一种可穿戴脑成像设备可评估婴儿脑功能

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婴儿期是大脑快速发育的时期。高密度弥漫性光学断层扫描（HD-DOT）作为一种光学神经成像方法，可用于皮质血红蛋白（大脑功能性激活的标志物）浓度变化成像。近年来，用于 HD-DOT 的可穿戴硬件取得了巨大进步，但以前的头戴设备只能对皮层的特定区域进行采样。

伦敦大学学院（UCL）和伯贝克大学（Birkbeck）的研究人员领导的一项最新研究开发了一种使用无害光波来测量婴儿大脑活动的新技术，它能够提供迄今为止最完整的大脑功能图片，如听力、视觉及认知，这些大脑功能是传统的且有限制性的大脑扫描仪无法完成的。

与UCL衍生公司Gowerlabs合作开发的可穿戴脑成像头戴式设备在婴儿的前额叶皮层中发现了令人兴奋的活动，前额叶皮层是大脑中处理情绪的区域，以响应社交刺激，这似乎证实了婴儿早在五个月大时就开始处理发生在他们身上的事情。

该研究发表在Imaging Neuroscience，题为Whole-head high-density diffuse optical tomography to map infant audio-visual responses to social and non-social stimuli .

这项新技术可以测量婴儿大脑整个外表面的神经活动。而由同一团队开发的早期版本一次只能测量婴儿大脑一两个部分的活动。

这项工作中实现了有史以来第一次婴儿全头 HD-DOT 测量，以绘制 5 至 7 个月大队列中大脑激活的跨皮层测量。同时应用了一种视听范式，类似于对不同年龄段婴儿的 fNIRS 研究中使用的范式，对社会和非社会刺激的反应。该研究进一步调查了除使用 fNIRS 进行研究中通常采样的大脑区域之外的大脑区域的活动，为更全面的社交中大脑发育的评估提供了新证据。

来自UCL医学物理与生物医学工程和剑桥大学的研究的第一作者Liam Collins-Jones博士说：“以前我们开发了一种可穿戴的成像方法，可以绘制大脑特定区域的活动图。但这使得很难获得完整的画面，因为我们只能简单地研究一两个区域，而实际上，大脑的不同部分在观察现实世界的场景时会协同工作。”

“新方法使我们能够观察头皮下方的整个外脑表面发生的事情，这是向前迈出的一大步。它为发现不同区域之间的相互作用和检测我们以前可能不知道查看的区域的活动提供了可能性。

“这种更完整的大脑活动图景可以增强我们对婴儿大脑在与周围世界互动时如何运作的理解，这可以帮助我们优化对生命早期神经多样性儿童的支持。”

该研究的作者、伦敦大学伯贝克分校的教授Emily J.H. Jones说：“这是第一次使用可穿戴设备测量婴儿大脑如此广泛区域的活动差异，包括大脑中参与处理声音、视觉和情绪的部分。这项研究中开发和测试的技术是更好地了解社会发展基础的大脑过程的基石，我们以前无法在 MRI 扫描仪非常严格的范围之外观察到这些过程。现在我们有了这个，能够看到婴儿在玩耍、学习和以非常自然的方式与他人互动时大脑中发生的事情。”

（a） 7 个月大婴儿头部的 33 个底座全头 HD-DOT 帽。（b）模型上婴儿全头帽的正面、上部、侧面和后视图。（c） 40 mm 及以下源-检测器分离的通道图。（d）婴儿头部的前部真深度扫描，测量帽上某个点（位于中线上）相对于鼻腔的位置。（e）四面体体积网格的轴向切片，显示白质（WM）、灰质（GM）、脑脊液（CSF）和脑外组织（ECT）的空间分布。（f） LUMO Tile，由 4 个光电二极管探测器和 3 个双波长光源组成。每个图块内的源-探测器距离为 10 毫米和 20 毫米。（g）示例个体的源和探测器位置记录到婴儿头皮表面。

新设备在 16 名 5 至 7 个月大的婴儿身上进行了测试。佩戴该设备后，婴儿坐在父母的腿上，观看演员唱童谣以模仿社交场景的视频，以及移动玩具（如球从坡道上滚下）的视频，以模拟非社交场景。

研究人员观察到两种情况之间大脑活动的差异。除了在前额叶皮层中观察到的对社交刺激的意外发现外，研究人员还发现，与非社交刺激相比，活动对社交刺激的反应更加局部化，验证了先前光学神经影像学和 MRI 研究的发现。

目前，了解人脑中发生的事情的最全面方法是使用磁共振成像（MRI），它涉及受试者在扫描仪中静止不动地躺下可能 30 分钟或更长时间。

这种方法的缺点是很难模拟自然场景，例如与他人互动或执行任务，尤其是需要睡眠或约束才能使 MRI 成功成像其大脑活动的婴儿。

为了帮助克服这个问题，近年来，这个研究团队使用了一种称为高密度弥漫性光学断层扫描（HD-DOT）的光学神经成像形式，以开发能够更自然地研究大脑活动的可穿戴设备。该技术还有一个好处，即比 MRI 更便宜、更便携。

研究中使用的设备改编自 Gowerlabs 开发的商业系统，它是 UCL 的衍生公司，由 UCL 生物医学光学研究实验室的研究人员于 2013 年创立。

来自UCL医学物理与生物医学工程研究的资深作者Rob Cooper博士说：“这个设备是学术研究和商业技术发展携手合作的一个很好的例子。UCL 和 Gowerlabs 以及我们的学术合作伙伴之间的长期合作一直是可穿戴 HD-DOT 技术发展的基础。”

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Liam H. Collins-Jones, Louisa K. Gossé, Borja Blanco, Chiara Bulgarelli, Maheen Siddiqui, Ernesto E. Vidal-Rosas, Nida Duobaitė, Reuben W. Nixon-Hill, Greg Smith, James Skipper, Tim Sargent, Samuel Powell, Nicholas L. Everdell, Emily J.H. Jones, Robert J. Cooper. Whole-head high-density diffuse optical tomography to map infant audio-visual responses to social and non-social stimuli. Imaging Neuroscience, 2024; 2: 1 DOI: 10.1162/imag_a_00244

*作者水平有限，中文报道文章仅供参考，一切内容以英文原文为准。如涉及版权问题，请联系我们删除。

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作者 | 罗虎

参考 | Imaging Neuroscience，Science Daily

审核 | 医工学人理事会

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