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权威期刊 npj Parkinson’s Disease丨探究用于帕金森病和健康老年人辅助运动区训练的fNIRS引导神经反馈

权威期刊 npj Parkinson’s Disease丨探究用于帕金森病和健康老年人辅助运动区训练的fNIRS引导神经反馈

导语
《npj Parkinson’s Disease》最新研究:基于NIRx fNIRS设备的神经反馈系统,首次实现对帕金森病患者及健康老年人辅助运动区运动想象训练的实时监测与反馈。
文末有原文分享!

01
研究背景
帕金森病以黑质多巴胺能神经元退变为特征,患者常表现为震颤、运动迟缓、僵硬等运动障碍。除基底节外,辅助运动区(SMA)——一个在运动计划、序列学习和步态控制中起关键作用的皮层区域——也受到显著影响。近年来,神经反馈训练(NFB)结合运动想象(MI)成为一种极具潜力的非药物干预手段。NFB通过实时反馈大脑活动,帮助个体自主调节特定脑区的功能。已有研究利用fMRI实现了帕金森病患者SMA活动的自我调节,并观察到临床症状的改善。然而,fMRI成本高、环境受限、不适用于部分患者(如有深部脑刺激植入者)。fNIRS作为一种便携、低成本、抗运动干扰的光学成像技术,成为极具吸引力的替代方案。那么,fNIRS能否有效引导帕金森病患者进行SMA的神经反馈训练?这一问题尚缺乏系统研究。

这正是本研究要解决的核心科学问题。

02
实验方法
本研究采用三组、多会话、探索性实验设计,首次在帕金森病患者中验证fNIRS引导的MI-NFB系统。
图1 实验装置及实验期间卫生措施示意图。
受试者
  • PD-NFB组:18名帕金森病患者
  • NFB组:18名健康老年人(年龄、性别与PD组匹配)
  • noNFB组:18名健康老年人(无反馈对照组)

三组均完成4次训练(每次间隔1–7天),PD和NFB组接受真实的fNIRS神经反馈,noNFB组仅进行运动想象,无反馈。

实验流程
每次训练包括以下阶段:

  • PRE:10次MI无反馈(基线)
  • S1–S4:24次MI训练(有/无反馈)
  • POST:10次MI无反馈(维持阶段)

参与者需想象包含双臂和双腿的全身运动(如游泳、北欧式行走、开合跳),强调本体感觉(kinesthetic)想象,而非视觉想象。

图2 刺激源、实验设置及实验环节概述。(a)展示了本研究期间开展的四次训练课程,并详细说明了每次课程中具体执行的任务流程。虚线框表示本研究仅分析了运动想象(MI)任务的执行过程。(b)展示了用于基线测量、左右侧运动执行任务以及运动想象任务的视觉刺激图像,这些图像在任务执行期和休息期均显示有或无神经反馈(NFB)效果。(c)展示了所有实验环节统一采用的任务结构:先进行持续15–20秒的伪随机抖动式休息期,随后进入15秒的任务执行阶段。(d)展示了本研究使用的性别化俯视图像示例,分别呈现女性和男性头部的俯视视角。
fNIRS神经反馈系统
  • 设备:NIRSport2(NIRx
  • 通道:24个常规距离通道(~3 cm)+ 8个短距离通道(0.8 cm),覆盖双侧M1与SMA
  • 反馈信号:脱氧血红蛋白变化(Δ [HbR]),经短距离通道回归去除全身干扰
  • 反馈显示:SMA区域7个通道以彩色多边形实时呈现,颜色越红表示脱氧血红蛋白下降越显著(即脑活动增强)
数据采集与处理
  • fNIRS:10.17 Hz采样,实时GLM处理,离线分析包括运动伪影校正(TDDR)、短距离通道回归、HRF建模
  • EMG:四通道肌电记录(双臂/双腿),用于排除实际运动干扰
  • 统计分析:非参数Wilcoxon检验 + FDR多重比较校正,提取SMA区域7个通道中位beta值
03
实验结果
健康对照组(NFB vs. noNFB):反馈显著增强SMA活动

  • NFB组在S1–S4训练阶段表现出比noNFB组更强的SMA激活(Δ[HbR])
  • 组间比较:S1、S3、S4训练阶段,NFB组的Δ[HbR]显著强于noNFB组(p < 0.05)
  • 组内比较:NFB组在S3阶段的Δ[HbR]显著强于PRE(p < 0.05),noNFB组无显著变化

这表明:单纯运动想象效果有限,神经反馈是推动SMA活动增强的关键因素。

帕金森病组(PD-NFB vs. NFB):患者同样能够使用fNIRS-NFB系统

  • PD-NFB组在训练阶段SMA活动(Δ[HbR])整体呈增强趋势,但统计上未达到显著水平
  • 无显著组间差异:PD-NFB组与健康NFB组在所有训练阶段的Δ[HbR]均无显著差异
  • 高个体变异性:部分PD患者表现出明显的训练效应,部分患者反应较弱

这说明:帕金森病患者在群体水平上与健康老年人的NFB表现无显著差异,但个体差异大,需要优化训练策略。

主观控制感 vs. 实际神经信号
  • 绝大多数参与者(健康与PD)报告对神经反馈“可控”或“非常可控”
  • 但Δ[HbR]信号显示出较高的个体间和个体内变异性
  • 进一步分析发现:在大多数训练阶段,至少有一个SMA通道表现出预期的负向Δ[HbR](即活动增强),但“最佳通道”在不同训练阶段常发生切换

这提示:多通道反馈可能增强用户的主观控制感,但也增加了神经反馈训练的复杂度。

阴性结果的潜在意义
  • PD-NFB组在POST阶段(无反馈)活动回落至基线水平,提示短期训练效果可能尚未稳固
图3 展示了两次实验运行(PRE、S1-S4、POST)中∆[HbO](a、b)和∆[HbR](c、d)的中位β值可视化结果。
图4 展示了NFB组与 PDNFB 组在全部四次训练课程(S1-S4)中NFB可控性自我评估的结果示意图。五个回答选项及其对应的颜色编码显示于右上角。
图5 展示了两次实验运行(PRE、S1-S4、POST)中∆HbO(a)和∆HbR(b)的个体β值可视化结果。
图6 不同实验运行(PRE、S1-S4、POST)中∆[HbO](a)和∆[HbR](b)的个体β值可视化结果。
图7 跨受试者平均β脑图的可视化展示。
表1 简化版(noNFB、NFB及PD-NFB组的统计结果)
表2显示了三组(PD-NFB组、NFB组和noNFB组)的人口统计学特征,包括年龄、性别以及MoCA量表和 KVIQ -10量表(首次评估时的视觉与动觉功能障碍评分)。
  • 未观察到Δ[HbO](氧合血红蛋白)的显著可训练性,说明Δ[HbR]对NFB更为敏感,这与以往研究一致
04
实验结论
核心发现
本研究首次在帕金森病患者中验证了fNIRS引导的SMA神经反馈训练系统的可行性:

  • 健康老年人:fNIRS-NFB显著增强SMA活动,优于单纯运动想象
  • 帕金森病患者:在群体水平上与健康老年人表现无显著差异,证实了该方法的普适潜力
  • 多通道反馈:有助于提升用户主观控制感,但个体间变异性大,需个性化优化
临床与科研启示
  • 非药物康复新路径:fNIRS-NFB为无法耐受药物副作用或不宜进行fMRI的患者提供了可及的居家康复可能性
  • Δ[HbR]作为反馈信号:本研究支持使用脱氧血红蛋白作为反馈目标,挑战了传统以氧合血红蛋白为主的惯例
  • 个体差异不可忽视:未来需结合基线活动水平、药物状态(多巴胺能药物对强化学习的调节)及神经解剖差异,设计个性化训练方案
研究局限性
  • 无PD对照组(如PD患者无反馈或假反馈),无法完全分离反馈特异性效应
  • 无运动功能评估(如MDS-UPDRS),尚不能直接证明临床症状改善
  • 缺乏个体MRI引导的SMA定位,可能降低空间精确性
  • 反馈阈值设定依赖少量本地化试次,有时导致“地板/天花板效应”
科研设备亮点
本研究的成功实施,离不开高性能神经成像与实时反馈平台的支持:

  • NIRSport2(NIRx)便携式fNIRS系统:支持短距离通道回归、实时数据处理,适合床旁及自然环境中使用
  • Turbo-Satori实时处理平台:实现fNIRS信号的在线GLM分析、阈值生成与色彩反馈呈现
  • Lab Streaming Layer (LSL):同步fNIRS、EMG与刺激呈现,确保毫秒级多模态数据整合
  • 多模态验证基础:作者前期已通过fMRI验证了该fNIRS探针对SMA测量的空间特异性
从“被动治疗”到“主动训练”——fNIRS神经反馈为帕金森病患者打开了一扇通往大脑自我调节的大门。这项研究不仅推动了神经康复技术的边界,更让我们看到:在便携、低成本的光学成像技术支持下,大脑的可塑性可以随时随地被唤醒。
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