通过时域fNIRS解码技术揭示的与年龄相关的神经动态，该技术用于研究视听双重任务处理过程中的大脑活动

《Beilstein Journal of Nanotechnology》：Age-related neural dynamics revealed by time-domain fNIRS decoding of audiovisual dual-task processing

本研究探讨年龄相关神经改变的可解码性，通过时间域fNIRS信号分析静息和视听双任务状态。结果显示视听任务下组合特征（方差、峰值等）显著提升年龄分类准确度（0.810），静息时则不足。空间分析揭示左右脑区功能不对称性，表明认知负荷有助于捕捉神经衰老标志。

　　

刘毅|丁俊华|卢静|王松健|王媛|寇诺楠|王硕

首都医科大学北京同仁医院耳鼻喉头颈外科；北京耳鼻喉科学研究所；教育部耳鼻喉头颈外科重点实验室，北京100730，中国

摘要

健康老龄化伴随着大脑皮层结构和功能的广泛变化，尤其是在支持多感官整合和认知控制的网络中。然而，目前尚不清楚是否可以从个体脑活动模式中可靠地解码出与年龄相关的神经变化，尤其是在不同的认知状态下。本研究探讨了在静息状态和复杂的视听处理过程中，是否可以从时域功能性近红外光谱（fNIRS）信号中解码出与年龄相关的神经变化。研究人员从认知正常的年轻人和老年人中收集了颞叶、额叶和顶叶皮层的fNIRS数据。提取了9个与氧合血红蛋白（HbO）相关的时域特征，并使用监督机器学习（SVM）进行了分析。在静息状态下，解码准确率较低（仅使用峰度指标时为0.651），并且在不同分类器中的表现也较差。相比之下，在视听双重任务过程中，结合使用五个特征（方差、峰值、到达峰值的时间、斜率和偏度）时，分类准确率达到了较高水平（0.810），揭示了与年龄相关的神经特征。空间分析显示，具有区分能力的传感器在双侧都有分布，但在功能上存在不对称性：左侧颞顶叶区域主要参与听觉处理和多感官整合，而右侧额顶叶区域则支持注意力控制和自上而下的调节。这些发现表明，在高认知负荷下能够更好地捕捉到与年龄相关的神经动态，突显了时域fNIRS特征作为皮层重组的敏感标志物以及健康大脑老化的潜在指标的作用。

部分内容摘录

参与者

共有58名参与者（27名年轻人和31名老年人）完成了视听整合任务。所有参与者根据世界卫生组织（WHO，2021年）的《世界听力报告》被临床诊断为听力正常。由于疲劳或意外情况，有3名老年人（2名男性和1名女性）未能完成静息状态记录，因此该组的样本分别为27名年轻人和28名老年人。

人口统计特征和行为表现

两组的人口统计信息见表3。性别比例、MMSE和UCLA-LS得分在组间没有显著差异（ps > 0.05）。对于GDS评分，两组的平均值都在非抑郁范围内（< 9分）。然而，年轻人的得分略高于老年人。尽管所有参与者都符合正常听力的临床标准（较好耳的纯音平均听力< 20 dB HL，频率范围为500 ~ 4000 Hz），但仍存在与年龄相关的评分升高。

讨论

本研究考察了是否可以从fNIRS衍生的HbO信号的时域特征中解码出与年龄相关的神经变化，这些信号分别来自静息状态和任务状态。通过使用监督机器学习方法，我们发现静息状态下的活动无法提供可靠的年龄分类结果，这表明仅靠自发的血流动力学波动不足以捕捉到稳定的神经老化标志。相比之下，在视听双重任务处理过程中，分类准确率显著提高。

结论

本研究表明，在认知要求较高的视听条件下，与年龄相关的神经变化比在静息状态下更容易被揭示。通过结合多个时域HbO特征，我们识别出了一个稳健且具有生理意义的神经血管老化特征，这些特征无法通过单一特征单独捕捉到。具有区分能力的活动从颞叶皮层向额顶叶皮层的空间转移表明，老化主要影响听觉-语义功能。

未引用的参考文献

[49], [50], [51], [52]

CRediT作者贡献声明

王松健：撰写——初稿、可视化、方法论设计。刘毅：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法论设计、数据管理、概念构建。丁俊华：撰写——审稿与编辑、验证、方法论设计。卢静：撰写——审稿与编辑、验证、数据管理。王硕：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、监督、资金筹集、概念构建。王媛：验证、数据管理。寇诺楠：撰写——

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。