本文為慧創學術研究部對使用慧創近紅外設備進行研究發表的論文的歸納整理，旨在讀者更方便地閱讀和高效率理解，讓fNIRS更好服務于科研和臨床各種應用。盡管我們在本文的結構和文字上都做了很大的努力，但仍會有不盡如人意之處。如需獲取全文，可點擊文末鏈接或索引DOI編碼。
深圳大學張丹丹教授課題組牽頭，使用慧創便攜式近紅外設備NirSmart以及視頻監控系統和多導睡眠儀進行了多模態近紅外腦功能成像研究，其成果發表于《Nature Human Behaviour》。
研究結果揭示了支撐音素感知和元音辨別的出生后快速發展的神經機制，提供了新生兒大腦額下區和顳上區激活和功能連接增加的證據。通過跟蹤與語音獲取相關的神經動力學，有利于更好地了解有神經發育障礙風險的新生兒。
該發現挑戰了當今發展語言學的主流觀點，即人類對語音的感知和分辨能力是與生俱來的。這一研究為感覺、運動和體感腦區之間的神經連接是先天的這一假設提供了直接證據，促進了對新生兒音位辨別的相關研究。
01
研究背景
新生兒在出生后幾小時內就有明顯的語言敏感性和處理復雜言語刺激的能力。我們理解新生兒語言能力的一個重要方面是音素辨別，例如區分元音和音節。
新生兒在出生時就能辨別大多數語言中的音素，然后在最初幾個月“調整”其母語中使用的特定音素類別。雖然嬰兒早期的元音辨別已經被證明，但關于出生后立即進行語音學習的神經機制和動力學研究較少。
本研究使用功能性近紅外光譜技術(fNIRS)首先評估新生兒出生后3小時內的音素知覺，然后測量在接下來7小時內暴露于前向和后向元音引起的神經可塑性變化。
與其它新生兒檢測兼容的非侵入性方法，如腦電圖(EEG)相比，NIRS具有相對較高的空間分辨率。它的高運動容忍度使它非常適合測試年齡很小的嬰兒。
02
研究方法
被試：75例健康足月新生兒（38例，男，胎齡38-41周，平均39.0±0.7周）在出生后1-3小時內（平均=2.1±0.4小時）隨機分為實驗組(n=25)、主動對照組(n=25)和被動對照組(n=25)。
實驗程序：實驗在中國北京大學第一醫院新生兒病房進行。新生兒出生狀態穩定后與母親分開，被運送到專用的檢測室。聽覺刺激通過放置在新生兒左右耳20厘米處的一對揚聲器呈現，聲壓級為55至60分貝，平均背景噪聲強度為30分貝。
當新生兒處于安靜的警覺狀態或自然睡眠狀態時進行NIRS記錄，在記錄過程中哭泣超過2分鐘的新生兒被排除在分析之外。分別于實驗開始時(T0,基線）、5小時后(T1)和再2小時后(T2)記錄fNIRS數據。訓練包括暴露在前向和后向的刺激組塊下，隨機呈現一組自然發音或反向播放的特定元音。在鞏固階段，新生兒被試處于休息狀態，沒有接受任何刺激。
NIRS數據記錄：使用NirSmart系統（丹陽慧創），在T0、T1和T2以連續波采集NIRS數據，該系統包括20個激光發射器（平均強度=每波長2 mW）和16個對兩個波長（760和850 nm）敏感的光節點（光探測器）。
光節點均勻地分布在頭皮上，特別是覆蓋了顳葉和額葉，并按照國際10/5系統設置在與NIRS-EEG兼容的直徑34厘米的帽子（EASYCAP）中。共有52個通道（兩半球對稱），光源和探測器的平均距離為2.3cm。數據以10Hz的采樣率連續記錄。
▲實驗程序
03
研究結果和結論
氧合血紅蛋白濃度幅值分析。實驗組在前、后元音條件下氧合血紅蛋白[HbO]的差異大于主動對照組，訓練后、鞏固后評估與訓練后、鞏固前評估相比差異較大。雙側對稱分布在雙側顳上和邊緣上(SM)區域最大，在左側頂下區(IP)稍強。
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▲氧合血紅蛋白平均振幅結果
氧合血紅蛋白濃度峰值分析。與主動對照組相比，實驗組中與前向和后向元音刺激相關的[HbO]峰值潛伏期的差異更大，訓練后評估與訓練前評估的差異很大，雙側額下區的前向分布最大。
▲氧合血紅蛋白峰值潛伏期結果
功能連通性分析。發現第一被試組對比（被動對照組vs均值（主動對照組，實驗組））和第二階段對比(T1 vs T2)之間顯著的兩因素交互作用，表明接受聽覺訓練的兩組被試連接強度增加，特別是在睡眠后。在32對通道中，這種交互作用在未經校正的α=0.05時顯著，通常涉及左側額下（IF）區，左側顳上（ST）區，右側額下區和右側顳上區。
▲ 功能連接結果
與對照組相比，實驗組嬰兒在T1時前元音和后元音的血流動力學反應潛伏期較短，在額下區出現最大值。在T2時，神經活動有不同程度的增加，在顳上區和左側頂下區出現最大值。因此，在出生最初幾個小時內，新生兒表現出了對自然音素的快速調整。
本研究揭示了支撐音素感知和元音辨別的出生后快速發展的神經機制，提供了新生兒大腦額下區和顳上區之間激活和功能連接增加的證據，這個網絡讓人聯想到在發展的后期階段參與發聲模仿的網絡。
通過跟蹤與語音獲取相關的神經動力學，有利于更好地了解有神經發育障礙風險的新生兒。然而神經特異化（例如左側化）是如何將原始的言語習得網絡轉變為完全可操作的語言感知和產生系統的，還需要進一步研究來揭示。
論文鏈接：Wu, Y. J., Hou, X., Peng, C., Yu, W., Oppenheim, G. M., Thierry, G., & Zhang, D. (2022). Rapid learning of a phonemic discrimination in the first hours of life. Nature Human Behaviour, 1-11.
DOI:10.1038/s41562-022-01355-1
https://www.nature.com/articles/s41562-022-01355-1