的光和 16 個(gè) 830 nm 的光以及 4 個(gè)光電倍增管 (PMT) 組成。光調(diào)制頻率為 110 MHz，而 PMT 調(diào)制頻率為 110.005 MHz。在測(cè)試期間對(duì)源采用了時(shí)間復(fù)用（開(kāi)關(guān)模式：16；采樣頻率：10 Hz）。探測(cè)器和源的分布見(jiàn)圖1。

圖1. 探測(cè)器和源的分布與命名。

采集后，檢查信號(hào)的質(zhì)量以丟棄具有低信噪比的信道。通過(guò)目測(cè)檢查信號(hào)并評(píng)估 HbO 和 Hbb 之間的相關(guān)性；如果是正數(shù)，則通道將被丟棄。由于放置在前額上，所有通道都顯示出良好的頭皮耦合，因此所有參與者都沒(méi)有丟棄任何通道。預(yù)處理使用了 Homer2 NIRS 處理包。強(qiáng)度信號(hào)被轉(zhuǎn)換成光密度（optical density, OD）。運(yùn)動(dòng)偽影被識(shí)別為 1 秒內(nèi)信號(hào)變化 > 標(biāo)準(zhǔn)偏差 (SD) 的 10%。這些偽影使用基于小波的校正算法進(jìn)行校正。信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波（三階巴特沃斯濾波器，截止頻率：0.01 至 0.4 Hz）以減少系統(tǒng)噪聲，例如心臟和呼吸頻率。然后，OD 信號(hào)通過(guò)修正的 Beer-Lambert 定律（差分光程因子 = 6）轉(zhuǎn)換為 HbO 和 Hbb 信號(hào)。

03

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

樣本熵 (SampEn)和多尺度熵 (MSE)作為復(fù)雜性的度量。在RP和IFR期間，MSE在AD和健康對(duì)照組間沒(méi)有差別。在DFR時(shí)，AD組比健康對(duì)照組在channel15和channel18顯示出更高的MSE（圖2）。這兩個(gè)位置分別位于布羅德曼區(qū)9和46（圖3）。

圖2. MSE在channel15和channel18的兩組比較。

圖3. 顯示顯著差別的兩個(gè)channel在大腦皮層的位置。

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實(shí)驗(yàn)結(jié)論

AD 患者在 BAs 9 和 46 的 DFR 階段表現(xiàn)出比健康對(duì)照更高的熵值。這些結(jié)果與 AD 可能以復(fù)雜功能網(wǎng)絡(luò)失調(diào)為特征的假設(shè)一致，并支持復(fù)雜性隨年齡變化的假設(shè)或生物系統(tǒng)疾病。

Perpetuini, D., Bucco, R., Zito, M. and Merla, A., 2017. Study of memory deficit in Alzheimer’s disease by means of complexity analysis of fNIRS signal. Neurophotonics, 5(1), pp.011010-1-8.

DOI: 10.1117/1.NPh.5.1.011010