利用虛擬現(xiàn)實工作記憶任務和功能近紅外光譜法評估ADHD兒童對哌醋甲酯的腦血流動力學反應

1.研究背景

虛擬現(xiàn)實(VR)神經心理測試已經成為一種探索藥物對注意缺陷多動障礙(ADHD)兒童在現(xiàn)實生活中有效性的一種方法。功能近紅外光譜(fNIRS)可以有效的測量多動癥兒童在虛擬現(xiàn)實任務中的運動型不安的大腦活動性。本研究旨在探討哌醋甲酯(MPH)在模擬現(xiàn)實生活的工作記憶任務中對行為表現(xiàn)和大腦活動的影響。

2.研究方法

2.1 被試

共有23名患有ADHD的兒童（年齡范圍7-16歲；平均年齡9.96±2.82）和12名健康對照(HC)兒童（年齡范圍7-14歲；平均年齡11.33±2.93）參與本研究。

2.2 實驗流程

被試主要為兩組，一組是ADHD兒童，一組是正常兒童。所有被試的實驗流程如圖1A所示，首先被試先進行練習，接著做N-back任務，之后服用藥物，在兩個小時后再進行N-back任務。

2.3 實驗材料

VR環(huán)境：VR任務的背景是一個虛擬教室，參與者一開始發(fā)現(xiàn)自己在教室里，參與者面對著老師，其他的化身同學坐在附近(圖1B)。首先出現(xiàn)“請在上課前四處看看”的信息，接著一個教師角色進入并告知參與者N-back任務的規(guī)則。參與者首先執(zhí)行一項叫做“游戲教程”的練習任務，每種情況包含10個刺激。如果參與者犯的錯誤比設定的標準更多，則重復練習。在實際任務之前，老師簡要地解釋了fNIRS設備，并鼓勵參與者盡可能保持靜止。在收到指示后，參與者被引導佩戴fNIRS裝備，然后進行主要任務。

n-back任務：每次n-back任務包括3組。每組包含交替的1-back（低空間記憶負載）和2-back（高空間記憶負載），以及介于0-back（控制）之間的條件（每組任務持續(xù)40秒；20次刺激，隨機顯示大寫字母A-G）。每個刺激呈現(xiàn)500ms，刺激間隔為1.5s。

2.4 FNIRS測量及分析

本實驗使用了多通道高密度fNIRS儀器(NIRSIT；OBELAB，首爾，韓國)，它包括24個激光二極管發(fā)射兩個波長(780/850nm)和32個距離1.5厘米的光電探測器。采樣率為8.138Hz。48個通道的對齊情況如圖2所示。根據(jù)國際10-20系統(tǒng)對腦電圖電極位置的相關標準位置，將fNIRS裝置放置在頭部。信噪比的閾值為30dB，通過檢測到的光信號的帶通濾波器(0.005-0.1Hz)進行濾波，消除了生理噪聲和環(huán)境噪聲的緩慢漂移。

利用改進的modified Beer Lambert Law定律(MBLL)將原始光強度轉化為含氧血紅蛋白?HbO2)的濃度變化。在多次試驗平均后，計算每個通道的平均oxy-Hb濃度變化(avg?HbO2)。最后，選定特定的區(qū)域(ROI)對分類通道進行平均，提取avg?HbO2的區(qū)域代表值。48個通道分別分為左右背外側前額葉皮層(DLPFC)、腹外側前額葉皮層(VLPFC)、內側前額葉皮層(mPFC)和眶額葉皮層(OFC)。

圖2.fNIRS通道的空間剖面圖

3.實驗結果

3.1、行為結果

表1顯示了HC和ADHD參與者在每個n-back任務中的平均準確率和RTs。對ADHD被試的數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)1-back中與使用MPH前相比，使用后被試的RT和 RT variability降低，準確性提高。ADHD組和HC組之間的行為表現(xiàn)沒有明顯差異。沒有發(fā)現(xiàn)ADHD兒童與健康被試行為表現(xiàn)無明顯差異。

表1.ADHD和對照組的N-back任務表現(xiàn)

3.1、FNIRS結果

（1）如 圖3B和C所示，對被試使用MPH前和后進行1-back測試，在任何區(qū)域都沒有觀察到明顯的差異性。

（2）如圖3B所示，比較ADHD和HC組發(fā)現(xiàn)，MPH前和MpH后ADHD受試者在右側DLPFC中avg?HbO2信號明顯減少(pre-MPH vs HC，t=?2.443，p<0.05；post- MPH vs HC，t=?2.233，p<0.05；

（3）如圖3所示，在2-back條件，受試者的Avg1HbO2 pre-MPH明顯高于post-MPH在左側DLPFC和雙側(左側DLPFC, t = 2.838, p < 0.05, uncorrected; 左側mPFC, t =2.334, p < 0.05, uncorrected; 右側 mPFC, t = 2.496, p <0.05）。

（4）HC組與mph前和后ADHD受試者比較沒有觀察到明顯差異。在2-back任務中，ADHD受試者使用MPH后幾個大腦區(qū)域的激活下降。

圖3.n-back任務執(zhí)行過程中的血流動力學變化

3.3、行為表現(xiàn)與fNIRS結果之間的相關性

如圖4所示，在mph前ADHD受試者中，左右mPFC的準確性與avg?HbO2呈負相關(右側mPFC，r=?0.518，p<0.05；左側mPFC，r=?0.591，p<0.05)。給藥后，未觀察到這種相關性。

圖4.雙側mPFC在2-back任務中ACC與avg?HbO2信號相關性

4.結論

在高負荷WM任務中，MPH治療后，雙側mPFC的激活降低。此外，在MPH前條件下，雙側mPFC激活與任務準確性呈負相關；給藥后，這種相關性消失。這些發(fā)現(xiàn)表明，在ADHD兒童中，在高負荷WM任務中介導的不適當?shù)倪^度神游可能在使用MPH后消失。綜上所述，這些結果表明，VR任務和fNIRS檢查的結合是一種技術，能夠在現(xiàn)實生活中檢查ADHD兒童和青少年的干預效果。

5.參考文獻及DOI號

Jang, S., Choi, J., Oh, J., Yeom, J., Hong, N., Lee, N., . . . Kim, E. (2020). Use of Virtual Reality Working Memory Task and Functional Near-Infrared Spectroscopy to Assess Brain Hemodynamic Responses to Methylphenidate in ADHD Children. Front Psychiatry, 11, 564618.

doi：10.3389/fpsyt.2020.564618