利用功能近红外光谱(fNIRS)发现短暂放松练习比绿色图像在算术任务中导致更多的前额皮质激活

1.研究背景

对于短暂的放松练习和观看绿色植物图片会如何影响认知任务中的大脑反应，人们知之甚少。在本研究中，QY球友会使用功能性近红外光谱(fNIRS)检测了在阅读绿色图像、短暂放松练习和控制任务前和后的算术任务中大脑前额叶皮层的激活变化。

2.研究方法

2.1被试

共有31名健康受试者（平均年龄=22.6±1.4岁，男性19人，女性12人）并参与本实验。

2.2 实验材料

本实验主要采用了短暂放松训练、绿色图像的视觉刺激以及控制干预三种不同的干预方案，并且在其前后分别进行算术任务测试。

其中短暂放松训练，要求被试在主试口头的指导下进行短暂的放松练习，训练时间为2min。绿色图像的视觉刺激和刺激图片的选择要求要求集中关注电脑屏幕上呈现的图片。在120秒的干预期间，显示了9张不同的图像，每张图片显示了20秒。算术任务测试主要是随机呈现数学习题并进行按键回答。

2.3 实验流程
本实验主要采取被试间设计，被试随机分成三组（短暂放松训练组、绿色图像的视觉刺激组以及控制组）。实验流程如图1所示，首先进行两组30s的算术任务测试，接着对被试进行两分钟不同方式的干预，最后进行1组30s的算术测试。在每个任务间都有30s的休息时间。

图1.实验流程图

2.4实验数据采集和分析

实验主要采用便携式多通道连续近红外成像系统(NIRSIT，两个波长：780和850nm；由韩国首尔OBELAB开发)，有24个激光源和32个光探测器，用于测量大脑活动。一个48通道的探针配置被放置在前额叶皮层上，主要分析背外侧前额叶皮层、腹外侧前额叶皮层和额叶皮层。采用低通滤波器和高通滤波器对检测信号进行滤波。使用改进的比尔兰伯特定律(MBLL)计算每个任务中48个通道的血流动力学变化。在每个任务中，通过多次试验对个体结果取平均值，并以平均总含氧血红蛋白(HbO µm)计算每组的代表性结果。为了证明前额叶皮层活动的差异，QY球友会使用地形图来表示任务执行过程中前额叶皮层激活的各个区域。红色的强度代表了在前额叶皮层的该区域检测到的含氧血红蛋白水平的增加，因此与激活和认知努力的增加相关。反之则相反，呈深蓝色，代表含氧血红蛋白水平降低和该区域的低激活。为了研究前额叶皮层的血流动力学变化，QY球友会根据左额叶和右额叶区域平均每个通道的块平均HbOµm，提取代表性值(∆HbO µm)。右侧区域为通道1-16，左侧区域为通道33-48，如图2所示。

图2.数据分析中48个点位的排列和分组

3.实验结果

表1使用方差分析的比较三组训练在干预前后的算术任务中正确反映率并没有发现具有明显差异。

表1.三组不同训练在干预前后的算术任务中正确反映率

图3比较了对照组在干预前和干预后执行算术任务时的PFC激活(HbOµm)。结果发现在对照组干预前后执行算术任务时，平均HbO µm无统计学差异(p>0.05)。

图4比较了观看绿色图像在干预前和干预后执行算术任务时的PFC激活(HbOµm)。结果发现在对照组干预前后执行算术任务时，平均HbO µm无统计学差异(p>0.05)。

图5比较了放松组在干预前和干预后执行算术任务时的PFC激活(HbO µm)。在短暂放松练习前后执行算术任务时平均HbO µm有明显差异(p<0.05)。在短暂放松练习后的算术任务中，右侧额叶皮层(p=0.029)、左侧额叶皮层(p=0.01)和左眶额叶皮层(p=0.033)的平均HbO µm明显增加。

图5.放松训练组在干预前后执行算术任务时平均HbO µm前额叶皮层(PFC)激活的差异性

4.结论

本文的研究旨在通过比较干预前后算术任务中的大脑激活情况，来确定观察绿色图像和短暂放松练习背后的大脑功能变化。与研究假设相反，QY球友会发现在右侧额叶、左侧额叶皮层和左侧眶额叶皮层有明显的激活在短暂的放松练习后，但在观看绿色图像或控制任务后没有。本研究证实，在算术任务中，短暂的放松练习明显提高了前额叶皮层关键区域的含氧血红蛋白水平。这一发现鼓励学生和员工不时地练习短暂的放松，以增强认知功能。

05参考文献及DOI号

Zhang, Z., Olszewska-Guizzo, A., Husain, S. F., Bose, J., Choi, J., Tan, W., . . . Ho, R. (2020). Brief Relaxation Practice Induces Significantly More Prefrontal Cortex Activation during Arithmetic Tasks Comparing to Viewing Greenery Images as Revealed by Functional Near-Infrared Spectroscopy (fNIRS). Int J Environ Res Public Health, 17(22).

doi：10.3390/ijerph17228366