《Frontiers in Neurology》：Measuring prefrontal brain activity during verbal fluency tasks using functional near infrared spectroscopy
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本研究通过功能近红外光谱（fNIRS）技术，在英语母语非临床样本中，对比了字母流畅性（LF）与语义流畅性（SF）任务诱发的前额叶皮层（PFC）激活差异。研究揭示LF任务更依赖前额叶前部资源，而SF任务则与左后侧PFC活动更相关，为理解两种任务背后的神经机制提供了新的证据，并探讨了fNIRS在结合认知测验进行临床鉴别诊断中的应用潜力。
引言
语言流畅性（VF）是常见的神经心理学测试，用于评估执行功能、语言和处理速度。其主要包括字母流畅性（LF，要求尽快说出以特定字母开头的单词）和语义流畅性（SF，要求尽快说出属于某类别（如动物）的单词）。尽管两者都涉及执行功能和语言能力，但其认知和神经解剖关联存在差异。传统上，LF被认为与更前额叶和执行功能模式相关，而SF则被认为与颞叶和语言功能更相关。先前研究在对比两种任务时，尚未在英语母语人群中展开。本研究旨在通过功能近红外光谱（fNIRS）技术，在英语母语非临床人群中，比较LF和SF任务在前额叶皮层（PFC）的皮层激活模式，以阐明PFC在VF任务中的作用，并探索其临床应用前景。fNIRS是一种利用近红外光探测大脑皮层区域血流动力学变化的功能性成像方法。
方法
本研究招募了26名年龄在18-23岁、英语为母语、无神经系统疾病的大学生参与者。他们完成了随机排序的3个LF任务（字母F, A, S）和3个SF任务（动物、水果、职业），每个任务时长60秒。在任务开始前和全部任务结束后，分别采集了30秒的静息态基线数据。
使用配备了短通道探测器的NIRSport2 fNIRS系统，依据标准国际10-10解剖标志系统，在PFC区域布放了8个光源和7个探测器，形成了20个标准间隔通道和7个短探测通道的蒙太奇。
数据通过Satori软件进行预处理，包括转换为光密度、剔除异常值、基于头皮耦合指数（SCI）剔除通道、使用时序导数分布修复（TDDR）校正运动伪影、转换为浓度数据、截取和z-变换标准化。
统计分析采用多研究一般线性模型（GLM），将条件方波时间过程与经典的双伽马血流动力学响应函数（HRF）卷积创建预测因子。GLM包含三个对比模块：（1）对比静息态与所有VF任务块之间的总氧合血红蛋白（ΔHbO）和脱氧血红蛋白（ΔHbR）变化；（2）直接对比三个SF任务块与三个LF任务块。统计显著性阈值设为未校正的p< 0.001。此外，还通过配对样本t检验分析了LF和SF任务在生成单词数量上的表现差异。
结果
- 1.
VF行为结果：LF任务（每试次平均13.54个词）和SF任务（每试次平均14.17个词）在生成单词数量上无显著差异（p= 0.42），表明两种任务的认知表现相近。
- 2.
VF与基线对比结果：与静息基线相比，LF和SF任务均引起了PFC的广泛激活。在ΔHbO方面，LF的20个通道和SF的18个通道均显示出显著增加（p< 0.001）；在ΔHbR方面，LF的19个通道和SF的19个通道显示出显著降低（p< 0.001），表明在执行两种VF任务时，PFC存在广泛的激活。
- 3.
LF与SF对比结果：LF和SF任务在PFC的激活模式上存在显著差异。在20个通道中，有18个通道的ΔHbR存在显著差异（p< 0.001）。其中，SF的ΔHbR在8个通道中更低，这些通道主要集中在左后部PFC；而LF的ΔHbR在10个通道中更低，主要位于前部PFC和右侧PFC。在ΔHbO对比中，20个通道中有16个存在显著差异（p< 0.001），其中11个通道在LF任务期间ΔHbO更高（主要在左侧PFC），5个通道在SF任务期间ΔHbO更高（主要在右前部）。贝塔值分析进一步显示，LF效应值最大的区域位于前部PFC和左后部PFC，而SF效应值最大的区域主要位于右后部和中部后部PFC。
讨论
本研究表明，VF任务可广泛激活PFC，这与VF所需的工作记忆、处理速度、组织和认知灵活性等执行功能相吻合。同时，LF和SF任务在PFC激活上存在任务依赖性的差异。具体而言，LF任务与前额叶前部资源关联更紧密，而SF任务则与后部PFC（特别是左后部）资源关联更紧密。这种前后差异与PFC功能特化的相关发现一致。LF需要更多的执行功能努力，这可能解释了其与前部PFC更强关联的原因；而SF与后部PFC的关联则可能反映了其更强的语言和语义检索需求。
在临床意义上，这些结果提示，SF任务表现不佳不能单纯归因于颞叶功能障碍，额叶系统也可能参与其中。即使在LF得分高而SF得分低的情况下，额叶系统仍可能牵涉其中。这为理解阿尔茨海默病等疾病的鉴别诊断提供了更精细的视角。此外，研究展示了fNIRS作为一种相对廉价、便携的脑活动测量工具，与认知测试结合在临床评估（如评估额叶功能障碍）中的应用潜力，可提高诊断特异性和对皮层整体功能的概念化理解。
未来方向与结论
本研究的局限性在于样本量小且同质性强（主要为女性）。未来研究应考虑更大、更多样化的样本，并尝试将fNIRS的探测范围扩展到颞叶等更多与VF相关的皮层区域。此外，本研究使用解剖标志而非电子3-D空间配准来放置光极，可能降低了跨被试脑区检测的一致性和特异性。
总之，本研究通过fNIRS技术证实了LF和SF任务在英语母语非临床人群的PFC中存在差异化的激活模式：LF更偏前部，SF更偏后部。这些发现增进了对VF任务神经机制的理解，并支持了fNIRS在临床认知评估中作为一种有价值的辅助工具的潜力。
