视觉皮层的fNIRS反应振幅揭示了典型的儿童孤独症特征

自闭症特征代表了整个人群的一个连续维度，自闭症谱系障碍（Autism spectrum disorder, ASD）是分布的极端。越来越多的证据表明，ASD患者亲属中描述的神经解剖学和神经功能特征反映了临床人群和健康对照之间的中间神经生物学模式。这表明，在普通人群中检测自闭症特征的定量测量代表了识别ASD相关早期病理生理过程潜在候选的生物标志物。功能近红外光谱（fNIRS）已被广泛用于研究神经发育和功能。然而，fNIRS定义可靠的脑活动生物标志物的潜力几乎没有被探索过。无创性、便携性、易于管理和低运营成本的特点使fNIRS成为评估脑功能的合适工具，可用于多种神经疾病的鉴别诊断、随访、治疗结果分析和个性化治疗。这里介绍了一种新的具有很高的娱乐价值标准化程序，用于测量成人和儿童枕叶皮质的血流动力学反应（hemodynamic responses, HDR）。我们发现，通过自闭症谱系商进行评估，诱发HDR的变异性与儿童的自闭症特征相关。有趣的是，HDR振幅与社交和沟通特征尤其相关，代表ASD的核心症状。这些发现为使用fNIRS测量视觉诱发皮层活动提供了一种快速简便的策略，优化了年轻受试者的依从性，为测试fNIRS视觉测量在ASD临床人群中的诊断价值奠定了基础。

1.引言
孤独症谱系障碍（ASD）是一种异质性发展疾病，涉及社会交往中的持续挑战、受限/重复行为以及缺乏行为和认知灵活性。越来越多的流行病学证据表明，自闭症特征在普通人群中不断分布。这是由于ASD的复杂遗传和表观遗传模式，其中多个候选基因有助于疾病的发病。较轻微的自闭症特征被称为扩展或广泛自闭症表型（broader autism phenotype, BAP），其中BAP特征在ASD患者的一级和二级亲属中尤为普遍。目前，许多研究集中在被诊断患有自闭症的儿童的兄弟姐妹，即高危婴儿（HR），因为他们中约有20%在出生后第三年内被诊断为自闭症，另有20-30%患有神经发育疾病。此外，该人群中BAP症状的发生率很高。对HR儿童的前瞻性研究允许在早期，即全面临床表达之前，检测神经发育障碍的行为风险体征或生物标志物，而对一般人群中BAP特征的调查可能有助于剖析临床亚型，并根据发育阶段制定个性化干预策略。

在过去十年中，ASD的生物学方面已经得到了很大的探索，这得益于探索神经系统疾病的大脑相关因素的先进工具的不断增加，包括高密度脑电图、脑磁图、正电子发射断层扫描、磁共振成像（MRI）和功能性近红外光谱（fNIRS）。许多研究报告了ASD患者存在缺陷的神经解剖学和神经功能特征，表明特定脑区的功能障碍可能是ASD的核心症状。有趣的是，自闭症先证者的亲属，即使没有行为受损，也显示出与健康对照组显著不同的神经结构和神经功能模式，并与BAP特征相关。由于自闭症和广泛自闭症表型具有共同的遗传变异和神经生物学易感因素，因此，普通人群成为开发定量测量检测自闭症特征的合适测试平台。

FNIRS是一种光学成像技术，允许量化大脑皮层不同区域的耗氧量，提供神经元活性的间接测量。这种血氧水平依赖性（BOLD）信号类似于功能性MRI（fMRI）。然而，fNIRS比功能磁共振成像更能容忍运动伪影，并且运动检测和校正的稳健方法的发展避免了使用儿童镇静。此外，fNIRS具有完全无创、低成本、便携、无噪音、实验灵活性高、无设置限制等优点。这种方法学优势为fNIRS研究典型发育儿童或临床相关人群的神经回路成熟提供了高生态价值。

尽管在自闭症研究中使用fNIRS仍然是一个新兴领域，但许多旨在破译ASD背后的神经元机制和电路的研究评估了大脑功能和组织的不同方面，包括静息状态和任务诱发反应。对恢复状态血流动力学活动的一致性分析表明，不同皮质区域的局部和半球间功能连接较弱。此外，自闭症谱系中的个体在从感觉感知到执行功能、社会感知、联合注意力、模仿等任务中表现出非典型活动模式，包括特定脑区内血流动力学反应的降低、神经元激活的双边差异以及皮层专业化的缺乏，面部和情绪处理，言语感知和语言。大多数针对诱发脑活动的研究集中在前额叶和颞叶皮质，其中症状严重程度似乎与皮质激活程度呈负相关。

越来越多的证据表明，fNIRS可能是几种神经精神疾病的候选生物标志物，包括ASD。特别是，功能网络效率、近红外信号的加权可分性、多层神经网络和自发血流动力学波动的样本熵已被提议作为ASD的辅助诊断指标。然而，所有这些方法都需要复杂的算法来从fNIRS原始数据中提取高级特征，而生物标志物的适用性、适用性和翻译价值在很大程度上取决于它们的易用性。在此框架下，视觉表型分析已成为评估不同神经发育条件下皮层处理的重要模型。

由于临床研究表明ASD受试者视觉皮层的感觉处理和功能连接失调，并且非典型视觉处理与孤独症的神经生物学有关，我们假设fNIRS视觉测量可能是定量评估孤独症特征个体间差异的工具。大多数FNIR和电生理学研究中使用的刺激方案定量评估典型和临床人群的视觉反应，包括用灰色等光屏幕反转黑白棋盘图案，以基线间隔隔开。同样的范例也被用于测量自闭症患者的视觉诱发电位。然而，棋盘/灰色交替的娱乐价值相当低，可能会降低智力和神经发育障碍儿童的实验依从性。

因此，这项工作有三个具体目标：（1）建立一种新的标准化程序来评估枕叶皮质的HDR；（2） 使用这种创新的刺激方案测试典型成人和儿童fNIRS测量的可行性和可靠性；（3） 研究普通人群中HDR与广泛孤独症维度之间的相关性，用孤独症谱系商（AQ）进行评估。

2.结果
2.1 基于动画片的刺激能够唤起成人大脑皮层的视觉反应
我们测量了成年人群中由反转棋盘模式引发的皮质HDR功能。统计分析显示，棋盘刺激对所有HDR指标的空白呈现具有显著的主效应（径向刺激条件，RS，图2A；统计细节见表S1）。为了提高我们实验范式的娱乐性，我们设计了一种创新的视觉刺激方案，将棋盘格图案与商业卡通相结合，从而作为参考基线（图1和图S1）。我们发现THb和OHb显著增加，同时DHb浓度降低，以响应S的出现，这也反映了这种情况下视觉区域的功能激活。皮质反应与用作基线的卡通无关：当实验者事先固定了基线电影（卡通固定条件，CF；图2B，表S1）和受试者自由选择卡通时（卡通选择条件，CC；图2C，表S1），确实可以清楚地得出可比的HDR。有趣的是，在不同刺激条件下记录的HDR指标之间出现了显著的相关性模式（图S2；统计细节见表S1），表明视觉输入的质量在数量上不会影响HDR。对于CF和CC，皮层激活的幅度仅略小，OHb和DHb波动的范围明显低于RS诱发的范围（图2D；表S1）。，这些结果证明了这种创新的刺激程序的有效性，能够在枕叶皮层引起显著而可靠的反应，保持受试者之间的变异性。

图1. 视觉刺激与实验范式

2.2 卡通范式在激发儿童大脑皮层反应方面是可靠的
我们测量了典型发育期儿童观看与动画片混合的径向棋盘游戏时的皮层反应。我们比较了三种不同的条件：第一个选择用于低对比度（卡通1低对比度，20%，L1）和高对比度（漫画1高对比度，80%，H1）刺激，而第二个卡通仅在低对比度下呈现（卡通2低对比度、L2；图S1）。数据显示，在所有测试条件下，与空白对照组相比，视觉皮层显著激活，THb、OHb和DHb浓度发生显著变化（图3A-C）。在L1、H1和L2之后，诱发的皮层反应的振幅具有可比性（图3D），这证明HDR独立于为基线选择的卡通叙事以及儿童基线呈现的对比度水平。L1、H1和L2条件之间的响应潜伏期存在微小差异（图S4B）。检测到在不同条件下记录的不同HDR指数之间的高度显著的相关性模式（图S5）。认识到了皮质反应性的成熟趋势，儿童表现出明显高于成人受试者的HDR振幅（图3E）。相反，未发现年龄依赖性效应对反应潜伏期的影响（图S4C）。这些发现建立了一种利用fNIRS测量视觉诱发皮层活动的新方法，可确保年轻受试者的顺应性提高和测量的高质量可靠性，为研究典型发育期儿童以及临床相关人群的视觉皮层处理提供了有价值的工具。

图3. 使用低对比度和高对比度的混合RS动画卡通在儿童中可靠地检测到HDR信号
2.3 HDR波幅与AQ评分呈负相关
尽管在成人中未检测到任何影响（图4A-C），但视觉反应的幅度与儿童的AQ分数高度相关（图4D、E）。与最近的一项研究一致，这种相关性是特定于THb的，较高的AQ分数与较低的THb视觉诱发信号振幅相关（图4D，E）。有趣的是，HDR振幅与社交和沟通自闭症特征尤其相关（图5，S6）：事实上，单独评估五个AQ子量表，我们发现THb和OHb与社交技能子量表（AQ_S，图5A，B）显著相关，而只有THb调制与通信子量表（AQ_C，图5C，D）相关，并且在测试其他三个AQ子量表时未观察到显著的相互作用（AQ A，AQ D和AQUI；图S7）。考虑到不同视觉任务（L1和H1）的可靠性，THb和AQ_ S之间的交互作用最强（图5A，B）。

图4. HDR和AQ得分之间的相关性

图5. 儿童HDR和AQ分量表之间的相关性

讨论
我们测量了受试者在观看灰色等照度基线或与商业动画片混合的相同刺激时，枕叶皮质的血流动力学反应。在所有参与者中，模式化刺激引起了皮质血红蛋白的显著变化（THb和OHb向上，DHb向下），与参考基线无关，而空白呈现后未检测到反应。有趣的是，枕骨皮质激活水平并不取决于被选为参考基线的电影或基线对比度，与经典RS条件相比，在混合到动画中的刺激下，只有轻微的OHb和DHb变化减少。这些数据证明了这种新方法的可靠性，在激发皮层活动方面具有很高的娱乐性和生态价值。因此，我们的方法可能有助于研究大脑发育轨迹不典型的儿童的皮层功能，通常在实验环境中表现出顺应性降低。

HDR调制的幅度，尤其是THb，与儿童的AQ分数呈负相关。事实上，我们发现受试者的AQ分数越高，THb对视觉刺激的反应幅度越低，这表明视觉诱发的fNIRS反应能够捕捉到一般年轻人群中孤独症特征的维度。我们的发现与以前的研究一致这表明，用fNIRS测量的皮层激活和视觉心理生理学表现消极地反映了ASD症状的严重程度。此外，这些数据强化了这样一个概念，即THb变化可以为典型发育儿童和自闭症受试者之间的分类提供更丰富的鉴别信息。由于THb水平反映了视觉皮层中OHb和DHb浓度的相对变化，我们推测，THb与AQ分数的更好相关性可能是由于OHb与DHb变量的组合效应。由于用fNIRS测量的HDR强烈依赖于神经血管耦合，这表明较低的神经生理学活性可能部分源于内皮依赖性血管因子。

相反，我们未能检测到成年受试者的HDR和AQ分数之间的任何相关性。这可能是由于在儿童和成人参与者中测量的变量输出范围不同。事实上，我们的数据显示，与成人相比，儿童的fNIRS视觉诱发反应的振幅明显更高，记录信号的分布范围也更广。我们观察到HDR和AQ子量表之间相关性强度的变化，其中“社交技能”和“沟通”子量表的相关性最高。

我们对视觉诱发反应的分析是快速、简单的，只需要孩子们注意他们选择的一部短片。由于我们的刺激策略已被研究以优化年轻受试者的依从性，我们相信我们的结果可能为ASD患者的fNIRS视觉测量测试奠定了基础。此外，在普通人群中筛选自闭症特征可能有助于流行病学研究，因为它可以提供大量样本来研究自闭症表型严重程度与其他病理生理过程之间的相关性。

参考文献：The amplitude of fNIRS hemodynamic response in the visual cortex unmasks autistic traits in typically developing children