利用功能近紅外光譜(fNIRS)發(fā)現(xiàn)短暫放松練習(xí)比綠色圖像在算術(shù)任務(wù)中導(dǎo)致更多的前額皮質(zhì)激活

1.研究背景

對(duì)于短暫的放松練習(xí)和觀看綠色植物圖片會(huì)如何影響認(rèn)知任務(wù)中的大腦反應(yīng)，人們知之甚少。在本研究中，我們使用功能性近紅外光譜(fNIRS)檢測(cè)了在閱讀綠色圖像、短暫放松練習(xí)和控制任務(wù)前和后的算術(shù)任務(wù)中大腦前額葉皮層的激活變化。

2.研究方法

2.1被試

共有31名健康受試者（平均年齡=22.6±1.4歲，男性19人，女性12人）并參與本實(shí)驗(yàn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)主要采用了短暫放松訓(xùn)練、綠色圖像的視覺刺激以及控制干預(yù)三種不同的干預(yù)方案，并且在其前后分別進(jìn)行算術(shù)任務(wù)測(cè)試。

其中短暫放松訓(xùn)練，要求被試在主試口頭的指導(dǎo)下進(jìn)行短暫的放松練習(xí)，訓(xùn)練時(shí)間為2min。綠色圖像的視覺刺激和刺激圖片的選擇要求要求集中關(guān)注電腦屏幕上呈現(xiàn)的圖片。在120秒的干預(yù)期間，顯示了9張不同的圖像，每張圖片顯示了20秒。算術(shù)任務(wù)測(cè)試主要是隨機(jī)呈現(xiàn)數(shù)學(xué)習(xí)題并進(jìn)行按鍵回答。

2.3 實(shí)驗(yàn)流程
本實(shí)驗(yàn)主要采取被試間設(shè)計(jì)，被試隨機(jī)分成三組（短暫放松訓(xùn)練組、綠色圖像的視覺刺激組以及控制組）。實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示，首先進(jìn)行兩組30s的算術(shù)任務(wù)測(cè)試，接著對(duì)被試進(jìn)行兩分鐘不同方式的干預(yù)，最后進(jìn)行1組30s的算術(shù)測(cè)試。在每個(gè)任務(wù)間都有30s的休息時(shí)間。

圖1.實(shí)驗(yàn)流程圖

2.4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和分析

實(shí)驗(yàn)主要采用便攜式多通道連續(xù)近紅外成像系統(tǒng)(NIRSIT，兩個(gè)波長(zhǎng)：780和850nm；由韓國(guó)首爾OBELAB開發(fā))，有24個(gè)激光源和32個(gè)光探測(cè)器，用于測(cè)量大腦活動(dòng)。一個(gè)48通道的探針配置被放置在前額葉皮層上，主要分析背外側(cè)前額葉皮層、腹外側(cè)前額葉皮層和額葉皮層。采用低通濾波器和高通濾波器對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行濾波。使用改進(jìn)的比爾蘭伯特定律(MBLL)計(jì)算每個(gè)任務(wù)中48個(gè)通道的血流動(dòng)力學(xué)變化。在每個(gè)任務(wù)中，通過多次試驗(yàn)對(duì)個(gè)體結(jié)果取平均值，并以平均總含氧血紅蛋白(HbO μm)計(jì)算每組的代表性結(jié)果。為了證明前額葉皮層活動(dòng)的差異，我們使用地形圖來表示任務(wù)執(zhí)行過程中前額葉皮層激活的各個(gè)區(qū)域。紅色的強(qiáng)度代表了在前額葉皮層的該區(qū)域檢測(cè)到的含氧血紅蛋白水平的增加，因此與激活和認(rèn)知努力的增加相關(guān)。反之則相反，呈深藍(lán)色，代表含氧血紅蛋白水平降低和該區(qū)域的低激活。為了研究前額葉皮層的血流動(dòng)力學(xué)變化，我們根據(jù)左額葉和右額葉區(qū)域平均每個(gè)通道的塊平均HbOμm，提取代表性值(?HbO μm)。右側(cè)區(qū)域?yàn)橥ǖ?-16，左側(cè)區(qū)域?yàn)橥ǖ?3-48，如圖2所示。

圖2.數(shù)據(jù)分析中48個(gè)點(diǎn)位的排列和分組

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1使用方差分析的比較三組訓(xùn)練在干預(yù)前后的算術(shù)任務(wù)中正確反映率并沒有發(fā)現(xiàn)具有明顯差異。

表1.三組不同訓(xùn)練在干預(yù)前后的算術(shù)任務(wù)中正確反映率

圖3比較了對(duì)照組在干預(yù)前和干預(yù)后執(zhí)行算術(shù)任務(wù)時(shí)的PFC激活(HbOμm)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在對(duì)照組干預(yù)前后執(zhí)行算術(shù)任務(wù)時(shí)，平均HbO μm無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(p>0.05)。

圖4比較了觀看綠色圖像在干預(yù)前和干預(yù)后執(zhí)行算術(shù)任務(wù)時(shí)的PFC激活(HbOμm)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在對(duì)照組干預(yù)前后執(zhí)行算術(shù)任務(wù)時(shí)，平均HbO μm無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(p>0.05)。

圖5比較了放松組在干預(yù)前和干預(yù)后執(zhí)行算術(shù)任務(wù)時(shí)的PFC激活(HbO μm)。在短暫放松練習(xí)前后執(zhí)行算術(shù)任務(wù)時(shí)平均HbO μm有明顯差異(p<0.05)。在短暫放松練習(xí)后的算術(shù)任務(wù)中，右側(cè)額葉皮層(p=0.029)、左側(cè)額葉皮層(p=0.01)和左眶額葉皮層(p=0.033)的平均HbO μm明顯增加。

圖5.放松訓(xùn)練組在干預(yù)前后執(zhí)行算術(shù)任務(wù)時(shí)平均HbO μm前額葉皮層(PFC)激活的差異性

4.結(jié)論

本文的研究旨在通過比較干預(yù)前后算術(shù)任務(wù)中的大腦激活情況，來確定觀察綠色圖像和短暫放松練習(xí)背后的大腦功能變化。與研究假設(shè)相反，我們發(fā)現(xiàn)在右側(cè)額葉、左側(cè)額葉皮層和左側(cè)眶額葉皮層有明顯的激活在短暫的放松練習(xí)后，但在觀看綠色圖像或控制任務(wù)后沒有。本研究證實(shí)，在算術(shù)任務(wù)中，短暫的放松練習(xí)明顯提高了前額葉皮層關(guān)鍵區(qū)域的含氧血紅蛋白水平。這一發(fā)現(xiàn)鼓勵(lì)學(xué)生和員工不時(shí)地練習(xí)短暫的放松，以增強(qiáng)認(rèn)知功能。

05參考文獻(xiàn)及DOI號(hào)

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