認(rèn)知障礙導(dǎo)致的腦功能熵差異：雙任務(wù)條件功能性近紅外光譜測(cè)量的應(yīng)用

背景介紹
在醫(yī)學(xué)與神經(jīng)科學(xué)的交叉領(lǐng)域中，認(rèn)知障礙的研究一直是焦點(diǎn)話題。隨著全球老齡化進(jìn)程的加速，癡呆癥的患病率急劇攀升。據(jù)估計(jì)，到 2022 年，僅美國(guó)就約有 650 萬(wàn)癡呆癥患者。而輕度認(rèn)知障礙（MCI）作為癡呆癥的前驅(qū)階段，準(zhǔn)確診斷并及時(shí)干預(yù)對(duì)患者意義重大。然而，MCI 臨床表現(xiàn)的異質(zhì)性，給臨床診斷帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。

阿爾茨海默病（AD）和輕度認(rèn)知障礙（MCI）的病理特征包括神經(jīng)元死亡、突觸減少和腦網(wǎng)絡(luò)連接減弱（如前額葉皮層），會(huì)導(dǎo)致腦功能復(fù)雜性降低。腦功能熵（如多尺度熵 MSE）可量化這種腦功能復(fù)雜性：低熵值反映信號(hào)規(guī)律性增強(qiáng)、適應(yīng)性下降，與病理狀態(tài)直接相關(guān)。而健康大腦則表現(xiàn)出高熵值，以信號(hào)多樣性和適應(yīng)性強(qiáng)為代表。
 

近期，一項(xiàng)題為“Differences in brAIn function entropy due to cognitive impairment: Application of functional near infrared spectroscopy measures during dual-tasking”的文章，報(bào)告了通過(guò)使用功能性近紅外光譜技術(shù)（fNIRS），分析不同認(rèn)知狀態(tài)人群（健康年輕人、認(rèn)知正常老年人、輕度認(rèn)知障礙 / 早期阿爾茨海默病患者）在雙任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中腦功能熵的差異，探討了腦活動(dòng)復(fù)雜性作為認(rèn)知障礙篩查生物標(biāo)志物的潛力。

研究方法
本研究招募了83名被試，其中30歲以下為健康年輕組（HY），大于65歲被試基于蒙特利爾認(rèn)知評(píng)估（MoCA）得分被分為兩組，得分≥24分者視為正常組（CN），得分<24分者視為MCI/AD組。數(shù)據(jù)測(cè)量使用功能近紅外設(shè)備采集，光極分布如圖2。

所有被試需要完成三種任務(wù)。其一是計(jì)數(shù)任務(wù)（Counting Task），要求被試從一個(gè)三位數(shù)開(kāi)始，進(jìn)行連續(xù)減3運(yùn)算，且要求無(wú)肢體運(yùn)動(dòng)；其二是屈臂任務(wù)（Flexion Task），讓被試以自行選擇的恒定速度反復(fù)屈伸右臂，研究者會(huì)記錄整個(gè)任務(wù)期間的手臂屈伸次數(shù)，用于評(píng)估運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)一致性；最后是雙任務(wù)（Dual Task），被試需同時(shí)執(zhí)行計(jì)數(shù)任務(wù)和屈臂任務(wù)，即一邊從三位數(shù)開(kāi)始連續(xù)減 3 運(yùn)算，一邊以恒定速度屈伸右臂。研究者同樣記錄手臂屈伸次數(shù)，考察多任務(wù)處理時(shí)的認(rèn)知 - 運(yùn)動(dòng)整合能力。每項(xiàng)任務(wù)前后各有 3 分鐘休息時(shí)間（rest）。

研究者對(duì)預(yù)處理后的氧合血紅蛋白（HBO）信號(hào)時(shí)間序列作多尺度熵（MSE）計(jì)算，并計(jì)算MSE曲線下面積（AUC），作為綜合復(fù)雜性指標(biāo)。
 

圖2. 近紅外光極排布以及對(duì)應(yīng)腦區(qū)

研究結(jié)果
腦功能熵在哪種任務(wù)下最能反映認(rèn)知狀態(tài)的差異
研究者假設(shè)腦活動(dòng)信號(hào)復(fù)雜性與認(rèn)知狀態(tài)有關(guān)，主要回答了腦功能熵在哪種任務(wù)下最能反映認(rèn)知狀態(tài)的差異。 圖3展示了在雙任務(wù)條件下，三組（HY vs. CN vs. MCI/AD）不同認(rèn)知狀態(tài)被試的所有通道的平均 AUC 值存在差異，靜息條件則不存在這種差異。并且，雙任務(wù)條件通過(guò)AUC結(jié)果傳遞了最多用于區(qū)分組間差異的顯著結(jié)果（見(jiàn)原文表2）。基于當(dāng)前結(jié)果，與其他任務(wù)類型相比，雙任務(wù)可能是使用功能近紅外光譜（fNIRS）篩查認(rèn)知障礙的最佳機(jī)制。
 

圖3. 靜息（rest）和雙任務(wù)（Dual-Task）條件下各組所有通道的平均 AUC 值。三組間（HY vs. CN vs. MCI/AD）的顯著差異以星號(hào)（* 表示p<0.05）標(biāo)注，兩組間（CN vs. MCI/AD）的顯著差異以雙十字號(hào)（?）標(biāo)注

哪些腦區(qū)受認(rèn)知障礙影響
當(dāng)比較三組（健康青年 HY、認(rèn)知正常 CN、MCI/AD）時(shí)，雙任務(wù)的 AUC 結(jié)果在所有通道的平均值以及初級(jí)感覺(jué)區(qū)、視覺(jué)運(yùn)動(dòng)區(qū)、前額葉前部（aPFC）和背外側(cè)前額葉皮層（dlPFC）附近的通道中存在顯著差異（見(jiàn)原文表 2）。當(dāng)僅比較 CN 組和 MCI/AD 組時(shí)，雙任務(wù)的 AUC 結(jié)果顯示，所有通道的平均值以及初級(jí)感覺(jué)皮層（感覺(jué)皮層區(qū)域）、aPFC 和 dlPFC 附近的通道存在顯著差異（見(jiàn)原文表 2）。

討論與展望
本研究表明雙任務(wù)范式是利用 fNIRS 篩查認(rèn)知障礙的有效工具，其優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)疊加運(yùn)動(dòng)與認(rèn)知需求，放大了不同認(rèn)知狀態(tài)人群的腦功能差異。未來(lái)研究可進(jìn)一步優(yōu)化任務(wù)設(shè)計(jì)，結(jié)合縱向追蹤，探索這些腦區(qū)在疾病進(jìn)展中的動(dòng)態(tài)變化，為 AD 早期診斷提供更精準(zhǔn)的生物標(biāo)志物。

原文鏈接
Kelsi Petrillo, Hossein Ehsani, Kubra Akbas, Meenakshi Dagar, Nima Toosizadeh, Differences in brain function entropy due to cognitive impairment: Application of functional near infrared spectroscopy measures during dual-tasking, International Journal of Psychophysiology, 211, 2025, 112558, 0167-8760.

https://doi.org/10.1016/j.ijpsycho.2025.112558

研究團(tuán)隊(duì)介紹
本研究是由美國(guó)羅格斯大學(xué)健康職業(yè)學(xué)院康復(fù)與運(yùn)動(dòng)科學(xué)系，健康神經(jīng)學(xué)系以及腦健康研究所，與亞利桑那大學(xué)醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)系合作完成。

關(guān)于維拓啟創(chuàng)
維拓啟創(chuàng)（北京）信息技術(shù)有限公司成立于2006年，是一家專注于腦科學(xué)、康復(fù)工程、人因工程、心理學(xué)、體育科學(xué)等領(lǐng)域的科研解決方案供應(yīng)商。公司與國(guó)內(nèi)外多所大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)長(zhǎng)期保持合作關(guān)系，致力于將優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品、先進(jìn)的技術(shù)和服務(wù)帶給各個(gè)領(lǐng)域的科研工作者，為用戶提供有競(jìng)爭(zhēng)力的方案和服務(wù)，協(xié)助用戶的科研工作，持續(xù)提升使用體驗(yàn)。相