功能性近红外光谱（fNIRS）辅助轻度认知障碍诊断的现状与待解问题
2025-12-19 来源:本站 点击次数:210
功能性近红外光谱（fNIRS）辅助 MCI 诊断：现状与待解问题
引言/背景介绍
全球老龄化不断加剧，轻度认知障碍（Mild Cognitive Impairment, MCI） 作为阿尔茨海默病（Alzheimer's Disease, AD）的关键前奏，已成为公共卫生领域的重大挑战。在65岁以上人群中，MCI患病率高达10%-20%，其中约12% 会每年向痴呆转化。目前，临床诊断主要依赖神经心理量表（如MMSE、MoCA），存在主观性强、易受干扰的局限。功能近红外光谱技术（functional near-infrared spectroscopy, fNIRS） 的崛起，为破解这一困境提供了新的可能。fNIRS具有非侵入性、抗干扰（可在言语 / 运动中使用）、便携低成本的优势，通过测量氧合血红蛋白（HbO2）和去氧血红蛋白（HbR）浓度变化评估脑功能，适配老年 MCI 患者检测。
但当前研究领域内关于fNIRS应用MCI的效果和诊断价值的结论却存在显著的不一致性，研究者想要分析以下问题，来评估fNIRS作为诊断工具的敏感性和特异性，
-现有fnirs应用于MCI的研究使用了哪些任务范式；
-研究测量的感兴趣区域是哪些；
-评估的参数有哪些及其变化特征，例如HbO2浓度变化，功能连接（FC）等。
因此，进行一项系统性综述以整合现有证据，明确fNIRS在MCI诊断中的潜在价值，显得尤为迫切和重要。
文章信息
2025 年 4 月 9 日， Frontiers in Aging Neuroscience 在线发表了来自电子科技大学-四川省人民医院医工交叉团队的系统综述《Identification of functional near-infrared spectroscopy for older adults with mild cognitive impairment: a systematic review》。研究者系统检索 PubMed、Web of Science、Embase、Cochrane Library 截至 2024 年 6 月的文献，最终纳入 34 项同行评议研究，对比 1033 例 MCI 患者与 1107 名正常认知老年人，旨在回答“fNIRS 能否作为 MCI 的客观标识”这一核心问题。主要结论：① 任务态与静息态 fNIRS 特征均显示组间差异，但方向不一致；② 额叶 HbO2 变化是最常用指标，其激活水平在 MCI 中可升高、降低或相当，差异部分可由认知负荷/代偿理论解释；③ 未来需统一 MCI 亚型、任务范式、监测时长并扩大样本，方可提升结果可重复性与临床可用性。
研究方法
文献检索和评估，精简版：
纳入标准：PICO框架（60岁以上MCI患者、fNIRS+任务范式、年龄性别教育匹配对照、血红蛋白浓度量化）
排除标准：痴呆、非原发性MCI、无任务血流动力学监测等
数据提取：文献信息、受试者特征、任务范式、ROI、设备属性、氧合/血流动力学结果
质量评估：纽卡斯尔-渥太华量表（NOS），满分9分
文献检索和评估，详细版：
系统检索 PubMed、Web of Science、Embase、Cochrane Library 截至 2024 年 6 月 15 日，关键词为“mild cognitive impairment”“fNIRS”等同义扩展词，限定英文全文。
研究团队根据PICO框架（Population, Intervention, Comparison, Outcome）制定了严格的文献纳入标准：
Population（研究对象）：年龄超过60岁的老年MCI患者，这些患者需通过标准化神经心理学测试确认存在客观认知障碍，且日常生活功能未受显著影响，同时排除其他神经系统疾病和精神疾病。
Intervention（干预措施）：采用fNIRS技术结合各种任务范式（如工作记忆任务、静息态测量等）进行脑功能评估。
Comparison（对照）：年龄、性别和教育程度匹配的健康认知功能老年人作为对照组。
Outcome（结果）：使用fNIRS量化脑区感兴趣区域（ROIs）的血红蛋白浓度变化，评估脑氧合和血流动力学特征。
文献筛选过程由两名独立评审员完成，通过阅读标题、摘要和全文，排除不符合纳入标准的文献，如会议论文、综述文章、案例报告以及未监测任务期间脑血流动力学反应的文献。
数据提取由三名评审员独立完成，使用预开发的数据提取表记录文章信息、受试者特征、任务范式、ROIs、fNIRS设备属性及脑氧合和血流动力学结果。对于数据不完整或不清楚的研究，联系作者获取进一步信息。研究质量采用Newcastle-Ottawa Scale（NOS）进行评估，该量表包括研究对象选择、可比性和结果测量三个领域，共八个项目，满分九分，得分越高表示研究质量越高。
图1. 研究流程图
主要结果
研究对象共纳入 34 项非随机对照研究，涉及 1033 例 60 岁以上 MCI 患者（含遗忘型与非遗忘型）和 1107 名年龄、性别、教育程度匹配的认知正常老年人；MCI 诊断依据 Petersen 或 NIA-AA 标准，神经心理量表 MMSE 平均 21.4–28.9、蒙特利尔认知评估MoCA 平均 17.3–27.0，日常功能基本保留。
由于临床人群、方法和数据的异质性，无法进行元分析。因此，研究结果以简短的叙述性综述形式呈现，重点比较老年MCI患者与健康认知功能老年人在各种fNIRS特征上的差异。
在纳入的众多研究中，共涉及 7 类经典认知任务，包括 N - back、延迟匹配样本、数字/视空间工作记忆、语义/类别流畅性、Stroop、双任务以及静息态，其中 N-back 与静息态各占 7 与 10 篇，这表明工作记忆任务与大脑自发活动状态在 MCI 研究里备受关注。在脑区检测方面，所有研究均聚焦于前额叶皮层（PFC），约半数研究同时覆盖顶叶、颞叶或枕叶，以此考察不同脑区间的功能连接情况，试图从脑区间的协同工作角度理解 MCI 的神经机制。
降低模式：10 项研究报道 MCI 在任务中 PFC 的 ΔHbO2 显著低于对照组，尤以高工作记忆负荷（2-back）或语义流畅任务为甚。例如 Yeung 等发现 2-back 下双侧 PFC 激活减弱，而 0-back 无差异，提示认知负载升高使 MCI 神经资源耗尽。
升高模式：7 项研究显示 MCI 出现代偿性高激活。在一项采用三级难度视空间任务的研究中，发现中-高难度下 MCI 的 HbO2 斜率反而大于对照组，符合“脚手架”代偿假说。
脚手架理论：源于教育心理学与发展心理学的核心理论，核心是通过暂时性、适应性的支持，帮助学习者跨越 “现有能力” 与 “潜在能力” 的差距，最终实现独立解决问题的能力。结合 “认知负荷理论”，解释老年人在轻度认知障碍（MCI）中的脑功能变化：老年人面对认知负荷时，前额叶皮层可通过 “代偿性激活”（类似 “脚手架”）维持功能；但若负荷过高，代偿能力不足则会出现激活下降。
无差异模式：9 项研究在 N-back、静息态或 Stroop 任务中未检出显著差异，可能与样本量小、任务难度不足或监测时长过短有关。
功能连接与动态FC指标变化
• 静息态功能连接：4项研究证实 MCI 患者的有效链接（EC）和FC降低， PFC - 顶叶/枕叶的有效连接（EC）与功能连接（FC）普遍下降，表明 MCI 患者大脑不同区域间信息传递和协同工作能力受损。
• 任务态功能连接：任务态部分研究观察到 MCI 患者 PFC 内 FC 代偿性增强，可能的解释是解释该现象为 “大脑代偿机制”—— 通过增强脑区间功能连接辅助完成认知任务。
• 动态功能连接变异性：有研究首次报告 MCI 患者动态功能连接变异性（low - frequency AUC）升高，提示大脑网络稳定性下降。但多尺度熵（MSE）与侧化指数在 MCI 与对照组间未见一致的变化差异，因此其敏感性和特异性需进一步验证。
认知负荷 - 代偿整合框架下的结果解释
将上述结果置于认知负荷与 STAC 框架下分析，低认知负荷时，MCI 与对照组均可动员 PFC 资源；中度负荷触发 MCI 代偿性高激活；高负荷或超长时长因神经能量代谢受限转为低激活，呈“倒 U”型曲线。这一解释统一了既往矛盾发现，为任务难度个性化校准提供理论依据。
结论与展望
该综述首次系统勾勒了 fNIRS 在 MCI 研究中的“全景图”，证实其具备提供客观脑功能标识的潜力，同时揭示结果异质性主要源自 MCI 亚型不明、任务难度与监测时长不一。
相较于单一原创研究，本文贡献在于：① 以认知负荷 - 脚手架理论整合矛盾数据，为后续实验设计提供可检验假设；② 强调静息与任务双模态、FC 与 HbO2 多指标联合，可提升判别效度；③ 提出“亚型 - 任务 - 时长”三要素标准化路线图，呼吁建立国际共识与多中心大数据平台。
未来研究可依据 Petersen/DSM - 5 标准对 MCI 进行精准分型，纳入不同亚型于不同 fNIRS 预测模型，深入了解各亚型特点。结合实时氧合血红蛋白反馈技术设计难度自适应任务，捕捉个体“代偿 - 失代偿”拐点，评估个体认知储备和代偿能力。开展 5 - 10 分钟以上连续任务或日间多次静息态长时监测，评估神经血管耦合延迟与疲劳效应。同步记录 fNIRS - 脑电图、眼动或心电等多模态数据，构建“血流 - 电生理 - 行为”多维特征，全面准确了解脑功能变化。与脑脊液 Aβ/tau 检测、PET - MRI 等金标准对照，计算 fNIRS 技术敏感度、特异度及成本 - 效益，推动其在社区筛查与疗效监测中落地应用。
原文信息链接
Yang B, Deng X, Qu X, Li Y, Guo L, Yu N. Identification of functional near-infrared spectroscopy for older adults with mild cognitive impairment: a systematic review. Front Aging Neurosci. 2025 Apr 9;17:1492800. doi: 10.3389/fnagi.2025.1492800
https://www.frontiersin.org/journals/aging-neuroscience/articles/10.3389/fnagi.2025.1492800/full
作者及单位介绍
该文章作者共6人，均来自中国相关医疗机构及高校，包括四川省精神卫生中心心身医学中心、四川省人民医院（放射科，神经内科）、电子科技大学，成都市新都区人民医院（神经内科）。
关于维拓启创
维拓启创（北京）信息技术有限公司成立于2006年，是一家专注于脑科学、康复工程、人因工程、心理学、体育科学等领域的科研解决方案供应商。公司与国内外多所大学、研究机构、企业长期保持合作关系，致力于将优质的产品、先进的技术和服务带给各个领域的科研工作者，为用户提供有竞争力的方案和服务，协助用户的科研工作，持续提升使用体验。
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引言/背景介绍
全球老龄化不断加剧，轻度认知障碍（Mild Cognitive Impairment, MCI） 作为阿尔茨海默病（Alzheimer's Disease, AD）的关键前奏，已成为公共卫生领域的重大挑战。在65岁以上人群中，MCI患病率高达10%-20%，其中约12% 会每年向痴呆转化。目前，临床诊断主要依赖神经心理量表（如MMSE、MoCA），存在主观性强、易受干扰的局限。功能近红外光谱技术（functional near-infrared spectroscopy, fNIRS） 的崛起，为破解这一困境提供了新的可能。fNIRS具有非侵入性、抗干扰（可在言语 / 运动中使用）、便携低成本的优势，通过测量氧合血红蛋白（HbO2）和去氧血红蛋白（HbR）浓度变化评估脑功能，适配老年 MCI 患者检测。
但当前研究领域内关于fNIRS应用MCI的效果和诊断价值的结论却存在显著的不一致性，研究者想要分析以下问题，来评估fNIRS作为诊断工具的敏感性和特异性，
-现有fnirs应用于MCI的研究使用了哪些任务范式；
-研究测量的感兴趣区域是哪些；
-评估的参数有哪些及其变化特征，例如HbO2浓度变化，功能连接（FC）等。
因此，进行一项系统性综述以整合现有证据，明确fNIRS在MCI诊断中的潜在价值，显得尤为迫切和重要。
文章信息
2025 年 4 月 9 日， Frontiers in Aging Neuroscience 在线发表了来自电子科技大学-四川省人民医院医工交叉团队的系统综述《Identification of functional near-infrared spectroscopy for older adults with mild cognitive impairment: a systematic review》。研究者系统检索 PubMed、Web of Science、Embase、Cochrane Library 截至 2024 年 6 月的文献，最终纳入 34 项同行评议研究，对比 1033 例 MCI 患者与 1107 名正常认知老年人，旨在回答“fNIRS 能否作为 MCI 的客观标识”这一核心问题。主要结论：① 任务态与静息态 fNIRS 特征均显示组间差异，但方向不一致；② 额叶 HbO2 变化是最常用指标，其激活水平在 MCI 中可升高、降低或相当，差异部分可由认知负荷/代偿理论解释；③ 未来需统一 MCI 亚型、任务范式、监测时长并扩大样本，方可提升结果可重复性与临床可用性。
研究方法
文献检索和评估，精简版：
纳入标准：PICO框架（60岁以上MCI患者、fNIRS+任务范式、年龄性别教育匹配对照、血红蛋白浓度量化）
排除标准：痴呆、非原发性MCI、无任务血流动力学监测等
数据提取：文献信息、受试者特征、任务范式、ROI、设备属性、氧合/血流动力学结果
质量评估：纽卡斯尔-渥太华量表（NOS），满分9分
文献检索和评估，详细版：
系统检索 PubMed、Web of Science、Embase、Cochrane Library 截至 2024 年 6 月 15 日，关键词为“mild cognitive impairment”“fNIRS”等同义扩展词，限定英文全文。
研究团队根据PICO框架（Population, Intervention, Comparison, Outcome）制定了严格的文献纳入标准：
Population（研究对象）：年龄超过60岁的老年MCI患者，这些患者需通过标准化神经心理学测试确认存在客观认知障碍，且日常生活功能未受显著影响，同时排除其他神经系统疾病和精神疾病。
Intervention（干预措施）：采用fNIRS技术结合各种任务范式（如工作记忆任务、静息态测量等）进行脑功能评估。
Comparison（对照）：年龄、性别和教育程度匹配的健康认知功能老年人作为对照组。
Outcome（结果）：使用fNIRS量化脑区感兴趣区域（ROIs）的血红蛋白浓度变化，评估脑氧合和血流动力学特征。
文献筛选过程由两名独立评审员完成，通过阅读标题、摘要和全文，排除不符合纳入标准的文献，如会议论文、综述文章、案例报告以及未监测任务期间脑血流动力学反应的文献。
数据提取由三名评审员独立完成，使用预开发的数据提取表记录文章信息、受试者特征、任务范式、ROIs、fNIRS设备属性及脑氧合和血流动力学结果。对于数据不完整或不清楚的研究，联系作者获取进一步信息。研究质量采用Newcastle-Ottawa Scale（NOS）进行评估，该量表包括研究对象选择、可比性和结果测量三个领域，共八个项目，满分九分，得分越高表示研究质量越高。
图1. 研究流程图
主要结果
研究对象共纳入 34 项非随机对照研究，涉及 1033 例 60 岁以上 MCI 患者（含遗忘型与非遗忘型）和 1107 名年龄、性别、教育程度匹配的认知正常老年人；MCI 诊断依据 Petersen 或 NIA-AA 标准，神经心理量表 MMSE 平均 21.4–28.9、蒙特利尔认知评估MoCA 平均 17.3–27.0，日常功能基本保留。
由于临床人群、方法和数据的异质性，无法进行元分析。因此，研究结果以简短的叙述性综述形式呈现，重点比较老年MCI患者与健康认知功能老年人在各种fNIRS特征上的差异。
在纳入的众多研究中，共涉及 7 类经典认知任务，包括 N - back、延迟匹配样本、数字/视空间工作记忆、语义/类别流畅性、Stroop、双任务以及静息态，其中 N-back 与静息态各占 7 与 10 篇，这表明工作记忆任务与大脑自发活动状态在 MCI 研究里备受关注。在脑区检测方面，所有研究均聚焦于前额叶皮层（PFC），约半数研究同时覆盖顶叶、颞叶或枕叶，以此考察不同脑区间的功能连接情况，试图从脑区间的协同工作角度理解 MCI 的神经机制。
图2.部分纳入的研究
HbO2变化方向呈现异质性降低模式：10 项研究报道 MCI 在任务中 PFC 的 ΔHbO2 显著低于对照组，尤以高工作记忆负荷（2-back）或语义流畅任务为甚。例如 Yeung 等发现 2-back 下双侧 PFC 激活减弱，而 0-back 无差异，提示认知负载升高使 MCI 神经资源耗尽。
升高模式：7 项研究显示 MCI 出现代偿性高激活。在一项采用三级难度视空间任务的研究中，发现中-高难度下 MCI 的 HbO2 斜率反而大于对照组，符合“脚手架”代偿假说。
脚手架理论：源于教育心理学与发展心理学的核心理论，核心是通过暂时性、适应性的支持，帮助学习者跨越 “现有能力” 与 “潜在能力” 的差距，最终实现独立解决问题的能力。结合 “认知负荷理论”，解释老年人在轻度认知障碍（MCI）中的脑功能变化：老年人面对认知负荷时，前额叶皮层可通过 “代偿性激活”（类似 “脚手架”）维持功能；但若负荷过高，代偿能力不足则会出现激活下降。
无差异模式：9 项研究在 N-back、静息态或 Stroop 任务中未检出显著差异，可能与样本量小、任务难度不足或监测时长过短有关。
功能连接与动态FC指标变化
• 静息态功能连接：4项研究证实 MCI 患者的有效链接（EC）和FC降低， PFC - 顶叶/枕叶的有效连接（EC）与功能连接（FC）普遍下降，表明 MCI 患者大脑不同区域间信息传递和协同工作能力受损。
• 任务态功能连接：任务态部分研究观察到 MCI 患者 PFC 内 FC 代偿性增强，可能的解释是解释该现象为 “大脑代偿机制”—— 通过增强脑区间功能连接辅助完成认知任务。
• 动态功能连接变异性：有研究首次报告 MCI 患者动态功能连接变异性（low - frequency AUC）升高，提示大脑网络稳定性下降。但多尺度熵（MSE）与侧化指数在 MCI 与对照组间未见一致的变化差异，因此其敏感性和特异性需进一步验证。
认知负荷 - 代偿整合框架下的结果解释
将上述结果置于认知负荷与 STAC 框架下分析，低认知负荷时，MCI 与对照组均可动员 PFC 资源；中度负荷触发 MCI 代偿性高激活；高负荷或超长时长因神经能量代谢受限转为低激活，呈“倒 U”型曲线。这一解释统一了既往矛盾发现，为任务难度个性化校准提供理论依据。
结论与展望
该综述首次系统勾勒了 fNIRS 在 MCI 研究中的“全景图”，证实其具备提供客观脑功能标识的潜力，同时揭示结果异质性主要源自 MCI 亚型不明、任务难度与监测时长不一。
相较于单一原创研究，本文贡献在于：① 以认知负荷 - 脚手架理论整合矛盾数据，为后续实验设计提供可检验假设；② 强调静息与任务双模态、FC 与 HbO2 多指标联合，可提升判别效度；③ 提出“亚型 - 任务 - 时长”三要素标准化路线图，呼吁建立国际共识与多中心大数据平台。
未来研究可依据 Petersen/DSM - 5 标准对 MCI 进行精准分型，纳入不同亚型于不同 fNIRS 预测模型，深入了解各亚型特点。结合实时氧合血红蛋白反馈技术设计难度自适应任务，捕捉个体“代偿 - 失代偿”拐点，评估个体认知储备和代偿能力。开展 5 - 10 分钟以上连续任务或日间多次静息态长时监测，评估神经血管耦合延迟与疲劳效应。同步记录 fNIRS - 脑电图、眼动或心电等多模态数据，构建“血流 - 电生理 - 行为”多维特征，全面准确了解脑功能变化。与脑脊液 Aβ/tau 检测、PET - MRI 等金标准对照，计算 fNIRS 技术敏感度、特异度及成本 - 效益，推动其在社区筛查与疗效监测中落地应用。
原文信息链接
Yang B, Deng X, Qu X, Li Y, Guo L, Yu N. Identification of functional near-infrared spectroscopy for older adults with mild cognitive impairment: a systematic review. Front Aging Neurosci. 2025 Apr 9;17:1492800. doi: 10.3389/fnagi.2025.1492800
https://www.frontiersin.org/journals/aging-neuroscience/articles/10.3389/fnagi.2025.1492800/full
作者及单位介绍
该文章作者共6人，均来自中国相关医疗机构及高校，包括四川省精神卫生中心心身医学中心、四川省人民医院（放射科，神经内科）、电子科技大学，成都市新都区人民医院（神经内科）。
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维拓启创（北京）信息技术有限公司成立于2006年，是一家专注于脑科学、康复工程、人因工程、心理学、体育科学等领域的科研解决方案供应商。公司与国内外多所大学、研究机构、企业长期保持合作关系，致力于将优质的产品、先进的技术和服务带给各个领域的科研工作者，为用户提供有竞争力的方案和服务，协助用户的科研工作，持续提升使用体验。
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