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島津近紅外光腦功能成像系統(tǒng)科普系列丨fNIRS與飛行駕駛篇
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在人類的悠久歷史中，人類大腦如何運(yùn)作至今仍然是最大的謎團(tuán)之一。可視化腦功能成像作為重要的腦功能研究技術(shù)近年來迅速發(fā)展，其中“近紅外光腦功能成像技術(shù)(fNIRS)”作為新一代腦科學(xué)研究技術(shù)而備受關(guān)注。
由于近紅外光腦功能成像技術(shù)(fNIRS)可以在接近自然的環(huán)境中進(jìn)行測量，具有非侵入性和對被試者約束性低等特點，被廣泛用于心理學(xué)、教育、醫(yī)學(xué)研究、康復(fù)研究、運(yùn)動醫(yī)學(xué)研究、工程研究、汽車和化妝品等多個領(lǐng)域。
島津作為先進(jìn)分析儀器生產(chǎn)商，從上個世紀(jì)八十年代開始著手進(jìn)行近紅外光腦功能成像技術(shù)(fNIRS)產(chǎn)品的研發(fā)，并于1991年上市第一款商業(yè)化產(chǎn)品OM-100A。隨著近紅外光腦成像技術(shù)的不斷發(fā)展，島津產(chǎn)品也隨之進(jìn)行更新，在2012年和2016年分別推出了多通道近紅外光腦成像系統(tǒng)LABNIRS和便攜式近紅外光腦成像系統(tǒng)LIGHTNIRS。
應(yīng)用案例
島津LIGHTNIRS通過fNIRS進(jìn)行能力評價的可能性研究飛機(jī)駕駛的腦功能測量
本案例介紹了有經(jīng)驗飛行員與無經(jīng)驗飛行員在實際飛行訓(xùn)練中使用飛行模擬器進(jìn)行兩次不同難度的著陸模擬實驗，通過fNIRS評估他們前額葉背外側(cè)皮層 (DLPFC) 的大腦活動差異。
被試驗者人數(shù)：ANA所屬的男性飛行員12名，其中有經(jīng)驗飛行員6名：累計飛行時間10,490±1260小時；無經(jīng)驗飛行員6名：累計飛行時間120±72小時。
在飛行模擬器中保持放松靜止?fàn)顟B(tài)2分鐘后，受試者在4分鐘內(nèi)完成從2000英尺的高度著陸任務(wù)，重復(fù)操縱模擬5次(2次簡單任務(wù)，3次困難任務(wù))。為了去除噪音，對fNIRS數(shù)據(jù)實施了0.1Hz低通濾波器和血流動力學(xué)分離法，將各數(shù)據(jù)的任務(wù)起點設(shè)為0進(jìn)行了基線校正。經(jīng)過這些處理后，計算了在1500英尺到500英尺的飛行中Oxy-Hb的平均值。
為了評估性能，我們使用飛行模擬器儀器從1500英尺到500英尺進(jìn)行評分。利用飛行模擬器(空速、節(jié)距、方位、傾斜、滑道及N1 (發(fā)動機(jī)推力設(shè)定值))的能力，我們計算每個參數(shù)理想值的偏差，并計算平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差值。這些值表示得分越低，性能越好。
fNIRS通道布局
測量部位：前額葉皮層22通道（根據(jù)Fastrak位置測量和NIRS-SPM計算的布羅德曼區(qū)分布，設(shè)置左右DLPFC如右圖）。
結(jié)果結(jié)論
無論任務(wù)的難度如何，飛行模擬器的得分都是有經(jīng)驗飛行員比無經(jīng)驗飛行員表現(xiàn)更好。在兩個受試者組中，DLPFC活動 (Oxy-Hb平均值) 在困難任務(wù)中往往高于簡單任務(wù)。此外，無論任務(wù)的難度如何，有經(jīng)驗飛行員DLPFC活動均高于無經(jīng)驗飛行員。有經(jīng)驗飛行員在考慮到意外狀況的情況下飛行表現(xiàn)良好，這可能導(dǎo)致DLPFC活動很高。
有經(jīng)驗飛行員和無經(jīng)驗飛行員 DLPFC活動的左右差異比較
此外，在簡單任務(wù)和困難任務(wù)相結(jié)合的總體結(jié)果 (每個受試者平均著陸5次) 中，有經(jīng)驗飛行員在左側(cè)DLPFC中顯示出比右側(cè)DLPFC顯著更高的大腦活動 (p<0.001) )，無經(jīng)驗飛行員的左右腦活動無顯著差異。分析結(jié)果表明，無經(jīng)驗飛行員通過左右腦合作來執(zhí)行任務(wù)，而有經(jīng)驗飛行員是讓左DLPFC發(fā)揮優(yōu)勢來執(zhí)行任務(wù)。
結(jié)語
這項研究結(jié)果表明，島津LIGHTNIRS設(shè)備的檢測結(jié)果可用于證明“認(rèn)知年齡模型的腦活動的左右不對稱性，是基于技能能力和熟練度的差異而不是年齡”。
注：僅供研究參考，不作為臨床診斷依據(jù)。
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