额叶皮层的复杂性fNIRS可以支持记忆和视觉空间测试中的阿尔茨海默病诊断

1.研究背景

视觉空间能力下降和记忆力衰退被认为是阿尔茨海默病 (AD) 的症状，可以在早期阶段通过临床测试进行评估。但是，单个测试中的表现通常不能诊断 AD。功能性神经成像，例如功能性近红外光谱 (fNIRS)，可以在生态环境中的这些测试中使用，以支持诊断。神经影像学不应改变允许自由医患互动的临床实践。然而，标准功能神经影像分析所必需的块设计范式需要测试适应。新的信号分析程序（例如，信号复杂性评估）可能有助于在不改变实验条件的情况下建立大脑信号差异。此研究评估了在视觉空间和短期记忆能力的三个测试（时钟绘图测试、数字跨度测试、Corsi 块敲击测试）中早期 AD 和健康对照的额叶皮层的 fNIRS 复杂性（通过样本熵度量）。

2.研究方法

2.1 被试

研究共有22名有效被试，其中AD患者11人（女性4人，平均年龄72.2岁），健康对照组 11人（女性3人，平均年龄67.5岁）。

2.2 实验材料

视觉刺激包含图片刺激。

2.3 实验流程

实验任务包括时钟绘制测试 (CDT)、数位跨度测试 (DST)、Corsi敲击测试 (CBBT)，测试之间有休息时间。CDT 包括向患者展示一张 A4 大小的空白纸，并要求画一个带有代表时钟的数字的圆圈。最后，患者被要求在特定时间绘制时钟指针。DST中要求患者以 1 秒的速度重复由检查员口头呈现的一系列长度增加（从两个开始）的数字。如果参与者无法重复该序列，则披露另一个相同长度的序列。当参与者无法准确重复相同长度的两个系列时，测试停止。在 CBTT 中，医生连续敲击位于木板上的越来越多的立方体（从两个开始）（图 1a），其顺序必须被患者记住。用食指以每秒 1 个立方体的速度触摸立方体。参与者必须在医生之后立即以相同的顺序点击立方体序列。

图1. 实验任务流程

2.4 数据采集和处理

实验采用商业频域近红外光谱仪（Imagent，ISS Inc.，Champaign，Illinois）。该仪器由 32 个激光二极管光源、16 个发射 690 nm 的光和 16 个 830 nm 的光以及 4 个光电倍增管 (PMT) 组成。光调制频率为 110 MHz，而 PMT 调制频率为 110.005 MHz。在测试期间对源采用了时间复用（开关模式：16；采样频率：10 Hz）。红外灯光纤位于额叶和前额叶区域。适用于 NIRS 的 EEG 头盔放置探测器和源的分布见图1a。将所有被试的channel分布在MNI空间显示见图2。

图2. 探测器channel在MNI空间内的分布

3.研究结果

总体上，CDT阶段AD和健康对照组显示出了显著差别。单独channel的统计比较地图如图3所示。样本熵 (SampEn)和多尺度熵 (MSE)作为复杂性的度量。CDT和DST采用SampEn，CBTT采用MSE。

图3. 不同任务阶段的不同channel的统计比较地图。

4.结论

基于通道的fNIRS复杂性分析揭示了AD 诱导的 BA 9,10 和 46 中方向不均匀的变化。基于多元线性回归的 fNIRS 任务相关复杂性的多变量分析提供了对 AD 的良好特异性和敏感性。将该结果与在三个测试 (CDT) 之一中预测 AD 的测试性能进行比较。这些发现虽然是初步的，但似乎证实了 AD 可能导致脑电活动和神经血管耦合失调的假设，这种失调可能比明显的行为障碍更早出现。此实验结果证明了 fNIRS 和复杂性指标支持早期 AD 诊断的能力。

5.文献名称及DOI号

Perpetuini, D., Chiarelli, A.M., Cardone, D., Filippini, C., Bucco, R., Zito, M. and Merla, A., 2019. Complexity of frontal cortex fNIRS can support Alzheimer disease diagnosis in memory and visuo-spatial tests. Entropy, 21(1), pp.1-13.

DOI: 10.3390/e21010026