利用虛擬現(xiàn)實(shí)工作記憶任務(wù)和功能近紅外光譜法評估ADHD兒童對哌醋甲酯的腦血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)

1.研究背景

虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)神經(jīng)心理測試已經(jīng)成為一種探索藥物對注意缺陷多動(dòng)障礙(ADHD)兒童在現(xiàn)實(shí)生活中有效性的一種方法。功能近紅外光譜(fNIRS)可以有效的測量多動(dòng)癥兒童在虛擬現(xiàn)實(shí)任務(wù)中的運(yùn)動(dòng)型不安的大腦活動(dòng)性。本研究旨在探討哌醋甲酯(MPH)在模擬現(xiàn)實(shí)生活的工作記憶任務(wù)中對行為表現(xiàn)和大腦活動(dòng)的影響。

2.研究方法

2.1 被試

共有23名患有ADHD的兒童（年齡范圍7-16歲；平均年齡9.96±2.82）和12名健康對照(HC)兒童（年齡范圍7-14歲；平均年齡11.33±2.93）參與本研究。

2.2 實(shí)驗(yàn)流程

被試主要為兩組，一組是ADHD兒童，一組是正常兒童。所有被試的實(shí)驗(yàn)流程如圖1A所示，首先被試先進(jìn)行練習(xí)，接著做N-back任務(wù)，之后服用藥物，在兩個(gè)小時(shí)后再進(jìn)行N-back任務(wù)。

2.3 實(shí)驗(yàn)材料

VR環(huán)境：VR任務(wù)的背景是一個(gè)虛擬教室，參與者一開始發(fā)現(xiàn)自己在教室里，參與者面對著老師，其他的化身同學(xué)坐在附近(圖1B)。首先出現(xiàn)“請?jiān)谏险n前四處看看”的信息，接著一個(gè)教師角色進(jìn)入并告知參與者N-back任務(wù)的規(guī)則。參與者首先執(zhí)行一項(xiàng)叫做“游戲教程”的練習(xí)任務(wù)，每種情況包含10個(gè)刺激。如果參與者犯的錯(cuò)誤比設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)更多，則重復(fù)練習(xí)。在實(shí)際任務(wù)之前，老師簡要地解釋了fNIRS設(shè)備，并鼓勵(lì)參與者盡可能保持靜止。在收到指示后，參與者被引導(dǎo)佩戴fNIRS裝備，然后進(jìn)行主要任務(wù)。

n-back任務(wù)：每次n-back任務(wù)包括3組。每組包含交替的1-back（低空間記憶負(fù)載）和2-back（高空間記憶負(fù)載），以及介于0-back（控制）之間的條件（每組任務(wù)持續(xù)40秒；20次刺激，隨機(jī)顯示大寫字母A-G）。每個(gè)刺激呈現(xiàn)500ms，刺激間隔為1.5s。

2.4 FNIRS測量及分析

本實(shí)驗(yàn)使用了多通道高密度fNIRS儀器(NIRSIT；OBELAB，首爾，韓國)，它包括24個(gè)激光二極管發(fā)射兩個(gè)波長(780/850nm)和32個(gè)距離1.5厘米的光電探測器。采樣率為8.138Hz。48個(gè)通道的對齊情況如圖2所示。根據(jù)國際10-20系統(tǒng)對腦電圖電極位置的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)位置，將fNIRS裝置放置在頭部。信噪比的閾值為30dB，通過檢測到的光信號的帶通濾波器(0.005-0.1Hz)進(jìn)行濾波，消除了生理噪聲和環(huán)境噪聲的緩慢漂移。

利用改進(jìn)的modified Beer Lambert Law定律(MBLL)將原始光強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為含氧血紅蛋白?HbO2)的濃度變化。在多次試驗(yàn)平均后，計(jì)算每個(gè)通道的平均oxy-Hb濃度變化(avg?HbO2)。最后，選定特定的區(qū)域(ROI)對分類通道進(jìn)行平均，提取avg?HbO2的區(qū)域代表值。48個(gè)通道分別分為左右背外側(cè)前額葉皮層(DLPFC)、腹外側(cè)前額葉皮層(VLPFC)、內(nèi)側(cè)前額葉皮層(mPFC)和眶額葉皮層(OFC)。

圖2.fNIRS通道的空間剖面圖

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1、行為結(jié)果

表1顯示了HC和ADHD參與者在每個(gè)n-back任務(wù)中的平均準(zhǔn)確率和RTs。對ADHD被試的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)1-back中與使用MPH前相比，使用后被試的RT和 RT variability降低，準(zhǔn)確性提高。ADHD組和HC組之間的行為表現(xiàn)沒有明顯差異。沒有發(fā)現(xiàn)ADHD兒童與健康被試行為表現(xiàn)無明顯差異。

表1.ADHD和對照組的N-back任務(wù)表現(xiàn)

3.1、FNIRS結(jié)果

（1）如 圖3B和C所示，對被試使用MPH前和后進(jìn)行1-back測試，在任何區(qū)域都沒有觀察到明顯的差異性。

（2）如圖3B所示，比較ADHD和HC組發(fā)現(xiàn)，MPH前和MpH后ADHD受試者在右側(cè)DLPFC中avg?HbO2信號明顯減少(pre-MPH vs HC，t=?2.443，p<0.05；post- MPH vs HC，t=?2.233，p<0.05；

（3）如圖3所示，在2-back條件，受試者的Avg1HbO2 pre-MPH明顯高于post-MPH在左側(cè)DLPFC和雙側(cè)(左側(cè)DLPFC, t = 2.838, p < 0.05, uncorrected; 左側(cè)mPFC, t =2.334, p < 0.05, uncorrected; 右側(cè) mPFC, t = 2.496, p <0.05）。

（4）HC組與mph前和后ADHD受試者比較沒有觀察到明顯差異。在2-back任務(wù)中，ADHD受試者使用MPH后幾個(gè)大腦區(qū)域的激活下降。

圖3.n-back任務(wù)執(zhí)行過程中的血流動(dòng)力學(xué)變化

3.3、行為表現(xiàn)與fNIRS結(jié)果之間的相關(guān)性

如圖4所示，在mph前ADHD受試者中，左右mPFC的準(zhǔn)確性與avg?HbO2呈負(fù)相關(guān)(右側(cè)mPFC，r=?0.518，p<0.05；左側(cè)mPFC，r=?0.591，p<0.05)。給藥后，未觀察到這種相關(guān)性。

圖4.雙側(cè)mPFC在2-back任務(wù)中ACC與avg?HbO2信號相關(guān)性

4.結(jié)論

在高負(fù)荷WM任務(wù)中，MPH治療后，雙側(cè)mPFC的激活降低。此外，在MPH前條件下，雙側(cè)mPFC激活與任務(wù)準(zhǔn)確性呈負(fù)相關(guān)；給藥后，這種相關(guān)性消失。這些發(fā)現(xiàn)表明，在ADHD兒童中，在高負(fù)荷WM任務(wù)中介導(dǎo)的不適當(dāng)?shù)倪^度神游可能在使用MPH后消失。綜上所述，這些結(jié)果表明，VR任務(wù)和fNIRS檢查的結(jié)合是一種技術(shù)，能夠在現(xiàn)實(shí)生活中檢查ADHD兒童和青少年的干預(yù)效果。

5.參考文獻(xiàn)及DOI號

Jang, S., Choi, J., Oh, J., Yeom, J., Hong, N., Lee, N., . . . Kim, E. (2020). Use of Virtual Reality Working Memory Task and Functional Near-Infrared Spectroscopy to Assess Brain Hemodynamic Responses to Methylphenidate in ADHD Children. Front Psychiatry, 11, 564618.

doi：10.3389/fpsyt.2020.564618