自然观影情境下高密度弥散光学断层扫描数据集的构建与应用价值

《Scientific Data》：A high-density diffuse optical tomography dataset of naturalistic viewing

本研究为解决传统实验室任务生态效度不足的问题，研究人员通过高密度弥散光学断层扫描（HD-DOT）技术采集了58名健康成人在观看电影《黄金三镖客》时的脑活动数据，获得了覆盖枕叶、颞叶、顶叶和额叶的106次会话数据。研究发现感觉皮层存在显著的被试间相关性（ISC），且信号质量与脉冲信噪比正相关。该数据集以SNIRF和NIfTI格式公开，为自然情境认知神经科学研究提供了重要资源。

　　

在认知神经科学研究中，传统实验室任务虽然能够提供严格的控制条件，却难以捕捉真实世界中人类大脑活动的丰富性和复杂性。这种局限性促使研究者开始转向更具生态效度的实验范式，如采用电影和叙事等自然情境刺激来研究大脑功能。然而，现有的功能性磁共振成像（fMRI）技术存在扫描噪声大、对植入式医疗设备受试者不兼容等限制，这为光学神经成像技术提供了发展空间。

功能性近红外光谱（fNIRS）及其进阶技术——高密度弥散光学断层扫描（HD-DOT）凭借其无声操作、对植入式医疗设备的兼容性以及适用于真实场景等优势，逐渐成为研究自然情境下大脑活动的重要工具。但此前缺乏大规模的开放式HD-DOT自然观影数据集，限制了该领域的方法学探索和理论进展。

为解决这一问题，由华盛顿大学圣路易斯分校Arefeh Sherafati和Aahana Bajracharya共同第一作者、Jonathan E. Peelle为通讯作者的研究团队在《Scientific Data》发表了题为"A high-density diffuse optical tomography dataset of naturalistic viewing"的数据描述论文。该研究收集了58名18-76岁健康成人观看10分钟《黄金三镖客》电影片段时的大脑活动数据，其中36名参与者进行了多次观看，共获得106次有效数据记录。

研究团队使用两种不同规格的HD-DOT头帽（第一种：96个光源和92个探测器；第二种：128个光源和125个探测器）采集数据，光源-探测器间距涵盖1.3、3.0、3.9和4.7厘米四种距离。数据采集帧率为10赫兹，覆盖了大脑表层枕叶、颞叶、顶叶和额叶的大范围区域。

关键技术方法包括：使用NeuroDOT工具箱进行数据预处理，采用基于解剖图谱的光传播正向模型，通过Tikhonov正则化进行图像重建，将血红蛋白浓度变化数据重采样至3×3×3毫米标准空间，并遵循脑成像数据结构（BIDS）标准进行数据组织。数据质量通过全局时间导数方差（GVTD）和脉搏信噪比等指标进行验证。

数据质量评估

研究团队通过GVTD和脉搏信噪比两个指标评估数据质量。GVTD作为运动伪影的代理指标，与基于加速度计的运动测量高度相关；而脉搏信噪比则反映了检测生理信号的能力。高质量数据表现为低GVTD值和高信噪比水平。

结果显示，第一最近邻测量对中99±1%的数据保留，第二最近邻测量对中95±5%的数据保留。由于信噪比低，研究未使用超过第二最近邻的测量数据。数据质量与脉搏信噪比正相关，证实了脉搏振幅作为质量控指标的可靠性。

被试间相关性分析

被试间相关性（ISC）分析通过计算不同受试者同一脑区时间序列的相似性，来识别在自然观影过程中活动模式一致的脑区。研究人员将参与者按脉搏振幅分为低、中、高三组，分别计算其ISC值。

分析发现，ISC值在感觉皮层（如视觉皮层和听觉皮层）最高，这与先前fMRI和HD-DOT研究结果一致。高脉搏信噪比组的ISC值显著高于中、低组，且相关脑区从感觉皮层扩展到更高级的认知区域，表明数据质量影响功能信号检测的敏感性。

运动伪影校正后的ISC分析

为排除运动伪影对结果的潜在影响，研究采用基于GVTD的删帧方法（阈值5E-04）进行敏感性分析。如果任一受试者在特定时间帧的GVTD超过阈值，则在计算相关性时排除该帧。

结果显示，尽管绝对相关值有所降低，但ISC的空间分布模式与未校正分析相似，进一步证实了不同受试者间时间序列的正确对齐，排除了运动伪影对主要结果的驱动作用。

本研究构建的HD-DOT自然观影数据集填补了光学神经成像领域大规模开放式自然情境数据的空白。数据集提供原始数据（SNIRF格式）和标准空间数据（NIfTI格式），遵循BIDS标准，便于方法学比较和二次分析。技术验证表明，数据具有高质量的时间和空间一致性，适用于功能连接分析、脑网络识别以及多种认知现象的研究。该资源将促进自然主义神经科学领域的方法创新和理论发展，为理解真实世界情境下的人脑功能提供重要窗口。