本文是一篇发表于《Annals of the New York Academy of Sciences》的综述（review），发表于2020年，第1464卷，页码5–29，DOI为10.1111/nyas.13948。该综述属于类型b。作者为Paola Pinti、Ilias Tachtsidis、Antonia Hamilton、Joy Hirsch、Clarisse Aichelburg、Sam Gilbert和Paul W. Burgess，他们分别来自伦敦大学学院（University College London）医学物理与生物医学工程系、认知神经科学研究所，以及耶鲁大学医学院（Yale School of Medicine）精神病学系、神经科学系和比较医学系。文章全面回顾了功能性近红外光谱（functional near-infrared spectroscopy, fNIRS）在认知神经科学中的现状与未来应用，重点讨论了该方法在自然情境和社会认知神经科学中的潜力与挑战。下面分几个主要部分对该文进行详细介绍。

文章首先说明了fNIRS技术的发展背景与优势。过去几十年中，fNIRS在认知神经科学中的应用迅速增长，这主要得益于它相对于功能性磁共振成像（functional magnetic resonance imaging, fMRI）和脑电图/脑磁图（electroencephalography/magnetoencephalography, EEG/MEG）的若干优势。fNIRS具有无创、对运动伪迹耐受性好、便携性强等特点，适用于从新生儿到老年人的各类参与者，也适用于实验室内外多种实验情境。文章指出，fNIRS最早在神经发育研究领域取得了成功，尤其是对婴儿和儿童脑功能的研究。由于fNIRS的便携性、运动容忍性和安全性，它能够研究一些fMRI难以开展的问题，例如面孔与语言加工、视觉和听觉系统的功能特化等。同时，fNIRS也被用于精神疾病研究，例如精神分裂症患者在言语流畅任务中前额叶皮层（prefrontal cortex, PFC）的血流动力学异常。fNIRS还被用于研究行走中的脑活动、脑机接口和神经康复。

接下来，文章介绍了近红外光谱的历史和基本原理。fNIRS利用波长为650–950 nm的近红外光照射头部，利用生物组织在该波段相对透明的特性，使光能够到达脑组织。1977年，Fransis Jöbsis发现红光能够穿透4毫米厚的牛排骨头，这启发了人们用近红外光探测脑组织。fNIRS主要通过测量氧合血红蛋白（oxygenated hemoglobin, HbO2）和脱氧血红蛋白（deoxygenated hemoglobin, HbR）的浓度变化来反映神经元活动。近红外光在组织中的传播主要受吸收和散射两种作用影响。HbO2和HbR对近红外光的吸收存在差异：HbO2在波长大于800 nm时吸收更高，而HbR在波长小于800 nm时吸收更高。当某一脑区激活时，局部脑血流（cerebral blood flow, CBF）增加，导致HbO2浓度升高、HbR浓度降低，这种变化可以通过fNIRS测量。目前的fNIRS系统主要包括连续波（continuous wave, CW）系统、时域（time-domain, TD）系统和频域（frequency-domain, FD）系统。CW系统最常见，价格较低，但不能分离吸收和散射，只能得到HbO2和HbR的相对变化；TD和FD系统可以分离吸收和散射，从而得到绝对浓度，但设备更复杂、更昂贵。文章还指出，光源-探测器距离（source–detector separation）通常为成人30–35 mm、婴儿20–25 mm，以保证足够的深度敏感性和信噪比（signal-to-noise ratio, SNR）。近年来出现了可穿戴、无线、无光纤的fNIRS设备，这些设备使用LED直接贴在头皮上，更加轻便、抗运动伪迹。

在数据分析方面，文章回顾了fNIRS数据处理方法的进展。早期主要依靠定性观察或幅度阈值来判断任务相关活动，现在则普遍使用事件锁定平均、统计参数映射（statistical parametric mapping, SPM）和一般线性模型（general linear model, GLM）等方法。由于fNIRS与fMRI血液动力学信号具有相似性，许多fMRI分析方法被引入fNIRS，包括GLM、独立成分分析（independent component analysis, ICA）、主成分分析（principal component analysis, PCA）、多体素模式分析（multivoxel pattern analysis, MVPA）等。这些方法在实验室计算机化实验中依赖已知的刺激时间线。但在自然情境实验中，刺激时间并不固定，因此Pinti等人开发了一种称为AIDE（automatic identification of functional events）的算法，能够直接从fNIRS数据中自动识别功能事件的起始和持续时间，从而实现对自由行为实验中脑活动的分析。这类“脑优先”（brain-first）方法与传统的“行为优先”（behavior-first）方法互补，扩大了fNIRS的应用范围。

文章进一步比较了fNIRS与其他神经成像方法的优缺点。fNIRS的空间分辨率约为2–3 cm，优于EEG但低于fMRI；时间采样率通常可达10 Hz，优于fMRI但低于EEG/MEG。fNIRS对运动伪迹的耐受性较好，尤其适合需要行走、说话或进行社交互动的实验情境。fNIRS装置安静、成本较低、便携，适合儿童、老年人及患者群体，也适合长时间连续监测。但fNIRS也存在一些局限性，包括穿透深度有限（仅约1.5–2 cm）、无法获得结构像和解剖信息、易受系统性血流变化影响、信噪比不稳定，以及数据分析缺乏标准化等。文章特别指出，在fNIRS分析中，不同研究者可能选择不同的通道剔除标准、伪迹校正方法、去噪技术和统计推断方法，这些选择会影响结果。此外，关于使用HbO2还是HbR（或两者结合）作为功能活动指标，目前也缺乏共识。HbO2变化幅度更大、信噪比更高，但更容易受到生理干扰；HbR更稳健但统计功效较低。

在应用方面，文章重点讨论了fNIRS在自然情境认知研究和社会神经科学中的应用。fNIRS特别适合研究前额叶皮层功能，因为前额叶皮层与自主行为、开放情境中的决策等高级认知过程密切相关。传统fMRI要求参与者处于高度受限的环境中，这可能降低生态效度（ecological validity）和构念效度（construct validity）。fNIRS使得研究者可以在真实驾驶、街头行走等自然情境中测量脑活动。例如，Yoshino等人的研究使用fNIRS测量驾驶员在执行掉头、停车等操作时的PFC活动，发现掉头时吻侧前额叶皮层（BA 10）激活更强，与监督注意系统模型（supervisory attentional system model）的预测一致。另一个例子是Pinti等人在伦敦街道上进行的预期记忆任务研究，参与者佩戴可穿戴fNIRS设备，自由行走并完成与目标停车计费器相关的任务。这种研究展示了fNIRS在真实世界神经成像中的可行性。

在社交神经科学领域，fNIRS也显示出独特优势。传统fMRI研究难以模拟真实社交互动，而fNIRS允许参与者进行面对面交流、模仿、注视等自然行为。文章列举了多项fNIRS社交认知研究，包括面部感知、情绪感知、心理理论、触摸感知和模仿行为等。尤其值得关注的是基于fNIRS的超扫描（hyperscanning）技术，即同时记录两名或多名参与者的脑活动。这类研究可以测量脑间同步性（inter-brain synchrony），通常使用小波相干（wavelet coherence）或Granger因果分析。文章详细描述了Hirsch等人2017年的一项研究，该研究结合fNIRS、眼动追踪和面部追踪技术，考察两名参与者进行真实眼神接触时的脑活动。结果发现，在真实眼对眼接触条件下，左侧颞顶交界区（temporoparietal junction, TPJ）亚区、缘上回（supramarginal gyrus, SMG）、颞上回（superior temporal gyrus, STG）、颞中回（middle temporal gyrus, MTG）、中央下区（subcentral area, SCA）等区域出现更强的脑间同步。该研究还通过计算洗牌对照（scrambled partners）排除了共同刺激导致的假同步。

此外，文章还讨论了fNIRS在未来硬件发展方面的方向。作者预期未来将出现更多高密度漫射光学断层成像（diffuse optical tomography, DOT）系统、时域fNIRS系统和宽带近红外光谱系统，这些技术有望提高空间分辨率、实现深度分辨测量并评估细胞色素c氧化酶（cytochrome c oxidase, oxCCO）的氧化状态。这些进展将进一步拓展fNIRS在认知神经科学中的应用前景。

最后，文章总结了fNIRS对认知神经科学的意义。fNIRS填补了fMRI和EEG/MEG之间的空白，能够在更自然、更生态有效的条件下研究脑-行为关系。与fMRI相比，fNIRS对参与者的限制更少，适合研究自由运动、社交互动和自然行为。作者指出，fNIRS的发展速度可能超过当年的fMRI，因为现有的分析软件、实验设计经验和多学科合作基础使得研究者能够更快地采用这一技术。同时，fNIRS的安全性和低成本也使其在资源有限的环境中具有广泛的应用潜力。文章认为，随着可穿戴fNIRS设备的普及和新的分析方法的开发，fNIRS将在认知神经科学和社会神经科学中发挥越来越重要的作用。