通过fNIRS信号复杂度分析研究阿尔茨海默病记忆缺陷

1.研究背景

工作记忆缺陷是阿尔茨海默病 (AD) 的标志。自由和提示选择性提醒测试 (free and cued selective reminding test, FCSRT) 是一项临床测试，可量化 AD 诊断的记忆缺陷。通过神经影像学可以提高 FCSRT 的诊断准确性。由于测试需要医患互动，因此脑部监测具有挑战性。由于 fNIRS 的灵活性，功能性近红外光谱 (fNIRS) 可能适合这一目的。本实验研究了基于样本熵和多尺度熵指标的 FCSRT 期间 fNIRS 信号的复杂性是否与 AD 早期的记忆缺陷相关。

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

实验任务由记忆阶段开始：主试者将呈现 12 个选定的刺激图形，在一张纸上一次显示 4 个，每个象限 1 个图形；在主试者口头披露每个插图的语义线索后，受试者需要指出并大声提及每个插图。接下去，受试者被要求在2分钟内自由回忆物品（IFR）；主试者提醒受试者任何未提及的项目的语义线索 (ICR)。30 分钟后，受试者必须执行非语言任务，再次进行相同的回忆程序[延迟自由回忆/延迟线索回忆（DFR / DCR）]。非语言测试是：时钟绘制测试 (CDT)、数位跨度测试 (DST)、Corsi跨度测试 (CST)、试次制作测试 (TMT)（版本 A 和 B）、和 Benton 测试 (BT)。

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）。探测器和源的分布见图1。

图1. 探测器和源的分布与命名

采集后，检查信号的质量以丢弃具有低信噪比的信道。通过目测检查信号并评估 HbO 和 Hbb 之间的相关性；如果是正数，则通道将被丢弃。由于放置在前额上，所有通道都显示出良好的头皮耦合，因此所有参与者都没有丢弃任何通道。预处理使用了 Homer2 NIRS 处理包。强度信号被转换成光密度（optical density, OD）。运动伪影被识别为 1 秒内信号变化 > 标准偏差 (SD) 的 10%。这些伪影使用基于小波的校正算法进行校正。信号经过带通滤波（三阶巴特沃斯滤波器，截止频率：0.01 至 0.4 Hz）以减少系统噪声，例如心脏和呼吸频率。然后，OD 信号通过修正的 Beer-Lambert 定律（差分光程因子 = 6）转换为 HbO 和 Hbb 信号。

3.研究结果

样本熵 (SampEn)和多尺度熵 (MSE)作为复杂性的度量。在RP和IFR期间，MSE在AD和健康对照组间没有差别。在DFR时，AD组比健康对照组在channel15和channel18显示出更高的MSE（图2）。这两个位置分别位于布罗德曼区9和46（图3）。

图2. MSE在channel15和channel18的两组比较。

图3. 显示显著差别的两个channel在大脑皮层的位置。

4.结论

AD 患者在 BAs 9 和 46 的 DFR 阶段表现出比健康对照更高的熵值。 这些结果与 AD 可能以复杂功能网络失调为特征的假设一致，并支持复杂性随年龄变化的假设或生物系统疾病。

5.文献名称及DOI号

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