利用虚拟现实工作记忆任务评估ADHD儿童对哌醋甲酯的脑血流动力学反应

01 研究背景
虚拟现实(VR)神经心理测试已经成为一种探索药物对注意缺陷多动障碍(ADHD)儿童在现实生活中有效性的一种方法。功能近红外光谱(fNIRS)可以有效的测量多动症儿童在虚拟现实任务中的运动型不安的大脑活动性。本研究旨在探讨哌醋甲酯(MPH)在模拟现实生活的工作记忆任务中对行为表现和大脑活动的影响。

02 研究方法
2.1 被试
共有23名患有ADHD的儿童（年龄范围7-16岁；平均年龄9.96±2.82）和12名健康对照(HC)儿童（年龄范围7-14岁；平均年龄11.33±2.93）参与本研究。

2.2 实验流程
被试主要为两组，一组是ADHD儿童，一组是正常儿童。所有被试的实验流程如图1A所示，首先被试先进行练习，接着做N-back任务，之后服用药物，在两个小时后再进行N-back任务。

图1.实验设计与虚拟现实环境。(A)MPH前后任务流程示意图。
(B)介绍n-back任务时虚拟教室的截图。(C)具有曲面屏幕的虚拟现实影院

2.3 实验材料
VR环境：VR任务的背景是一个虚拟教室，参与者一开始发现自己在教室里，参与者面对着老师，其他的化身同学坐在附近(图1B)。首先出现“请在上课前四处看看”的信息，接着一个教师角色进入并告知参与者N-back任务的规则。参与者首先执行一项叫做“游戏教程”的练习任务，每种情况包含10个刺激。如果参与者犯的错误比设定的标准更多，则重复练习。在实际任务之前，老师简要地解释了fNIRS设备，并鼓励参与者尽可能保持静止。在收到指示后，参与者被引导佩戴fNIRS装备，然后进行主要任务。

n-back任务：每次n-back任务包括3组。每组包含交替的1-back（低空间记忆负载）和2-back（高空间记忆负载），以及介于0-back（控制）之间的条件（每组任务持续40秒；20次刺激，随机显示大写字母A-G）。每个刺激呈现500ms，刺激间隔为1.5s。

 2.4 FNIRS 测量及分析
本实验使用了多通道高密度fNIRS仪器(NIRSIT；OBELAB，首尔，韩国)，它包括24个激光二极管发射两个波长(780/850nm)和32个距离1.5厘米的光电探测器。采样率为8.138Hz。48个通道的对齐情况如图2所示。根据国际10-20系统对脑电图电极位置的相关标准位置，将fNIRS装置放置在头部。信噪比的阈值为30dB，通过检测到的光信号的带通滤波器(0.005-0.1Hz)进行滤波，消除了生理噪声和环境噪声的缓慢漂移。

利用改进的modified Beer Lambert Law定律(MBLL)将原始光强度转化为含氧血红蛋白∆HbO2)的浓度变化。在多次试验平均后，计算每个通道的平均oxy-Hb浓度变化(avg∆HbO2)。最后，选定特定的区域(ROI)对分类通道进行平均，提取avg∆HbO2的区域代表值。48个通道分别分为左右背外侧前额叶皮层(DLPFC)、腹外侧前额叶皮层(VLPFC)、内侧前额叶皮层(mPFC)和眶额叶皮层(OFC)。本实验使用了多通道高密度fNIRS仪器(NIRSIT；OBELAB，首尔，韩国)，它包括24个激光二极管发射两个波长(780/850nm)和32个距离1.5厘米的光电探测器。采样率为8.138Hz。48个通道的对齐情况如图2所示。根据国际10-20系统对脑电图电极位置的相关标准位置，将fNIRS装置放置在头部。信噪比的阈值为30dB，通过检测到的光信号的带通滤波器(0.005-0.1Hz)进行滤波，消除了生理噪声和环境噪声的缓慢漂移。

利用改进的modified Beer Lambert Law定律(MBLL)将原始光强度转化为含氧血红蛋白∆HbO2)的浓度变化。在多次试验平均后，计算每个通道的平均oxy-Hb浓度变化(avg∆HbO2)。最后，选定特定的区域(ROI)对分类通道进行平均，提取avg∆HbO2的区域代表值。48个通道分别分为左右背外侧前额叶皮层(DLPFC)、腹外侧前额叶皮层(VLPFC)、内侧前额叶皮层(mPFC)和眶额叶皮层(OFC)。

03 实验结果
3.1 行为结果
表1显示了HC和ADHD参与者在每个n-back任务中的平均准确率和RTs。对ADHD被试的数据进行分析发现1-back中与使用MPH前相比，使用后被试的RT和 RT variability降低，准确性提高。ADHD组和HC组之间的行为表现没有显著差异。没有发现ADHD儿童与健康被试行为表现无显著差异。
 

3.2 FNIRS 结果
（1）如 图3B和C所示，对被试使用MPH前和后进行1-back测试，在任何区域都没有观察到显著的差异性。

（2）如图3B所示，比较ADHD和HC组发现，MPH前和MpH后ADHD受试者在右侧DLPFC中avg∆HbO2信号显著减少(pre-MPH vs HC，t=−2.443，p<0.05；post- MPH vs HC，t=−2.233，p<0.05；

（3）如图3所示，在2-back条件，受试者的Avg1HbO2 pre-MPH显著高于post-MPH在左侧DLPFC和双侧(左侧DLPFC, t = 2.838, p < 0.05, uncorrected; 左侧mPFC, t =2.334, p < 0.05, uncorrected; 右侧 mPFC, t = 2.496, p <0.05）。

（4）HC组与mph前和后ADHD受试者比较没有观察到显著差异。在2-back任务中，ADHD受试者使用MPH后几个大脑区域的激活下降。

3.3 行为表现与FNIRS结果之间的相关性
04 结论
在高负荷WM任务中，MPH治疗后，双侧mPFC的激活降低。此外，在MPH前条件下，双侧mPFC激活与任务准确性呈负相关；给药后，这种相关性消失。这些发现表明，在ADHD儿童中，在高负荷WM任务中介导的不适当的过度神游可能在使用MPH后消失。综上所述，这些结果表明，VR任务和fNIRS检查的结合是一种技术，能够在现实生活中检查ADHD儿童和青少年的干预效果。

05 参考文献及DOI号
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