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 研究背景

初步研究表明，健康成人在靜息態下左右前額葉皮層 (PFC) 的大腦氧合存在差異。這種稱為額葉大腦氧合不對稱 (FCOA) 的現象的特征是右側PFC組織氧合與左側相比更高。本研究的主要目標是調查大量健康人的 FCOA，以闡明 FCOA 是否是一種真實且穩健的現象。為了更好地理解這種現象，使用 SPA-fNIRS 來評估 FCOA 是否取決于全身生理活動、絕對組織氧合或血紅蛋白濃度。另外還會探索時間生物學和心理變量對 FCOA 以及靜息狀態下 PFC 的腦血流動力學和氧合的影響。
 

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研究方法
 

2.1、被試

共126名有效被試被招募，男性41名，女性85名，平均年齡24.7歲。
 

2.2、實驗材料

無任務態范式。
 

2.3、實驗過程

每個受試者進行了四次測量，分別在四天的同一時間，以防止時間生物學偽影。他們被要求在整個測量過程中保持睜眼，并在測量過程中盡可能少地移動頭部或身體以避免運動偽影。此外，受試者被要求在每次測量前后填寫兩份問卷以評估他們的情緒：積極和消極情緒量表 (PANAS)和自我評估模型測試 (SAM；五分制)。
 

2.4、數據采集和處理

Imagent (ISS Inc., Champaign, Illinois, USA) 用于確定PFC的 O2Hb、HHb、tHb和 StO2 的絕對值，采樣率為 2.5 Hz。Imagent 的光源由 16 個 760 nm 激光二極管和 16 個 830 nm 激光二極管組成。四個高靈敏度光電倍增管用作檢測器。根據國際 10 到 20 系統，傳感器被雙側放置在受試者的左右前額葉皮層（L-PFC 和 R-PFC）位置 Fp1 和 Fp2。兩個 ISS 傳感器中的每一個都有四個光發射器和一個連接到光纖的光檢測器，將光傳送到光電倍增管。源到探測器間距為2.0、2.5、3.5 和 4.0 cm，源和探測器共線排列。
 

在分析之前，通過目視檢查去除極低 (StO2  100%) 的數據。StO2 和tHb信號中的運動偽影通過基于移動標準偏差和分段插值的移動偽影減少算法 (MARA) 去除。對于 86% 的信號時間序列，無需使用 MARA 進行處理。為了去除高頻噪聲，使用跨度為 2 分鐘的穩健的二次多項式移動平均 (RLOESS) 對信號進行低通濾波。對于每次測量，計算每個大腦參數的基線階段的 5 分鐘中位數。對來自左PFC 和 右PFC 的 StO2 和 tHb的絕對值進行平均以獲得整個 PFC 的單一值。此外，側向指數（右PFC 和 左PFC 的絕對值之間的差異）已確定并用“Δ”表示。最后，計算每個個體受試者的 StO2 和 [tHb] 的中值和四分位距 (IQR)。
 

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實驗結果
 

3.1、左右PFC腦氧和差異

對于 StO2，我們發現右腦主導活性（ΔStO2 > 0）：在靜息狀態下檢測到高度顯著FCOA （圖1a）。tHb沒有顯示出顯著不對稱性（圖1b）。

圖1. 腦組織氧合和血流動力學
 

3.2、腦氧合與全身生理狀態的相關性

下列變量呈正相關：ΔStO2與呼吸頻率（RR），StO2 與PETCO2，StO2 與tHb，PETCO2與心率，tHb與心率, HR與RR，tHb與 log(PRQ)(PRQ=脈搏-呼吸商數)，PETCO2與log(PRQ)。
 

3.3、腦氧合與性別、季節變換、和一天中的時間的關系

在 StO2 和tHb中觀察到由于性別而產生的顯著差異。女性和男性組的 FCOA 表現出相同的季節性變化趨勢，秋季和冬季高于春季和夏季。男性的絕對[tHb]值在春夏季高于秋冬季。相反，與春季和夏季相比，在秋季和冬季觀察到女性的 [tHb] 值更高 （圖3a-d）。
 

男性和女性都在早上觀察到更高的 StO2 值。男性在清晨和傍晚表現出非常高的tHb值，但女性的趨勢幾乎相反。tHb值的最高 FCOA 分別出現在男性和女性的 10:00 和 14:00。無論性別如何，在早上和下午的 StO2 值之間都發現了非常顯著的差異。早晚的 StO2 值也存在顯著差異。沒有發現tHb的顯著變化（圖3e-h）

圖3. 腦氧合與性別、季節變換、和一天中的時間的關系。

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結論

本研究結果證明了FCOA存在，且與室溫、RR 和 PRQ 相關，但不受受試者情緒或睡眠類型的影響。這種較高的右側 PFC 活性可能是由于靜息狀態下更顯著的抑制活性。StO2 和 [tHb] 的絕對值受全身生理活動的影響，如 PETCO2、HR、RR 和 PRQ，以及性別。FCOA 和 StO2 分別取決于季節和時間。與春季/夏季相比，秋季/冬季的 FCOA 較高，而早上的 StO2 高于下午/晚上。這些相關發現只能使用 FD-fNIRS 儀器實現，該儀器能夠在使用 SPA-fNIRS 方法的同時測量絕對值。

Zohdi, H., Scholkmann, F. and Wolf, U., 2020. Frontal cerebral oxygenation asymmetry: intersubject variability and dependence on systemic physiology, season, and time of day. Neurophotonics, 7(2), p.025006 1-19.

DOI:10.1117/1.NPh.7.2.025006