近红外光对大脑血流动力学和代谢状态的无创性调控 方法研究

（原位链接：https://mp.weixin.qq.com/s/jciLc8PETSEUcutm4ufJvQ）     

       导语：大脑是人体能量代谢的主要场所之一。血管壁的内在收缩和放松，即 "血管运动"，对人脑的代谢和血液动力学的活动起重要作用。血管运动紊乱与动脉粥样硬化、阿尔茨海默氏病、帕金森氏病和中风等等神经系统疾病有关。近日，一组脑康复相关的研究人员针对改善大脑血流动力学和代谢状态，提出了一种近红外光的无创性调控方法。这项研究发表在《Neurophotonics》期刊上。

1、研究背景

       经颅光生物调控（tPBM）是一种非侵入性的神经调控方法，有利于改善人类的认知能力。然而，关于前额叶经颅光生物调控的波长和特定部位的影响，现阶段研究尚未有深入的分析。近日，美国德克萨斯大学阿灵顿分校的一组脑康复相关的研究人员针对改善大脑血流动力学和代谢状态，提出了一种全新的近红外光无创性调控方法，即双通道宽带近红外光谱法，可用于量化静止状态下体内神经生理网络的低速振荡情况（0.005至0.2Hz）。

深入了解大脑代谢中的血液动力学和代谢活动的机制，有助于推动神经调节在改善认知功能中的应用，是神经康复领域一个极具应用价值和应用前景的研究方向。

       经颅光生物调控这种新兴的光疗法，使用了低强度激光器或LED发出的近红外光来刺激大脑并增强其活动。作为一种有前途的方法，现阶段tPBM相关的研究主要用于各种神经系统疾病的康复。然而，该方向的研究仍然处于早期发展阶段，相关研究人员正在努力优化诸如光强度、波长和治疗时间等影响康复进程的因素，以达到最佳康复效果。

实验方法示意图

2、研究概述

       在这项研究中，共招募了26名健康的年轻受试者接受tPBM治疗，在此期间，受试者接受了五种不同的刺激条件。每位受试者在右额（R800、R850）和左额（L800）接受8分钟的800纳米和850纳米光线的治疗。此外，还在左右额头上接受了两次假的（安慰剂）干预，进行对照分析。在治疗过程中，受试者佩戴激光保护镜以保护眼睛。

数据处理流程图

       在8分钟的tPBM治疗前和治疗后，使用双通道宽带近红外光谱（2-bNIRS）检测探头于受试者额头的两侧。这种设置有助于根据大脑组织的吸收和散射特性，捕捉和测量康复效果以及刺激前后的大脑活动变化。随后，将测量的数据转换成信号，以表示不同脑区的血液动力学和代谢活动情况。

血管内解剖成分示意

       研究人员观察到，在tPBM治疗后，大脑在不同的内慢速振荡（ISO）波段，即血管中独立于心跳发生的节律性振荡的频率范围内，存在明显的反应差异。ISO波段的不同振荡分量为内源性（E）、肌源性（M）和神经源性（N）成分，这分别代表了血管的内部内皮层和外部平滑肌层，以及组织内的神经相关元素。

3、研究展望

       德克萨斯大学阿灵顿分校的Hanli Liu教授和她的同事致力于研究tPBM对大脑中涉及认知功能的前额叶皮层与血流有关的血液动力学和代谢活动的具体影响。他们最近发表在《Neurophotonics》上的研究表明，tPBM的确显著  改善了静止前额叶皮层的血液动力学和代谢活动，这项结论对于相关神经系统疾病康复的研究具有一定参考价值。

通常情况下，由于统一的心跳或心脏运动，大脑不同区域的血管运动是同步的，例如双侧额头。然而，该组研究人员通过实验发现，所有三种tPBM条件都会导致双侧N波段的新陈代谢和双侧M波段的血流动力学活动之间的同步性降低。此外，R800显著增加了E波段的双侧血流动力学和新陈代谢的连接或同步性。

       在检查前额叶皮层每侧的血流动力学和代谢活动之间的耦合时，可进一步发现，所有三种刺激条件只在tPBM一侧增加了E波段的血流动力学-代谢耦合，而另一侧无此效应。R800和L800也导致刺激侧的M波段血流动力学-代谢耦合效应的增强。

       总之，该项发现着重强调了前额叶皮层的血流动力学和代谢活动对tPBM的反应取决于光的波长以及刺激应用的部位。此外，血管中的内皮细胞和平滑肌细胞根据其血管运动节律特征在tPBM条件下的反应有所差异。

未来还需要进一步深入研究来支持tPBM在神经系统疾病康复方面的应用，然而，该项发现已经提供了关键证明tPBM有康复治疗潜力的科学证据，该方法可用于调节整个额头的大脑功能连通，以及刺激侧的代谢-血液动力学耦合情况。