利用功能性近红外光谱技术评估脑-心互联的衰老相关变化

《Clinical Neurophysiology》：Assessing aging-related changes of the brain-heart interconnection using functional near-infrared spectroscopy

　　

目的：大脑与心脏通过自主神经系统控制的脑-心交互(BHI)相互关联，且易受衰老及认知障碍导致的缺陷影响。在此，研究人员研究了功能性近红外光谱(fNIRS)与心率(HR)信号的小波幅值及相位相干性（小波相位相干，WPC），以探究在执行双重任务(DT)功能时，BHI的衰老相关改变。方法：招募了22名健康年轻人(HY)、15名认知正常(CN)老年人及7名患有轻度认知障碍(MCI)的老年人。fNIRS通道覆盖额叶及顶叶区域。参与者执行一项涉及同步肘屈伸与倒数计数的上肢功能(UEF)双重任务。结果：老年人的小波相干性显著大于年轻人(p < 0.032)，而MCI参与者的小波相干性显著小于CN老年人(p < 0.022)。在大多数脑区，MCI老年人的WPC显著低于CN老年人(p < 0.019)。结论：结果表明，通过比较fNIRS与HR信号的相干性测量指标，BHI可能随衰老及认知障碍而发生改変。意义：目前的发现可作为针对衰老及认知障碍引起的自主神经功能改变的筛查方法加以实施。

论文解读：利用功能性近红外光谱技术评估脑-心互联的衰老相关变化

研究背景与动机

随着全球老年人口的增加，理解衰老对身体尤其是神经和心血管系统的影响已成为医疗保健领域的核心议题。衰老直接影响大脑的结构和神经信号通路，导致年龄相关的认知能力下降。轻度认知障碍(MCI)是痴呆症的前兆，早期检测和治疗至关重要。传统的认知评估主要依赖问卷（如MoCA、MMSE），而客观的脑成像技术（如fMRI、EEG、fNIRS）虽能提供功能变化的洞察，但在动态任务中的应用仍具挑战性。fNIRS因其设置快捷、无需凝胶且支持动态任务，近年来在评估皮质变化时日益普及。同时，心血管系统随衰老出现结构和功能退化，表现为心率变异性(HRV)降低，且心血管疾病常与认知能力下降并发。脑-心交互(BHI)通过自主神经系统连接大脑与心脏，其失调可能导致严重健康缺陷。因此，研究BHI在衰老及认知障碍中的变化，开发非侵入性、快速的筛查工具，成为本研究的核心动机。本研究发表于《Clinical Neurophysiology》。

关键技术方法

本研究采用双重任务(DT)范式，结合上肢功能(UEF)测试（同步肘屈伸与倒数计数）与fNIRS及心电图(ECG)监测。样本队列包括22名健康年轻人(HY)、15名认知正常(CN)老年人及7名MCI老年人。fNIRS设备覆盖额叶和顶叶的22个通道，ECG用于提取心率(HR)信号。数据处理采用小波变换计算fNIRS与HR信号的幅值平方相干及小波相位相干(WPC)，频率范围限定为0.05–0.12 Hz以匹配血流动力学响应。统计分析使用协方差分析(ANCOVA)，控制BMI、性别及基线HR等因素，并通过FDR校正多重比较。

研究结果

1. 参与者人口统计学特征

研究共纳入44名参与者，HY组平均年龄25.5岁，CN组72.3岁，MCI组71.1岁。各组间年龄无显著差异（除HY与CN外），BMI在HY与CN间存在差异，MCI组的MoCA评分显著低于其他两组，验证了分组有效性。

2. 心率与心率变异性结果

ECG衍生指标显示，衰老相关差异存在于所有HR和HRV结果中（p < 0.0404），表现为HY组HR及HRV显著高于CN组，而CN与MCI组间无显著差异。这表明衰老显著影响心脏自主神经调节，但MCI未进一步加剧此效应。

3. 小波相干性结果

CN老年人的小波相干性在总通道平均及初级感觉、视觉运动、运动区域显著高于HY对照组（p < 0.0322）。相比之下，MCI参与者的相干性在所有通道分组中均显著低于CN老年人（p < 0.0280），除前额叶皮层(PFC)外。这提示BHI的幅值同步性随衰老增强，但MCI导致广泛下降。

4. 相位差与小波相位相干(WPC)结果

相位角差异在各组间无显著性，但WPC分析显示，MCI组在初级感觉、运动、眼动前区及背外侧PFC的相位相干性显著低于CN组（p < 0.0185）。HY与CN组间WPC无差异。这表明MCI损害了脑-心系统的相位同步机制，而非单纯的时间延迟。

讨论与结论总结

讨论部分总结

研究发现，CN老年人的fNIRS-HR小波相干性高于HY对照组，可能反映衰老过程中为应对双重任务成本而激活的代偿机制，即更高效的生理资源管理或系统同步化。相比之下，MCI患者表现出最低的相干性，归因于神经网络退化及信息传递中断，削弱了代偿能力。区域特异性分析显示，背外侧PFC、运动及感觉区域的变化显著，与这些区域在工作记忆、运动控制及感觉反馈中的角色一致。前额叶皮层(PFC)未发现差异，可能与任务诱导的资源重分配有关。此外，脑自动调节功能及中枢自主网络(CAN)的失调可能是相干性改变的基础，尤其在衰老和认知障碍背景下。WPC作为相位同步指标，对MCI的敏感性高于单纯相位角，支持其作为认知障碍生物标志物的潜力。临床应用中，DT UEF测试结合fNIRS与HR监测提供了一种非侵入、快速的BHI评估平台，优于传统行走基测试，适用于行动不便人群。局限性包括MCI样本量较小及fNIRS空间分辨率有限，未来需扩大队列并整合多模态成像验证。

结论部分翻译

利用双重任务(DT)的相干性分析结合fNIRS和HR，展示了一种量化脑-心交互(BHI)并探究衰老、认知障碍及其他疾病导致其关系改变的方法。研究人员观察到，CN老年人的fNIRS-HR相干性显著高于HY对照组，而MCI组的相干性显著低于CN组。此外，相位角相干分析表明，MCI老年人的小波相位相干(WPC)显著降低，表明脑心系统相位同步性的改变。这些观察可能源于脑心间交感-副交感神经活动调节能力的差异，以及脑血流自动调节能力的差异，这两者均可受脑部和/或心脏疾病状态的影响。本工作建立了一种基于小波变换的fNIRS和ECG技术监测BHI的分析方法和途径，并基于相干性测量评估了衰老和认知障碍对BHI的影响。