婴儿睡眠期白噪声刺激下基于任务态功能连接的fNIRS研究揭示脑网络个体差异

本研究通过功能性近红外光谱技术(fNIRS)探究自然睡眠婴儿在规律白噪声刺激下任务态功能连接(TSFC)的变化特征。研究人员设计5周期15秒白噪声/20秒静息的刺激范式(0.0286Hz)，发现婴儿对相同刺激存在敏感-阳性(Sensitive-Positive)、敏感-阴性(Sensitive-Negative)和迟钝(Insensitive)三类响应模式。通过窄频带稀疏性分析和图论指标计算，证实任务频率可能干扰个体基线认知频率，且静息态小世界属性越强的婴儿对刺激越敏感。该研究为婴幼儿脑网络个体化评估提供了新方法。

　　

人类大脑在婴儿期展现出惊人的可塑性，这一时期神经网络的发育轨迹深刻影响着后续认知能力的发展。然而，由于婴儿群体的特殊性，传统神经科学研究面临巨大挑战——清醒状态下的婴儿难以保持绝对静息，而睡眠状态又与传统"静息态"存在本质差异。这种困境使得科学家们长期难以准确捕捉婴儿脑网络在"无干扰"与"受刺激"状态间的动态变化规律。

针对这一科学难题，西安市人民医院（西安市第四医院）的研究团队创新性地利用功能性近红外光谱技术(fNIRS，functional near-infrared spectroscopy)，在婴儿自然睡眠状态下开展了一项突破性研究。通过精心设计的白噪声刺激范式，研究人员首次系统揭示了婴儿脑网络从静息态到任务态的功能连接重组规律，相关成果发表在《Scientific Reports》期刊。

研究采用三大关键技术方法：1) 22通道fNIRS系统采集前额叶皮层氧合血红蛋白(Oxy)和脱氧血红蛋白(Dxy)信号，探头间距3cm按10-10 EEG系统排布；2) 设计5周期15秒白噪声(54.7dBA)/20秒静息的块状刺激范式，任务频率固定为0.0286Hz；3) 结合窄频带稀疏性分析和图论指标(聚类系数C_p、全局效率等)，对21名健康婴儿(中位年龄90天)的脑网络特性进行量化评估。

刺激响应模式的个体差异

通过计算0.02-0.03Hz任务频段的稀疏性变化，研究发现婴儿对相同刺激呈现三类截然不同的响应模式：高频段连接显著增强的"敏感-阳性"组(High)、连接抑制的"敏感-阴性"组(Low)以及反应微弱的"迟钝"组(Med)。特别值得注意的是，部分婴儿在静息态的"主频"恰为任务频率0.02-0.03Hz时，刺激后该频段连接反而出现显著下降，提示任务频率可能干扰了其固有的神经振荡模式。

频带特异性功能连接重组

窄频带分析(0.01-0.08Hz)显示，氧合血红蛋白信号在0.02-0.03Hz任务频段的变化最具鉴别力。阳性响应组在该频段的稀疏性增幅高达基准值的3.5倍(t=9.142,p<0.01,d=3.455)，而阴性响应组则呈现显著抑制。这种频带特异性重组现象在传统宽频带分析中容易被掩盖，证实窄频带策略对揭示婴儿脑网络动态更具优势。

图论指标的组间差异

全局效率与局部效率在任务态下呈现"High>Med>Low"的梯度变化(F=22.216,p<0.01,η²=0.712)。尤为关键的是，静息态小世界属性越强的婴儿，在任务态中表现出更高的刺激敏感性。节点度分析发现，左侧腹侧/背侧额上回(vSFG/dSFG)和中额回(MFG)在阳性响应组显著增强，而在阴性响应组则明显减弱，提示这些区域可能是婴儿脑网络状态转换的关键枢纽。

这项研究开创性地证实：即使是简单的白噪声刺激，也能诱发婴儿脑网络的功能重组，且这种重组具有显著的个体差异性。通过创新的窄频带稀疏性分析方法，研究人员建立了一套直接评估婴儿脑网络刺激敏感性的指标体系。从临床应用角度看，该研究为早期识别神经发育异常提供了新思路——不同响应模式可能反映了婴儿神经系统的不同成熟状态。从方法论而言，研究证实窄频带分析比传统宽频带策略更能捕捉婴儿脑网络的动态特征，这一发现为未来婴幼儿认知研究提供了重要技术参考。

值得注意的是，阴性响应组的出现暗示某些婴儿可能将外部刺激视为对其内在神经活动的干扰，这种现象与成人研究中的"默认模式网络"抑制机制存在有趣类比。研究人员推测，这种早期表现出的个体差异可能预示着不同的认知发展轨迹，但需要纵向研究进一步验证。随着该方法的不断完善，未来或可通过简单的听觉范式评估婴儿脑功能状态，为早期发育筛查提供客观依据。