利用虛擬現(xiàn)實工作記憶任務評估ADHD兒童對哌醋甲酯的腦血流動力學反應

01 研究背景
虛擬現(xiàn)實(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障礙(ADHD)兒童在現(xiàn)實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癥兒童在虛擬現(xiàn)實任務中的運動型不安的大腦活動性。本研究旨在探討哌醋甲酯(MPH)在模擬現(xiàn)實生活的工作記憶任務中對行為表現(xiàn)和大腦活動的影響。

02 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 實驗流程
被試主要為兩組，一組是ADHD兒童，一組是正常兒童。所有被試的實驗流程如圖1A所示，首先被試先進行練習，接著做N-back任務，之后服用藥物，在兩個小時后再進行N-back任務。

圖1.實驗設(shè)計與虛擬現(xiàn)實環(huán)境。(A)MPH前后任務流程示意圖。
(B)介紹n-back任務時虛擬教室的截圖。(C)具有曲面屏幕的虛擬現(xiàn)實影院

2.3 實驗材料
VR環(huán)境：VR任務的背景是一個虛擬教室，參與者一開始發(fā)現(xiàn)自己在教室里，參與者面對著老師，其他的化身同學坐在附近(圖1B)。首先出現(xiàn)“請在上課前四處看看”的信息，接著一個教師角色進入并告知參與者N-back任務的規(guī)則。參與者首先執(zhí)行一項叫做“游戲教程”的練習任務，每種情況包含10個刺激。如果參與者犯的錯誤比設(shè)定的標準更多，則重復練習。在實際任務之前，老師簡要地解釋了fNIRS設(shè)備，并鼓勵參與者盡可能保持靜止。在收到指示后，參與者被引導佩戴fNIRS裝備，然后進行主要任務。

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

 2.4 FNIRS 測量及分析
本實驗使用了多通道高密度fNIRS儀器(NIRSIT；OBELAB，首爾，韓國)，它包括24個激光二極管發(fā)射兩個波長(780/850nm)和32個距離1.5厘米的光電探測器。采樣率為8.138Hz。48個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)標準位置，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。

利用改進的modified Beer Lambert Law定律(MBLL)將原始光強度轉(zhuǎn)化為含氧血紅蛋白∆HbO2)的濃度變化。在多次試驗平均后，計算每個通道的平均oxy-Hb濃度變化(avg∆HbO2)。最后，選定特定的區(qū)域(ROI)對分類通道進行平均，提取avg∆HbO2的區(qū)域代表值。48個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)。本實驗使用了多通道高密度fNIRS儀器(NIRSIT；OBELAB，首爾，韓國)，它包括24個激光二極管發(fā)射兩個波長(780/850nm)和32個距離1.5厘米的光電探測器。采樣率為8.138Hz。48個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)標準位置，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。

利用改進的modified Beer Lambert Law定律(MBLL)將原始光強度轉(zhuǎn)化為含氧血紅蛋白∆HbO2)的濃度變化。在多次試驗平均后，計算每個通道的平均oxy-Hb濃度變化(avg∆HbO2)。最后，選定特定的區(qū)域(ROI)對分類通道進行平均，提取avg∆HbO2的區(qū)域代表值。48個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)。

03 實驗結(jié)果
3.1 行為結(jié)果
表1顯示了HC和ADHD參與者在每個n-back任務中的平均準確率和RTs。對ADHD被試的數(shù)據(jù)進行分析發(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，準確性提高。ADHD組和HC組之間的行為表現(xiàn)沒有顯著差異。沒有發(fā)現(xiàn)ADHD兒童與健康被試行為表現(xiàn)無顯著差異。
 

3.2 FNIRS 結(jié)果
（1）如 圖3B和C所示，對被試使用MPH前和后進行1-back測試，在任何區(qū)域都沒有觀察到顯著的差異性。

（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信號顯著減少(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顯著高于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顯著差異。在2-back任務中，ADHD受試者使用MPH后幾個大腦區(qū)域的激活下降。

3.3 行為表現(xiàn)與FNIRS結(jié)果之間的相關(guān)性
04 結(jié)論
在高負荷WM任務中，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激活與任務準確性呈負相關(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，在高負荷WM任務中介導的不適當?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任務和fNIRS檢查的結(jié)合是一種技術(shù)，能夠在現(xiàn)實生活中檢查ADHD兒童和青少年的干預效果。

05 參考文獻及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