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意识障碍(disorders of consciousness,DoC)是指各种严重脑损伤导致的意识丧失状态，如昏迷、植物状态和微意识状态。慢性意识障碍(prolonged DoC,pDoC)是指意识丧失超过28天的意识障碍。《慢性意识障碍诊断与治疗中国专家共识》中提到对pDoC进行神经影像学评估主要是磁共振(MRI)和正电子发射计算机断层显像(PET)两大途径，下面介绍的这项研究则基于功能性近红外光谱成像技术(fNIRS)借助运动想象任务评估pDoC患者的残余认知能力，也许fNIRS能够为pDoC的辅助诊断带来不一样的影像学视角。实验流程
该研究[1]共纳入了14-66岁的19名pDoC患者，使用昏迷恢复量表修订版(CRS-R)评估意识障碍水平将之分为无反应觉醒综合征组(UWS)(n=10)和最低意识状态组(MCS)(n=9)。使用48通道国际主流的两波长fNIRS设备收集认知任务和主动命令驱动的网球运动想象任务(MI)期间被试前额叶皮层(PFC)、初级运动皮层(MC)和初级感觉运动皮层(SC)氧合血红蛋白(HbO)、脱氧血红蛋白(HbR)浓度变化值，通道距离为3cm，通道排列如下图。并在测量前及测量后6个月进行CRS-R评估。图1：b、通道排布图，红色为光源，蓝色为光源接收器；实验范式
研究中对被试进行6次(Q1-Q6)时空相关(是否理解实验流程、季节、姓名、职业、家人等)提问，被试回答“是”则进行第一视角羽毛球运动想象任务，回答“否”则保持放松。实验采用block设计，每个提问后4个block，基线期30秒，每个block 30秒，恢复期30秒。为防止被试疲劳，每个问题之间允许被试休息5分钟。由于听觉通路在意识障碍患者中是相对保存较好的信息输入通道，每个问题使用听觉指令（“开始回答”和“保持放松”）进行伪随机呈现。（实验流程如下图）。
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数据分析
使用Homer 2对fNIRS数据进行预处理，再采用t检验和ANOVA比较两组患者的血流动力学响应差异，最后将血流动力学响应与CRS-R量表评分进行相关性分析以评估血流动力学响应与认知能力的关系。![]()
研究结果
1、MCS和UWS组在血流动力学响应的时空分布上存在显著差异（图3）。在MCS组中，“是”的回答（有运动想象）会引起各皮层的平均HbO浓度的持续上升，在任务结束后会缓慢恢复至基线水平，这与典型的血流动力学响应相似。“否”的回答（无运动想象）对三脑区平均HbO浓度影响较小。在整个任务中，两组HbR浓度无明显变化。![]()
图3：MI任务期间，MCS组和UWS组的平均(a)HbO和(b)HbR浓度。红线和蓝线分别表示MCS组对“YES”和“NO”问题的血流动力学反应。紫红色线和天蓝色线分别表示UWS组对“YES”和“NO”回答的血流动力学反应。前额叶皮层(PFC),初级运动皮层(MC)，初级感觉运动区(SC)，L代表左侧，R代表右侧，M代表内侧
2、在MCS组中，对于MI任务中“是”的回答，HbO浓度均值和斜率值显著增加。而在UWS组中，MI任务未引起明显的脑功能激活。此外，MCS组的脑功能激活明显高于UWS组，其HbO浓度均值和斜率值更高，尤其在初级MC、初级SC和PFC内侧区域。图4：任务期间MCS和UWS组之间血流动力学反应的(a)平均值和(b)斜率的变化。Y是“是”，N是“否”。*：P<0.05，**：P<0.001.前额叶皮层(PFC),初级运动皮层(MC)，初级感觉运动区(SC)，L代表左侧，R代表右侧，M代表内侧
3、MCS组，左侧MC和SC脑区HbO浓度平均值与基线期CRS-R评分之间呈正相关(p<0.05)。斜率值与基线期CRS-R评分无显著性相关。图5：MCS患者血流动力学反应的平均值(a)和斜率(b)与基线期CRS-R评分的相关结果4、两组总分、视觉、听觉和运动功能评分均有一定程度提高。MCS组CRS-R总分显著高于UWS组(p＜0.008)。MCS组在听觉(p=0.058)、视觉(p=0.007)和运动(p=0.059)三项得分均高于UWS组。![]()
图6：两组在不同阶段CRS-R评分比较
T1：fNIRS记录前CRS-R评估
T2：fNIRS记录后6个月进行CRS-R评估
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研究结论该研究证实了fNIRS结合主动命令驱动运动想象任务范式在检测pDoC患者的残余意识方面具有可行性和可用性。同时也说明fNIRS技术和主动命令驱动的运动想象任务范式为慢性意识障碍患者的临床诊断、治疗和预后评估提供指导和支持。此外，基于fNIRS的脑机接口有可能帮助患者与外界进行基本沟通，并提高对行为无反应的患者的诊断准确性。
☞ 参考文献：
[1] Si J, Yang Y, Xu L, Xu T, Liu H, Zhang Y, Jing R, Li J, Wang D, Wu S, He J. Evaluation of residual cognition in patients with disorders of consciousness based on functional near-infrared spectroscopy. Neurophotonics. 2023 Apr;10(2):025003. doi: 10.1117/1.NPh.10.2.025003. Epub 2023 Apr 12. PMID: 37064779; PMCID: PMC10091901.
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