《Journal of Intellectual Disability Research》：Feasibility of Functional Near-Infrared Spectroscopy in Assessing Prefrontal Cortical Activation During Behaviour Inhibition in Williams Syndrome
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背景：威廉姆斯综合征（Williams syndrome, WS）是一种与神经发育障碍相关的遗传性疾病，包括智力障碍（intellectual disability, ID）和执行功能（executive functioning, EF）缺陷。尽
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背景：威廉姆斯综合征（Williams syndrome, WS）是一种与神经发育障碍相关的遗传性疾病，包括智力障碍（intellectual disability, ID）和执行功能（executive functioning, EF）缺陷。尽管神经影像学方法可能阐明这些损伤的神经基础，但参与者负担以及频繁排除认知能力较低的个体，阻碍了在WS中开展可推广的研究。功能性近红外光谱（functional near-infrared spectroscopy, fNIRS）作为一种低负担的神经影像学方法，可能为研究WS中EF的神经相关性提供更可及的途径。本研究考察了在行为抑制任务期间使用fNIRS测量WS个体前额叶皮层（prefrontal cortex, PFC）激活的可行性，并与年龄匹配的典型发育对照组的神经激活和行为表现进行比较。
方法：37名WS个体和21名健康志愿者，年龄3–85岁，完成了静息态和Go/No-Go（GNG）任务fNIRS记录。通过行为有效性和fNIRS数据质量评估可行性。使用任务期间氧合血红蛋白（oxygenated haemoglobin, HbO）变化评估前额叶激活。行为表现通过虚报错误率（commission error rate）衡量。采用单样本t检验评估“Go”和“No-Go”条件下的任务相关激活，并使用Spearman相关检验激活与行为表现之间的关联。
结果：89%的WS个体完成了静息态评估部分并具有有效的行为数据，表明对fNIRS平台具有较强耐受性。65%的个体完成了GNG任务且无行为问题。所有有效案例的预处理均成功，信号损失极小。WS个体比健康志愿者犯下显著更多的虚报错误，表明行为抑制受损。fNIRS分析揭示了WS在抑制过程中PFC激活的独特模式，多个通道出现显著激活，而健康志愿者中未观察到这些激活。然而，激活与各组行为表现之间无显著相关。
结论：这些结果支持fNIRS在WS个体（包括不同程度智力障碍者）中的可行性。GNG任务捕捉了WS的抑制缺陷并引发了不同的前额叶激活，但行为排除率提示该任务可能需要调整。总体而言，fNIRS作为一种可耐受且可及的神经影像学工具，在通常被排除在神经科学研究之外的神经发育人群中显示出应用前景。
论文解读
一、研究背景与问题
威廉姆斯综合征（Williams syndrome, WS）是一种由7q11.23染色体微缺失引起的遗传性疾病，其认知特征以频繁的智力障碍（intellectual disability, ID）、视觉空间缺陷和注意缺陷为主，同时伴随相对较强的语言能力。除神经认知特征外，WS还涉及多器官系统的异常。执行功能（executive functioning, EF）缺陷是WS的重要表型特征之一，其中抑制控制（inhibitory control）作为EF的核心组成部分，对注意力控制、行为抑制以及抵抗环境或内部诱惑的冲动反应具有关键作用。研究表明，WS个体的抑制缺陷可能与其特征性的视觉空间缺陷、社会趋近行为异常等表型相关。
然而，WS的神经影像学研究面临重大挑战。传统神经影像技术如功能性磁共振成像（functional magnetic resonance imaging, fMRI）要求参与者保持最小运动并具备较强的语言理解能力，这对伴有ID的WS个体而言负担过重。现有文献多集中于成年WS患者，且常采用智商（IQ）截断值排除标准（如IQ>70），这意味着约75%伴有ID的WS个体无法被纳入研究，严重限制了研究结果的推广性。此外，现有WS神经影像研究多集中于结构差异及视觉空间和社会情绪处理脑区，对注意和EF相关脑区（尤其是前额叶皮层，prefrontal cortex, PFC）的功能研究十分有限。
功能性近红外光谱（functional near-infrared spectroscopy, fNIRS）利用近红外光量化大脑中氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的变化，具有对运动伪影耐受性好、应用简便、参与者负担低等优势，无需将参与者限制在扫描腔内，允许更自然的数据采集环境，已在婴幼儿及脆性X综合征等伴有ID的遗传性疾病中成功应用。因此，fNIRS有望成为研究WS认知过程的可及性更高的神经影像工具。
二、研究目的与意义
本研究旨在评估fNIRS在WS个体中测量行为抑制任务期间PFC激活的可行性，并比较WS个体与典型发育（typically developing, TD）对照组在行为表现和神经激活方面的差异。研究不设IQ排除标准，纳入异质性WS样本，以检验fNIRS在该人群中的耐受性和数据可用性。该研究的开展对于建立WS等神经发育障碍人群可及的神经影像评估方法具有重要意义，有助于推动针对ID相关神经遗传性疾病临床和生物学终点的研究进程。
三、主要技术方法
本研究为一项嵌套于美国国立卫生研究院（National Institutes of Health, NIH）正在进行中的WS自然史研究方案（IRB Protocol Number 16-H-0144）的子研究。研究在美国国立心肺血液研究所（National Heart, Lung, and Blood Institute, NHLBI）开展，fNIRS测量于2020至2023年间加入年度访视。共37名WS个体（年龄3–85岁）尝试fNIRS测量，WS诊断均通过一种或多种分子方法（FISH、染色体微阵列或基因组测序）确认；对照组为21名健康志愿者（healthy volunteers, HV），年龄3–85岁。WS参与者完成了由持证心理学家实施或监督的认知行为测试组合，包括适龄智商测试和文兰适应行为量表第三版（Vineland Adaptive Behavior Scale, 3rd Edition）；对照组完成考夫曼简明智力测验第二版（Kaufman Brief Intelligence Test, 2nd Edition）。fNIRS数据采集使用fNIR Devices LLC Model 2000S成像仪，配备18通道传感带，包含16个测量通道（2.5 cm光源-探测器距离）和2个短分离通道（1 cm光源-探测器距离），覆盖PFC区域。参与者完成静息态和Go/No-Go（GNG）任务记录。行为表现通过虚报错误率衡量，神经激活通过任务期间氧合血红蛋白（oxygenated haemoglobin, HbO）变化评估。数据分析采用单样本t检验评估任务相关激活，Spearman相关检验考察激活与行为表现之间的关联。
四、研究结果
4.1 参与者特征与数据可行性
最终纳入fNIRS分析的参与者包括17名HV（年龄均值22.75岁，标准差13.63）和24名WS个体（年龄均值24.59岁，标准差11.19）。WS组的非语言智商（NVIQ）均值为60.95（标准差6.69），语言智商（VIQ）均值为72.81（标准差9.96），文兰适应行为综合标准分（Vineland ABC）均值为60.33（标准差16.02）。两组性别比例均衡（HV组男性53%，WS组男性50%）。WS组中96%为白人，12.5%为西班牙裔或拉丁裔。在可行性方面，89%的WS个体完成了静息态评估部分并具有有效行为数据，表明对fNIRS平台具有较强耐受性；65%的个体完成了GNG任务且无行为问题。所有有效案例的预处理均成功，信号损失极小。
4.2 行为表现结果
行为数据显示，WS个体在GNG任务中的虚报错误率显著高于健康志愿者，表明WS群体存在行为抑制功能受损。这一结果与已有文献中WS个体在抑制任务中表现缺陷的发现一致，验证了GNG任务在该人群中捕捉抑制缺陷的有效性。
4.3 fNIRS神经激活结果
fNIRS分析揭示了WS组在抑制过程中PFC激活的独特模式。在No-Go条件下，WS个体在多个通道出现显著激活，而健康志愿者中未观察到这些通道的显著激活。这一发现表明WS个体在行为抑制过程中表现出与TD对照组不同的前额叶募集模式，支持了WS中前额叶回路结构和功能改变的假设。
4.4 脑-行为关联分析
探索性分析考察了行为抑制能力与PFC激活之间的关系。结果显示，无论WS组还是对照组，激活水平与行为表现之间均未发现显著相关。这一结果与既往fMRI研究（如Mobbs等2007年的研究）中WS组BOLD活动与GNG反应时间无相关的发现一致，提示脑-行为关系的复杂性，也可能受样本量限制的影响。
五、讨论与结论
本研究结果支持fNIRS在WS个体（包括不同程度ID者）中的可行性。较高的任务完成率和数据质量表明fNIRS是一种可被该人群良好耐受的神经影像工具。GNG任务成功捕捉了WS的抑制缺陷，并引发了与TD对照组不同的前额叶激活模式，为理解WS抑制缺陷的神经机制提供了初步证据。然而，65%的GNG任务完成率提示该任务可能需要进行适应性调整，以降低行为排除率。研究也存在一定局限性，包括样本量相对较小、未排除服用注意缺陷/多动障碍（ADHD）药物的参与者等。总体而言，fNIRS作为一种可耐受且可及的神经影像学工具，在通常被排除在神经科学研究之外的神经发育人群中显示出良好的应用前景，为未来更大规模、更具代表性的WS及相关ID人群神经影像研究奠定了基础。
