《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》：Enhanced Mapping of Finger Movement Representations Using Diffuse Optical Tomography: A Systematic Comparison with fNIRS
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本研究针对传统功能性近红外光谱(fNIRS)在空间分辨率和噪声敏感性方面的固有局限，系统比较了漫射光学断层扫描(DOT)与fNIRS在手指运动范式下检测任务诱发神经激活的性能。结果表明，DOT能够一致捕获运动相关脑区的稳健激活，即使在低需求条件下也表现出更高的对比噪声比(CNR)和对比背景比(CBR)，验证了其在信号质量和区分细微血流动力学响应方面的优势。该研究为运动神经科学研究和脑机接口开发提供了更强大的光学成像工具。
当我们试图观察大脑在执行精细动作时的活动情况时，功能性近红外光谱(fNIRS)因其便携性、抗运动干扰等优势成为重要工具。然而，传统fNIRS技术存在明显短板——其空间分辨率较低，且容易受到噪声干扰，这使得它在捕捉细微神经活动时力不从心。特别是在研究手指精细运动时，不同手指在运动皮层的表征区域非常接近，传统fNIRS难以准确区分这些精细的激活模式。这种技术局限严重制约了我们在运动神经科学研究和临床康复监测中对大脑功能的精确解析。
正是在这样的背景下，漫射光学断层扫描(DOT)技术应运而生。与fNIRS相比，DOT采用了更密集的探头排列和多重小间距的源-探测器对配置，结合先进的重建算法，理论上能够提供更高的空间分辨率和更好的信号质量。但一个关键问题尚未得到解答：DOT在实际运动皮层成像中的性能是否真的优于传统fNIRS？为了回答这个问题，由关硕、李宇航等研究人员组成的团队在《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》上发表了他们的最新研究成果。
研究人员设计了一个精巧的手指敲击实验，系统比较了两种技术的性能差异。他们招募了22名健康志愿者，让参与者按照视觉提示完成不同手指（拇指和小指）和不同频率（高频和低频）的敲击任务。通过同时记录DOT和fNIRS数据，研究团队能够直接比较两种技术在相同实验条件下的表现。
在技术方法层面，本研究采用了几个关键步骤：使用NIRsport2系统进行同步fNIRS和DOT记录，探头布局采用六边形模式，包含7个光源和16个探测器，形成50个多距离通道；数据预处理包括质量评估、运动校正和滤波等标准化流程；DOT图像重建采用基于异质性头部模型的正向模型和线性化重建算法；使用一般线性模型(GLM)进行统计分析和对比度评估。
单条件激活模式显示DOT的优越灵敏度
在四个实验条件下，DOT均表现出更优的检测能力。在高频拇指敲击时，DOT检测到前运动皮层(PMC)、初级运动皮层(M1)和初级体感皮层(S1)的显著激活，而fNIRS仅显示PMC和M1的激活。在最具挑战性的低频小指敲击条件下，DOT仍能检测到PMC的显著激活，而fNIRS未能检测到任何显著激活。这一结果直接证明了DOT在检测微弱神经活动方面的优势。
条件间比较揭示DOT更精细的区分能力
通过比较不同手指和不同频率的激活差异，研究发现拇指敲击比小指敲击引发更强的S1区域激活，这符合拇指在精细操作中更重要的生理特点。更重要的是，在高频与低频拇指敲击的比较中，DOT揭示了包括PMC、M1和辅助运动区(SMA)在内的更广泛脑区激活，而fNIRS主要显示PMC和M1的激活。这表明DOT能够捕捉到更全面的运动网络参与情况。
信号质量定量分析证实DOT的技术优势
在关键的信号质量指标上，DOT表现出显著优势。对比噪声比(CNR)分析显示，DOT在所有条件下的CNR值均显著高于fNIRS。同时，DOT的对比背景比(CBR)也更高，表明其重建图像的质量更优，能更好地区分目标激活与背景信号。时间序列分析进一步显示，尽管DOT的绝对信号范围较小，但其信号变化相对于基线的幅度更大，呈现出更清晰的任务相关特征。
统计比较验证DOT的激活强度更大
通过比较重叠感兴趣区域内的beta值，研究发现DOT在多个条件和脑区检测到的激活强度显著大于fNIRS。特别是在PMC区域，DOT在三种条件下都显示出显著更强的激活，进一步证实了其对神经活动的高灵敏度。
研究结论明确指出，DOT在信号质量、空间分辨率和检测细微运动相关皮层激活的灵敏度方面均优于传统fNIRS。DOT能够提供连续、局部的皮层激活图谱，与已知运动功能区良好对应，而fNIRS往往产生更分散、界定不清的激活图像。这一技术优势使DOT在运动缺陷诊断、康复监测和脑机接口开发等临床应用中具有重要价值。
值得注意的是，该研究也指出了几个局限性。样本量较小且同质性强可能影响结果的普适性；DOT重建算法较为耗时；缺乏与fMRI或EEG等金标准的交叉验证；使用的是基于图谱的头部模型而非个体化模型。这些都为未来研究指明了改进方向。
总体而言，这项研究通过系统性的实验设计和多维度分析，有力证实了DOT在运动皮层成像中的技术优势，为光学神经成像领域的发展提供了重要推动。其能够实现高分辨率、高灵敏度的皮层映射，特别是在诊断和监测运动缺陷、评估治疗干预措施以及支持脑机接口发展方面，DOT展现出作为下一代神经影像工具的巨大潜力。
