fNIRS经典实验设计之-Block Design
随着科技的发展，越来越多的研究者开始关注到fNIRS这种安全，便携且对运动包容度高的新兴成像技术，并将其逐步的运用到自己的研究之中。而实验设计的恰当与否极大程度上影响着研究质量的好坏，因此清楚的了解近红外研究中有哪些种类的实验设计以及各自的特点是什么就尤为重要，那么今天我们就来一起了解fNIRS中经典的实验设计之一-Block Design.
在fNIRS的研究中，合理的安排不同实验条件以及相同实验条件下不同刺激的呈现方式是十分重要的，因为不同的实验刺激呈现方式会使得研究者观察到不同的神经响应模式。今天就为大家带来有关于fNIRS实验中经典的且最常使用的实验设计方式之一“Block design(组块设计)”方面的内容。
在Block Design中，同一种实验条件下的刺激聚集在一起并依次出现，以组块的形式呈现出来，在此过程中由于我们的大脑在一段时间内反复的接受并加工同一类刺激，与之对应的神经活动会不断的对这类刺激进行响应，最终达到一种较为稳定的状态。因此，Block设计更多的反映了在某一种实验条件下大脑特定区域的激活程度。Block Design流程如下图1所示
通过上面的流程图不难看出Block Design有其自身的优点。首先，组块设计简明且结构非常清晰，同一类刺激集中并依次出现。第二，组块设计的检测能力较强，由于同一类刺激集中出现，因此在设置了不同实验条件的情况下可以检测出特定脑区对不同实验条件的神经响应程度以及这些响应之间是否存在差异。最后，仍然是由于组块设计将同种类刺激连续呈现，因此其可以诱发出更强的血氧响应(朱朝喆，2020)。下面我们就通过几个典型的案例来更具体的了解Block 实验设计。
2.1 情绪调节听觉皮层的激活-一项fNIRS研究
视觉情感刺激唤起视觉皮层区域的激活增强，而通过情绪调节其它感觉方式的神经影像证据很少。因此有研究者Plichta等(2011)利用fNIRS技术研究复杂的情绪声音是否调节听觉皮层的激活。具体来说，研究者从国际情感数字化声音系统(IADS，Bradley和Lang，1999)中选择标准化的愉快，不愉快，中性声音(包括人类与非人类声源)并呈现给健康的参与者，同时利用fNIRS技术记录诱发的听觉皮层激活。
实验包括5个愉快的block，5个不愉快的block和5个中性声音block，它们以伪随机顺序呈现,每个block的持续时间为 24 秒，每个block之后是24秒的安静休息阶段,整个fNIRS记录大约15分钟。fNIRS光极排布在被试的双侧颞叶区域共22个通道，Channel:2,3,7,11,12被界定为感兴趣区域(ROI)而非感兴趣区域(Non-ROI)则被定义为除ROI外减去与ROI直接相邻的通道,具体排布情况如下图2
在结果方面值得注意的是，本研究虽然对O2Hb和HHb都进行了分析，但是以往的研究发现分析O2Hb容易导致不明确的结果( Herrmann et al.,2008)，而HHB结果更符合fMRI关于情绪调节大脑激活的数据，因此结果的重点是双侧颞叶HHb的变化情况。
下图4a显示了由不同情绪声音引起的听觉皮层ROI和Non-ROI的平均激活和标准误(SE)(UNP =不愉快;NEU = 中性;PLE = 愉快)，t检验表明，愉快和不愉快的声音导致听觉皮层激活明显高于中性声音，而愉快与不愉快之间不存在显著差异。
图4b则显示了不同情绪声音类别下HHb的平均信号时间程和标准误(SE)
Left temporal Right temporal
这项研究的结果与原本的的假设一致，即与中性条件相比，愉快和不愉快的声音导致了更高的听觉皮层激活。从实验设计中我们不难发现这是一个典型的组块设计，因为整个实验中包含了5个愉快声音block，5个中性声音block和5个不愉快声音block并随即呈现，因此本研究在实验设计的结构上是较为清晰明了的。
2.2 利用fNIRS测量腿部活动的血流动力学反应
Helena等(2023)利用fNIRS对腿部活动所引起的初级运动皮层(Primary motor cortex, M1)的血流动力学反应进行了测量。该研究招募了27名成年人被试并以1.5HZ的速率完成腿脚敲击任务。具体来说，被试端坐在椅子上用右脚以434141243212的顺序踩击地板上的矩形垫，1,2,3,4分别代表中间，前面，后面和侧面，如下图5
实验在一个安静且昏暗的房间中进行的，被试右脚放在数字“1”的位置上并将头放在下巴托上，当屏幕上的注视点变为红色时就开始按照顺序踩击地板上的垫子，一个任务块完成后被要求进行休息并尽量减少身体其他部位的运动。具体来说，试验以8秒的1.5赫兹节拍器声音开始，以提醒参与者节奏，。然后是一个没有节拍器声音的白色注视点持续12-15秒，当注视点变成红色时，参与者被指示按顺序进行踩击任务，完成后又是一个持续5s的白色的注视点。实验共包含11个任务块，第一次被视为测试实验并在后续的分析中被排除。如下图6.
研究者将一组光极放置在了左侧M1和PMC，两组覆盖了左右DLPFC，另外两组排布在了双侧PPC，如下图7.
在招募的27名被试中有：一名被试由于错误过多被排除，两名被试分别因感到头痛和焦虑退出实验，另一名被试由于过多通道的头皮耦合指数(SCI)低于0.75被排除在外。最终保留23名被试，其腿部运动导致的M1区域的血流动力学反映情况如下图8. 在踩击过程中，与基线相比，位于中间位置的通道5、6和7 (p = 0.008 – 0.038)以及通道1和2 (p = 0.033 – 0.039)显示出显著的HbO变化，中间通道6和7表现出最高的激活 (HbO: Cohen’s d = 0.6 – 1.0; HbR: Cohen’s d = 0.4)。
从上述研究的实验设计不难看出，这是一个较为典型的利用fNIRS技术来测量运动条件下的M1区域的血流动力学反应的Block实验设计，与之类似的block研究中常用的任务还有finger tapping及grasping等等。研究者可参考类似的实验设计来进行自己的研究。
2.3 利用fNIRS检测任务执行过程中前额叶的激活情况
Michael等(2018)利用fNIRS技术检测了被试在n-back任务执行过程中大脑前额叶的激活情况。39名健康的成年人(10名男性，29名女性)参与此次实验，并在Block Design的实验设计下完成0和3条件下的n-back任务。在整个实验过程中Rest与Task block交替进行，0-back与3-back各呈现两次且Task Block的呈现顺序在参与者之间进行平衡，例如一半被试经历0-3-0-3另一半则经历3-0-3-0。除此之外，给定负荷的任务不连续呈现以避免习惯效应，每个Task Block持续47s，Rest期持续30s。整个实验共计338s。整体实验程序如下图9。
在整个实验过程中，研究者利用fNIRS技术对参与者的双侧PFC的血流动力学变化进行了检测，光极排布如下图10
结果发现，MedialPFC区域的HBO2无论是在0-back还是在3-back条件下几乎都没有显著变化，而在0-back Block期间所有区域都是如此。相比之下，在3-back Block期间，双侧前额区域的HBO2都显著增加，这些增加在3-back Block开始后大约20秒达到峰值。结果如图11所示。
从上面的实验流程图中不难看出每一个Block中只多次出现一种条件的刺激，例如：在第一个Block中某一个被试只接受0-back，而在第二个Block中才集中接受3-back这种条件的刺激，这是fNIRS研究中一个非常典型的Block Design，其目的就是为了反映了在某一种实验条件下大脑特定区域的激活程度，也可以比较不同条件下特定脑区激活的差异。
Block Design 因其设计简明，结构清晰且检测能力强等优点已成为fNIRS研究中最常用的实验设计方式之一。但值得注意的是，在进行Block设计时研究者应充分考虑一下几点：首先，组块设计通常是按某一顺序交替呈现某一种条件的刺激，因此在实验可能很难避免预期效应并且被试容易对某一block产生心理定势,所以研究者在进行block设计的时候尽可能对实验条件的出现顺序进行随机处理。其次，虽然Block设计有较强的检测能力，但其估计能力较弱，难以分离出单个刺激所引起的血液动力学响应的动态过程。最后，如果条件过多或Block设置过多则可能使得实验时间过长，导致被试在此过程感到疲惫而无法集中注意力或是产生无聊的情绪体验。总之，Block设计的组块时长既不能过长也不能过短，可将每个组快设置在20-30秒，具体的时长设置因不同实验而异，尽可能多的参考前人较为成功的例子或与fMRI研究进行对照，并安排预实验来初步的检测实验效果。
朱.(2020).近红外光谱脑功能成像.科学出版社.
Juan E. Arco, Carlos González-García, Paloma Díaz-Gutiérrez, Javier Ramírez, María Ruz,Influence of activation pattern estimates and statistical significance tests in fMRI decoding analysis, Journal of Neuroscience Methods,Volume 308,2018,Pages 248-260, ISSN 0165-0270, https://doi.org/10.1016/j.jneumeth.2018.06.017
M.M. Bradley, P.J. Lang International affective digitized sounds (IADS): stimuli, instruction manual and affective ratings (Tech. Rep. No. B-2)
The Center for Research in Psychophysiology, University of Florida, Gainesville, FL (1999)
Herrmann, M. J., Huter, T., Plichta, M. M., Ehlis, A. C., Alpers, G. W., Mühlberger, A., & Fallgatter, A. J. (2008). Enhancement of activity of the primary visual cortex during processing of emotional stimuli as measured with event-related functional near-infrared spectroscopy and event-related potentials. Human brain mapping, 29(1), 28–35. https://doi.org/10.1002/hbm.20368
Helena Cockx, Robert Oostenveld, Merel Tabor, Ecaterina Savenco, Arne van Setten, Ian Cameron, Richard van Wezel, fNIRS is sensitive to leg activity in the primary motor cortex after systemic artifact correction, NeuroImage, Volume 269, 2023,119880,ISSN 1053-8119, https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2023.119880.
Michael K. Yeung, Tsz L. Lee, Yvonne M.Y. Han, Agnes S. Chan,
Prefrontal activation and pupil dilation during n-back task performance: A combined fNIRS and pupillometry study, Neuropsychologia,Volume 159,2021,107954,ISSN 0028-3932,https://doi.org/10.1016/j.neuropsychologia.2021.107954.
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