为大脑可塑性“续航”：纵向fNIRS证实单次经颅红外激光（TILS）效应长达5天
研究背景
光生物调节（PBM）作为一种非侵入性神经调控技术，近年来在认知增强领域受到广泛关注。其代表性技术——经颅红外激光刺激（TILS），通过向特定脑区发射1064纳米波长的红外光，部分光子可穿透颅骨到达皮层组织，被线粒体中的细胞色素c氧化酶吸收，从而提升细胞代谢水平和局部脑血流。既往研究表明，将TILS应用于右侧前额皮层可改善健康成人的工作记忆、执行功能和注意维持能力。
然而，尽管TILS的即时生理效应已被多次证实，单次刺激后这些效应在人脑中能够持续多久，目前仍缺乏系统研究。理解TILS的作用持续时间不仅有助于阐明其神经生物学机制，也对优化临床干预方案（如确定治疗间隔）具有重要指导意义。基于此，本研究采用纵向设计，在5天时间内多次采集功能性近红外光谱成像（fNIRS）数据，系统评估单次TILS对前额皮层功能连接性的影响及其持续时间。
研究方法
本研究采用假刺激对照、被试内交叉设计，共纳入12名健康成年人（平均年龄29.5岁）。所有被试以随机顺序先后接受活性TILS和假刺激，两次干预之间设置4周洗脱期。
实验流程：干预当天（第1天），被试首先佩戴fNIRS设备，完成5分钟静息态和5分钟2-back记忆任务（认知激活态）扫描，获取基线数据。随后接受活性TILS或假刺激，刺激部位为右侧前额皮层（Fp2电极位点，持续8分钟）。刺激结束后立即重复fNIRS扫描。此后连续4天（第2-5天），被试每天在同一时间点返回实验室，再次进行相同流程的fNIRS扫描。
数据采集与分析：使用NIRS设备（NIRSIT）采集前额皮层氧合血红蛋白（HbO）信号。通过计算所有通道对氧合血红蛋白信号的时间相关性（Pearson相关系数r），获得反映全脑功能连接的整体指标。采用重复测量协方差分析（ANCOVA），以性别和干预顺序为被试间因素、年龄为协变量，评估TILS对功能连接的影响。
图1 实验流程图
研究结果
行为学表现：被试在2-back任务中的表现（命中率）在首次测试后即达到较高水平并保持稳定。重复测量ANCOVA显示，TILS与假刺激条件之间无显著差异（p > 0.05），表明TILS未改变行为表现，这与健康成年人在简单工作记忆任务中易达“天花板效应”的预期一致。
图2 认知激活任务（2-back）表现（命中率）
静息态功能连接：对所有时间点静息态数据的整体分析未发现TILS的显著主效应或交互作用（p > 0.05），表明在无特定认知需求时，TILS对前额皮层功能连接的影响不显著。
认知任务态功能连接（核心发现）：相比之下，2-back任务期间的功能连接分析显示出显著的TILS调控效应。重复测量ANCOVA显示，干预条件（TILS/假刺激）与测量时间点之间存在显著交互作用（F (5,30) = 2.88, p = 0.031, η²p = 0.324）。进一步分析表明，这一效应主要来自干预后连续几天内的持续性变化（第1天干预前至第2-5天：F (4,24) = 3.03, p = 0.037, η²p = 0.336），而干预当天的即时效应未达显著水平。
图3 前额皮层平均功能连接性变化
机制探讨：为何功能连接会降低？
数据表明，TILS导致了前额皮层功能连接的相对降低（去同步化）。在神经科学中，功能连接的降低通常反映大脑从静息状态下的协调节律性活动，向认知加工所需的信息丰富、代谢需求高的独立处理模式转变。从代谢角度理解，TILS通过增强线粒体能量（ATP）供应，使神经元能够负担并维持这种高能耗的“去同步化”状态。这也印证了既往的计算神经科学理论：当细胞能量供应充足时，神经网络更倾向于维持去同步化放电模式，从而支持更复杂、灵活的信息处理。
研究意义
本研究首次在人体中证实，单次经颅红外激光刺激可诱导前额皮层发生持续至少5天的功能可塑性变化。这一发现将我们对TILS作用机制的理解从即时生理效应扩展至中长期神经调控，为PBM技术的临床应用提供了关键的时间动力学参数。同时，研究验证了fNIRS衍生的功能连接可作为评估PBM作用时效的敏感指标，未来可用于指导治疗剂量和干预间隔的优化。对于以认知功能缺损为核心特征的神经精神疾病（如轻度认知障碍、抑郁症等），TILS作为一种无创、安全、可重复的干预手段，展现出了广阔的临床转化前景。
DOI：10.3389/fnbeh.2025.1726805
引用：O’Connor, P., Lime, T., Barrett, D. W., & Gonzalez-Lima, F. (2025). Photobiomodulation mechanisms: duration of action in the human prefrontal cortex. Frontiers in Behavioral Neuroscience, 19, 1726805.
