慧創(chuàng)近紅外腦功能助力山東體育大學(xué)發(fā)表運動戒毒腦網(wǎng)絡(luò)研究SCI論文兩篇

       喜報頻傳，山東體育大學(xué)董貴俊教授課題組在《Neuroscience Letters》分別發(fā)表了題為“Effects of physical training on brain functional connectivity of methamphetamine dependencies as assessed using functional near-infrared spectroscopy”和“Acute kick-boxing exercise alters effective connectivity in the brain of females with methamphetamine dependencies”的研究論文。基于近紅外腦功能成像（functional near-infrared spectroscopy, fNIRS）探究了不同的運動類型對Methamphetamine，METH成癮戒斷者腦功能網(wǎng)絡(luò)的影響。

該系列研究需要在自由運動下對大腦的額葉、運動區(qū)實現(xiàn)同步檢測，對于近紅外腦成像系統(tǒng)的信號靈敏度、可穿戴性提出了*要求。

慧創(chuàng)近紅外腦功能成像系統(tǒng)NirSmart融合了北京航空航天大學(xué)高精尖的超微光檢測技術(shù)，并采用了通常臺式系統(tǒng)才能裝備的雪崩二極管APD探測器，相對上一代的采用光電二極管PD探測器技術(shù)的靈敏度提升了數(shù)十倍，因而在有頭發(fā)覆蓋的運動區(qū)能高質(zhì)量地檢測到腦功能信號，有效地支撐了本研究地順利開展。

慧創(chuàng)近紅外腦功能成像系統(tǒng)NirSmart

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藥物成癮是指一種重復(fù)性的強迫行為，是腦中獎勵系統(tǒng)在基因轉(zhuǎn)錄及表觀遺傳機制上出現(xiàn)的失調(diào)，是一種機制復(fù)雜的神經(jīng)精神疾病。METH成癮會對大腦的功能和結(jié)構(gòu)造成損傷。METH成癮已經(jīng)成為危及公共健康的挑戰(zhàn)，急需建立腦機制評估方法和康復(fù)干預(yù)策略。運動可以使大腦產(chǎn)生多巴胺。2020年4月，麻省理工學(xué)院的神經(jīng)科學(xué)家Alan Jasanoff發(fā)現(xiàn)分泌多巴胺有助于神經(jīng)元間進行短距離交流。但是，不同運動類型對METH成癮戒斷者的腦功能網(wǎng)絡(luò)的影響機制并不明晰。

利用fNIRS信號采集系統(tǒng)，在山東省魯中強制隔離戒毒所采集了23名男性METH成癮戒斷者（平均年齡為31.39 ± 3.17歲，平均MA依賴時間為5.13?±?1.96年）左右前額葉（LPFC/RPFC）和左右感覺運動區(qū)（LMC/RMC）的共24個通道腦血氧信號（圖1）。實驗分為3個階段：10分鐘的靜息態(tài)、10分鐘的單車訓(xùn)練態(tài)和10分鐘的力量訓(xùn)練態(tài)。用polar表分別記錄受試者在單車任務(wù)態(tài)和力量訓(xùn)練態(tài)的心率數(shù)值。用運動強度與運動自覺量表記錄受試者在運動時的主觀上感覺的吃力程度。采用小波變換的方法提取4個頻段的腦組織血氧信號（I，0.6-2 Hz；II，0.15-0.6 Hz；III，0.05-0.15 Hz；和IV，0.02-0.05 Hz）。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過運動干預(yù)，METH成癮戒斷者的氧合血紅蛋白的濃度在部分腦區(qū)發(fā)生了顯著性的上升。同時，相對于靜息態(tài)，METH成癮戒斷者的小波相位同步性的數(shù)值也出現(xiàn)了顯著性的改變（圖2）。該研究為評估運動干預(yù)在效果提供了一種可行性的量化評估方法，為METH戒斷依賴者的運動干預(yù)策略的制定提出了理論指導(dǎo)。

利用fNIRS信號采集系統(tǒng)，在山東省女子強制隔離戒毒所采集了30名女性METH成癮戒斷組受試者（平均年齡為26.27± 3.77歲，平均METH依賴時間為5.59?±?2.82年）左右前額葉（LPFC/RPFC）和左右感覺運動區(qū)（LMC/RMC）的共24個通道的腦血氧信號（圖1）。并采集了30名健康對照組樣本（平均年齡為26.17±1.74歲）相應(yīng)腦區(qū)的腦血氧信號。采用小波變換的方法提取0.01-0.08 Hz頻率段的fNIRS信號成分，基于動態(tài)貝葉斯推理的方法計算耦合強度，進行腦效應(yīng)連接評估。分析發(fā)現(xiàn)，與健康對照組相比，女性METH成癮戒斷組在多個腦區(qū)的耦合強度數(shù)值出現(xiàn)了顯著降低。同時，經(jīng)過搏擊操運動干預(yù)， 女性MA成癮戒斷組受試者的LPFC 到 LMC和RPFC 到 LMC 的耦合強度數(shù)值出現(xiàn)了顯著降低，而在RMC 到 RPFC，耦合強度數(shù)值則出現(xiàn)了顯著升高（圖3）。

綜上所述，這兩項研究采用新興的fNIRS技術(shù)從大腦的功能連接和效應(yīng)連接的視角揭示了不同的運動類型對腦功能網(wǎng)絡(luò)連接特性的影響。該結(jié)果與以往基于事件相關(guān)電位的研究結(jié)論基本一致，表明了有氧運動訓(xùn)練可以降低METH成癮戒斷者對藥物的渴求水平。

圖1. fNIRS通道分布圖。

圖2.  6種腦區(qū)連接類型的小波相位同步性數(shù)值比較。 其中，^#p < 0.05 和 ^##p < 0.001表示靜息態(tài)和單車訓(xùn)練態(tài)的小波相位同步性數(shù)值之間的顯著性差異。^&p < 0.05 和 ^&&p < 0.001表示靜息態(tài)和力量訓(xùn)練態(tài)的小波相位同步性數(shù)值之間的顯著性差異。^$p < 0.05 和 ^$$p < 0.001表示單車訓(xùn)練態(tài)和力量訓(xùn)練態(tài)的小波相位同步性數(shù)值之間的顯著性差異。^*p < 0.05 和 ^**p < 0.001表示三種狀態(tài)之間的顯著性差異（靜息態(tài)，單車訓(xùn)練態(tài)，力量訓(xùn)練態(tài)）。

圖3.  12種腦區(qū)連接類型之間的耦合強度數(shù)值的對比。（A）METH組和健康對照組樣本靜息態(tài)耦合強度數(shù)值比較。（B）METH組和健康對照組樣本訓(xùn)練態(tài)耦合強度數(shù)值比較。（C）METH組樣本的靜息態(tài)和訓(xùn)練態(tài)耦合強度數(shù)值比較。（D）健康對照組樣本的靜息態(tài)和訓(xùn)練態(tài)耦合強度數(shù)值比較。其中，*p < 0.05和 **p < 0.01代表耦合強度數(shù)值的顯著性差異。

參考文獻

1. Lingguo Bu, Liping Qi, Yan Wu, Qian Yan, Zekun Tang, Furong Li, Xin Liu, Chunfeng Diao , Kefeng Li , Guijun Dong. Acute kick-boxing exercise alters effffective connectivity in the brain of females with methamphetamine dependencies. Neuroscience letters, 2020, 720: 134780.
2. Lingguo Bu, Yan Wu, Qian Yan, Lei Tang, Xin Liu, Chunfeng Diao, Kefeng Lia, Guijun Dong. Effects of physical training on brain functional connectivity of methamphetamine dependencies as assessed using functional near-infrared spectroscopy. Neuroscience letters, 2019, 715:134605.