近代自然科學(xué)發(fā)展的趨勢表明，21世紀(jì)的自然科學(xué)重心將在生命科學(xué)，生命科學(xué)研究必將飛速發(fā)展。分子生物學(xué)的奠基人之一，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者沃森宣稱：“20世紀(jì)是基因的世紀(jì)，21世紀(jì)是腦的世紀(jì)?！?。創(chuàng)業(yè)于1875年的島津制作所，始終站立在科學(xué)技術(shù)的前沿，從不間斷地向世間推出一個(gè)又一個(gè)尖端科學(xué)技術(shù)，為社會發(fā)展做出著貢獻(xiàn)。在當(dāng)今令人矚目的腦功能研究領(lǐng)域，隨處可見島津制作所活躍的身姿，從醫(yī)學(xué)生物學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究到臨床應(yīng)用，再到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，在廣泛領(lǐng)域內(nèi)對作為尖端學(xué)術(shù)性領(lǐng)域之一的腦科學(xué)實(shí)施了深入研究。

    目前，作為腦功能研究的手段主要有腦電圖、fMRI（功能性磁共振成像）、PET、MEG等。而fNIRS：（functional Near Infrared Spectroscopy）功能性近紅外光學(xué)成像技術(shù)，是近年來日本發(fā)明的新型腦功能測量手法。它可以通過生物體穿透性高的近紅外光譜對腦功能進(jìn)行無侵襲性測量。其原理是通過三個(gè)特定波長的近紅外光來測量大腦皮層的含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白以及總血紅蛋白的含量，從而表征大腦在接受外界刺激或思維過程中不同區(qū)域的反應(yīng)和功能表達(dá)。
     
    島津制作所早于1980年開始了近紅外光譜測量身體組織內(nèi)氧動(dòng)力學(xué)的研究，1991年發(fā)售了日本國內(nèi)首臺臨床用無侵襲氧監(jiān)測儀OM-100A。目前，在全世界范圍內(nèi)發(fā)售多通道型紅外光學(xué)成像裝置（FOIRE-30000系列，OMM-300系列）。

    近紅外光學(xué)腦成像系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于腦功能、腦認(rèn)知領(lǐng)域，在醫(yī)療、教育、腦疾病康復(fù)、診斷、產(chǎn)業(yè)、基礎(chǔ)研究等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。島津的近紅外光譜系統(tǒng)，為大腦功能研究提供了極大的可能性。

    我們不妨閱讀以下文章，可以加深對近紅外光學(xué)腦成像技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的了解。

      
《在新技術(shù)下觀察大腦機(jī)能》

從血流量測量到大腦的功能分析
    YOKO HOSHI是fNIRS在大腦成像中研究和開發(fā)的主要專家，現(xiàn)任神經(jīng)學(xué)東京研究院綜合神經(jīng)科學(xué)研究組的主任，但是她對近紅外光譜臨床應(yīng)用的興趣，源自于1987年在北海道大學(xué)開始的關(guān)于監(jiān)控大腦中血流量的項(xiàng)目。那時(shí)候，她已經(jīng)加入了近紅外光譜的開發(fā)者之一 ——Mamoru Yamura實(shí)驗(yàn)室，她的第一個(gè)任務(wù)是測量細(xì)胞色素C氧化酶，這種酶通過氧氣供應(yīng)改變氧化態(tài)。HOSHI解釋說：“我認(rèn)為通過這個(gè)途徑有可能來監(jiān)測大腦中的氧，因?yàn)榧?xì)胞色素C氧化酶的氧態(tài)是通過神經(jīng)細(xì)胞中氧濃度改變的?！?/P>

    近紅外光用于腦功能成像的思想源于和Tamura交流中的偶然發(fā)現(xiàn)，Tamura作為實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)人，那時(shí)其研究關(guān)注在心肌方向，有一天詢問Hoshi：“如果人不能再思考，是因?yàn)榇竽X正經(jīng)受缺乏能量的痛苦嗎？”Hoshi認(rèn)為可能并不是如此，她轉(zhuǎn)而想通過交給學(xué)生一些問題，并同時(shí)用近紅外光監(jiān)測他們大腦的方法來測驗(yàn)這個(gè)想法。測量結(jié)果顯示當(dāng)他們正在思考的時(shí)候，大腦血流量增加，但當(dāng)他們停止思考這些問題的時(shí)候，大腦血流量減小。

    因?yàn)檠t蛋白在近紅外波長范圍內(nèi)的光吸收特性不依賴一定有氧的存在，所以她決定與其分析細(xì)胞色素c氧化酶，不如研究血液血紅蛋白。Hoshi回應(yīng)到：“經(jīng)過大量的技術(shù)改進(jìn)和實(shí)驗(yàn)，我們已經(jīng)撰寫利用NIRS檢測血紅蛋白改變來測量大腦功能的相關(guān)文章。”

與島津共同發(fā)展
    不久后，來自島津的研究人員加入了HOSHI在北海道大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，在Tamura 和Hoshi的指導(dǎo)下，島津公司著力發(fā)展一個(gè)NIRS的通用模型。終于，島津成功開發(fā)了NIRS系統(tǒng)，可以對大腦和四肢進(jìn)行局部測量，1991年擴(kuò)展了它的第一個(gè)測量系統(tǒng)。隨后伴隨大量的設(shè)計(jì)修改和持續(xù)的改進(jìn)，直到2001年島津開始發(fā)售OMM-2001多波段fNIRS系統(tǒng)。這種新的設(shè)計(jì)可以測量大腦更大范圍的區(qū)域，緊接著2003年新的改進(jìn)版本OMM-3000面世。這些設(shè)備自此開始應(yīng)用于臨床研究，2006年，島津公司看到這些應(yīng)用，于2006年開發(fā)了新的設(shè)計(jì)FORIE-3000系統(tǒng)，此系統(tǒng)現(xiàn)在仍應(yīng)用在全日本的基礎(chǔ)大腦科學(xué)研究中。

    多波段fNIRS允許病人在自然條件下活動(dòng)的同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測大腦功能，比如，與嬰兒母親配合可以監(jiān)測嬰兒的大腦，或者記錄腦損傷患者在復(fù)原過程中的大腦功能。“現(xiàn)在，越來越多的研究人員開始在新生兒和患者的大腦活性的研究中應(yīng)用fNIRS系統(tǒng)，希望fNIRS能在我們獲得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)生長機(jī)制方面有所幫助”hoshi如此說到，她同時(shí)注意到一個(gè)新發(fā)現(xiàn)：在腦損傷復(fù)原過程中，在正?；顒?dòng)中大腦某一部分減除活性，一旦損傷部位得以康復(fù)，大腦的相應(yīng)部位在康復(fù)運(yùn)動(dòng)中不再變的活躍。

近紅外光用于情緒分析
    HOSHI把FOIRE-3000平臺作為她最新研究項(xiàng)目的一部分，“我最近的工作是當(dāng)志愿者在注視可引起肯定或否定的情緒回應(yīng)的圖像的時(shí)候，分析其大腦機(jī)能的變化?！眆MRI經(jīng)常用于包括大腦的函數(shù)圖像的研究中，但是，由于志愿者必須躺在狹窄的通道中，fMRI的測量系統(tǒng)才能執(zhí)行，所以fMRI不太適合應(yīng)用于實(shí)時(shí)情感分析試驗(yàn)中，對于志愿者姿勢和行動(dòng)有很少限制的實(shí)驗(yàn)可使用fNIRS來執(zhí)行。

    Hoshi解釋說：“我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)志愿者經(jīng)歷一個(gè)非常強(qiáng)烈的不愉快情緒，情緒開始3到4秒后，大腦中特定區(qū)域的血流量明顯增大?！毕嗤瑢?shí)驗(yàn)顯示愉悅的情緒可以降低大腦另一部分的血流量，這與之前報(bào)告的愉快的感覺可以降低血流量是一致的。HOSHI持續(xù)深入分析后解釋說“情緒和情感研究常常靶向大腦內(nèi)部的邊緣系統(tǒng)，但是，我們認(rèn)為大腦控制認(rèn)知能力的部分，諸如腦前額葉表層，同樣與控制非愉快情緒有密切的關(guān)系?！?/P>

分離認(rèn)知空間
    Hoshi的另外一個(gè)持續(xù)項(xiàng)目是利用fNIRS實(shí)施眼動(dòng)的聯(lián)合測量，hoshi說到“當(dāng)我們試圖記住某物或者試圖思考的時(shí)候，我們會使眼睛偏向特定的方向，我希望能找出其原因?！碑?dāng)我們?nèi)褙炞⑺伎嫉臅r(shí)候，我們試圖把眼睛投射到某一物體上，而且在相同任務(wù)下每個(gè)人凝視的方向也不同。兒童以相似的方式移動(dòng)頭部，但是會有更大的變化范圍，隨著年齡的增長，他們凝視的方向和范圍會變得聚焦，“10歲大概是明確路線形成的臨界年齡?！?/P>

    通過對上述現(xiàn)象設(shè)計(jì)方法所獲得的fNIRS數(shù)據(jù)的分析，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)人陷入沉思開始注視的時(shí)候，大腦的兩個(gè)特定區(qū)域是活躍的?！斑@兩個(gè)區(qū)域中的一個(gè)是ventral premotor，當(dāng)人們把注意力放在某一個(gè)物體上的時(shí)候這個(gè)區(qū)域會被激活，另外一個(gè)區(qū)域是人們從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移注意力到另外一個(gè)物體時(shí)被激活的。心理學(xué)家和信息科學(xué)家都認(rèn)為認(rèn)思考發(fā)生在認(rèn)知空間內(nèi)，在思考中注視某一物體也許反應(yīng)了我們對認(rèn)知空間的注意，和這個(gè)空間內(nèi)從一個(gè)到另外一個(gè)信息過程轉(zhuǎn)換我們的注意力。”

fNIRS的更多可能
    fNIRS眾多優(yōu)點(diǎn)中其中一個(gè)是它可以很方便和其它分析方法結(jié)合在一起，它也是一個(gè)非常容易使用的系統(tǒng)，并應(yīng)用于非常多的領(lǐng)域，不管是工程教學(xué)，還是動(dòng)物學(xué)和醫(yī)藥領(lǐng)域，尤其是令人激動(dòng)的領(lǐng)域是腦機(jī)接口(BMI)領(lǐng)域。島津已經(jīng)開始實(shí)驗(yàn)用BMI來控制由本田公司開發(fā)的MSIMO類人機(jī)器人，在肉眼觀察諸如腿腳活動(dòng)等人為動(dòng)作的同時(shí)，可以通過應(yīng)用fNIRS來描述志愿者大腦機(jī)能特點(diǎn)，志愿者精神上的努力可以被實(shí)時(shí)的監(jiān)測和處理，并被轉(zhuǎn)化成機(jī)器人行動(dòng)的信號。

    Hoshi作為在基礎(chǔ)和應(yīng)用研究中，不斷推進(jìn)大腦圖像技術(shù)深入發(fā)展的眾多專家中的一員，她說到，“fNIRS提供了更多的可能，我希望科研人員在了解了fNIRS的原理和限制后，可以在自己的研究項(xiàng)目中可以積極運(yùn)用fNIRS?！?/P>