通过对日语和英语双语使用者进行的字母流畅性任务，多通道fNIRS在使用后期习得的语言执行任务时显示出额外的激活区域，这种额外的激活与第二语言熟练程度相关（Wroblewski等人，2017）。

功能性NIRS在语言映射方面有其固有的局限性，尚未在临床环境中使用。fNIRS有限的时间分辨率和深度分辨率是语言映射的主要障碍。此外，fNIRS缺乏解剖特异性，这对手术计划至关重要。增加视标密度并与其他成像方式（如MRI）配准可以提高解剖特异性。

神经危重症护理

在神经危重症护理环境中，解剖学的特异性变得不那么重要，因为及时测量全身脑氧合是主要目的。功能性NIRS由于其无创性和对血流动力学变化的良好时间分辨率，已被广泛用于此目的。一些证据表明，fNIRS有可能监测中风亚急性期的脑血流动力学变化和脑自动调节（CA）。一项针对少数患者（n=10）的早期试验显示，高碳酸血症导致的局部脑血流增加在受缺血性中风影响的大脑半球受损（Vernieri等人，1999年）。作者得出结论，功能失调的CA在这一发现中发挥了关键作用。一项大规模前瞻性试验（n=98）表明，功能失调的CA与蛛网膜下腔出血（SAH）后迟发性缺血性卒中相关（Budohoski等人，2012）。所有患者均患有急性（<5天）动脉瘤性SAH，并根据当前临床指南进行治疗。每1-2天对每位患者进行一次经颅多普勒（TCD）检查，以筛查血管痉挛。数字减影血管造影用于补充诊断。通过大脑fNIRS（NIRO-200）获得双侧额叶组织氧合指数（TOI）。用fNIRS和TCD作为动脉血压（ABP）和TOI之间以及ABP和大脑中动脉血流速度之间的线性相关系数来计算CA。主要终点是SAH后21天内的脑缺血。在发生脑缺血的患者中，TCD流速未能预测脑缺血的发生，而自动调节指数分别通过fNIRS和TCD显示缺血前5天和4天的变化。这一现象表明，fNIRS能够比TCD早1天显示功能失调的自动调节，这可能使其成为预测迟发性缺血性卒中发展的一个有前途的临床工具。使用连续实时fNIRS生成的CA指数进行进一步研究可能会产生更多临床相关的利用率。

频域fNIRS是评估中风患者CA的另一个新兴工具。氧血红蛋白的低（LFO）和极低频振荡（VLFO）被发现是评估CA的稳健参数（Andersen等人，2018；Su等人，2018）。根据脑震荡理论，LFO和VLFO与大脑交感神经活动有关。此外，LFO反映了CA的肌源成分；而VLFO反映神经源性（更大的脉管系统）和代谢性（微循环）。LFO和VLFO的振幅和半球间同步分析是评估CA的公认方法（参见综述（Andersen等人，2018））。在急性缺血性卒中（<5天）患者中，缺血半球LFO的振幅降低，半球间失同步（Phillip等人，2014）。中风对LFO和VLFO的影响可持续长达12个月（Li等人，2010年）。

脑自动调节是治疗创伤性脑损伤（TBI）的一个越来越公认的参数。传统上，颅内压（ICP）和脑灌注压（CPP）指导严重TBI的压力治疗。然而，考虑到患者之间的个体差异，这一概念可能过于简单化。与ICP和CPP不同，CA被认为是一个更为生理的参数，允许更灵活的血压管理。CA受损会导致继发性脑损伤，这是死亡的独立危险因素（Czosnyka等人，2009）。因此，已经开发了自动调节指数来确定严重TBI患者的最佳CPP（CPPopt）。CPPopt由平均ABP缓慢波动与ICP之间的相关系数决定。在神经危重症护理领域，这个相关系数被称为压力反应性指数（PRx），负的PRx与良好的结果相关。在给定的患者中，PRx最低的CPP范围被定义为“CPPopt”。研究人员显示了CPPopt与患者发病率和死亡率之间的相关性研究人员显示了CPPopt与患者发病率和死亡率之间的相关性（见综述（Zeiler等人，2017））。通常，需要进行侵入性ABP和ICP测量来计算PRx和最佳CPP，然而，已经努力寻找非侵入性替代方案来可靠地计算它们（Dias等人，2015；Bindra等人，2016）。例如，最近的一项前瞻性试验使用了多模式脑监测，包括ICP、CPP、双侧经颅脑血氧饱和度和fNIRS、脑组织氧合和脑血流，以评估严重TBI患者的CPPopt。共有18名患者入选，格拉斯哥昏迷评分中值为6。根据过去4小时内侵入性ABP和ICP数据计算的CPPopt曲线，每分钟在床边显示CPPopt。因此，对每个患者的CPPop进行虚拟实时监测，并计算患者在CA受损（PRx＞0.25）中的时间。ABP和ICP在CPPopt可用时根据CPPopt进行管理。那些PRx高且PRx＞0.25的患者的短期和长期预后在统计学上显著较差。进一步的事后分析表明，使用fNIRS的经颅脑血氧测定法生成的PRx与通过侵入性PRx计算的最佳CPP表现出最佳程度的一致性（Dias等人，2015）。这些发现表明，在计算CPPopt方面，fNIRS可以可靠地补充甚至替代侵入性ICP。另一项针对包括TBI在内的19名不同严重神经疾病患者的试验使用了类似的方法，比较了侵入式和非侵入式Finometer光体积描记器ABP在计算PRx中的有效性（Bindra等人，2016）。这项试验表明，PRx可以通过完全无创的方法（Finometer和fNIRS）在患有严重神经疾病的患者中获得。

由于每个患者的散射系数未知，通常无法通过连续波fNIRS可靠地估计氧饱和度。新的fNIRS技术允许研究人员评估血红蛋白种类的浓度，而不是它们的变化。例如，时域fNIRS已用于研究缺血性中风患者的脑氧合（Giacalone等人，2019）。结果显示，在大血管卒中的缺血半球，总血红蛋白增加，但氧血红蛋白减少（即氧饱和度降低）。此外，一种将血红蛋白种类和CCO的测量与时域fNIRS相结合的新方法（Lange等人，2019）可以大大增强我们对不同大脑病理中动态神经元氧代谢的理解。非侵入性和测量fNIRS实时生理变化的能力也可以启发研究人员进一步探索其在不同临床环境中的潜力。癫痫检测是研究最多的应用之一。

癫痫

在过去几十年中，动物研究表明，fNIRS可以检测到与癫痫峰值和高频振荡相对应的脑血流和氧合增加（Hoshi等人，2001；Zhang等人，2014）。fNIRS识别出的这些变化可能会比甲氧基瓜氨酸诱导的尖峰出现提前约5秒（Osharina等人，2010年）。这些发现启发了癫痫领域的许多后续临床研究。对癫痫发作的氧合反应进行了广泛的研究。局灶性癫痫和全身性癫痫似乎有区别。例如，一项早期临床病例研究显示，颞叶和颞叶外癫痫患者中，与非癫痫半球相比，癫痫半球的氧合持续发作性增加（Monrad等人，2015）。这项初步研究揭示了对癫痫发作期间代谢和血流动力学变化的进一步理解，如氧化磷酸化的解偶联或脑血管自动调节的改变。其他组也提出了局灶性发作癫痫的类似发现（Villringer等人，1994年；Adelson等人，1999年；Sokol等人，2000年）。在全身性癫痫和继发性全身性癫痫中，癫痫发作期间区域额叶氧合降低（Sokol等人，2000年；Buchheim等人，2004年）。尽管研究的样本量很小（n=2–8），使用了寡通道fNIRS（1–2通道），但这些初步发现为后来更大规模的多通道试验铺平了道路。

与fNIRS的其他应用不同，精确定位和空间分辨率在癫痫护理和管理中至关重要。fNIRS研究的最新进展之一是多通道fNIRS装置的开发。多通道fNIRS旨在提高空间分辨率，这一直是少通道fNIR的主要障碍。在过去的几十年中，已经发表了几个病例报告或系列（n=1-4）。区域差异增长SMA发作（Sato等人，2013年）、内侧颞叶癫痫（Rizki等人，2015年）和其他局灶性发作（Yucel等人，2014年）中发现了区域氧合或血流的差异性增加。利用多通道fNIRS和长期脑电图，癫痫学家可以更好地了解癫痫发作不同阶段（发作前、发作期、发作后和发作间期）的血流动力学变化，并改善癫痫的检测和定位。然而，共配准EEG、fNIRS甚至MRI数据需要先进的实验技能集和信号处理技术来获得和融合多模态成像数据集。例如，同时放置多个光电二极管和标准EEG电极对患者和电诊断技术人员来说都具有挑战性。能够实时显示fNIRS和EEG记录的专用软件目前还没有商用。在fNIRS中存在显著噪声的情况下分析血红蛋白种类的微小变化可能极具挑战性。fNIRS（数十Hz）和EEG之间采样率的显著差异(∼500–2000 Hz）需要复杂的数学技术和计算机功率来暂时同步记录。

其中一项先驱试验共有三名术前患者，克服了一些技术问题（Nguyen等人，2012年）。定制的电极-光电二极管组合帽允许更有效和舒适地放置传感器。作者使用低频滤波器最小化心脏伪影，并使用简单的统计工具（学生t检验）从背景中区分显著的信号变化。在癫痫发作期间对选定的fNIRS通道进行平均，以评估总体变化。作者发现，在癫痫发作期间，致痫区的总血红蛋白和氧血红蛋白增加，脱氧血红蛋白表现出双相反应，浓度最初降低，随后增加。然而，由于缺乏更多患者的试验，这种做法无法推广。此外，该试验并未显示fNIRS为癫痫发作管理提供额外的定位价值。事实上，目前在15名癫痫患者中使用便携式多通道fNIRS的一项临床试验未能显示出显著的癫痫发作检测率（Jeppesen等人，2015）。在总共34次局灶性癫痫发作中，只有6-18%的患者血红蛋白种类发生了显著变化。此外，没有一项临床研究显示在床边使用fNIRS进行实时监测的能力。所有fNIRS数据都需要后期分析。

由于癫痫发作检测率不一致，fNIRS尚未在癫痫临床实践中广泛应用。这可能反映了这样一个事实，即神经血管耦合理论是原发性神经元过度兴奋的次要现象，其在事件捕获时受到进一步的时间延迟。因此，血红蛋白种类以外的靶点，如CCO，可能更有用。如前所述，CCO是一种产生电化学电势的线粒体复合物，通过ATP合成酶驱动ATP合成。随着过度兴奋神经元的能量需求增加，细胞内ATP和相应的氧化CCO浓度也会发生变化。在我们的机构中，数十名患者使用定制设备同时进行了脑电图和fNIRS监测，该设备能够检测血红蛋白种类和CCO的变化（Kadamti J.等人，2018）。该技术耐受性良好，EEG和fNIRS之间没有干扰。这项初步研究有助于进一步了解癫痫发作期间的代谢和血流动力学变化。它可能为更准确的早期癫痫检测和定位提供额外的临床参数。

向量图分析检测血流动力学反应的初始下降（Hong和Naseer，2016），也可能改善fNIRS对癫痫发作的时间检测。然而，对fNIRS更高采样率的需求仍然是一个障碍，尤其是对于全头多通道系统。一种新的fNIRS设备配备了高达100Hz的采样率，其时间分辨率可与EEG相媲美。

自主功能

除了评估众所周知的大脑现象的生理变化外，fNIRS还可以成为那些机制尚未完全探索的疾病的有用研究工具。自主功能障碍就是一个例子。我们先前的研究表明，fNIRS可作为评估自主神经功能障碍的工具（Kadamati P.等人，2018）。共招募了12名受试者；6名健康对照和6名被诊断为姿势性骨科心动过速综合征（POTS）。下肢肌肉氧合通过商用fNIRS装置（INVOS 5100B）和定制的光电二极管进行测量。预计，POTS受试者显示出更高程度的静脉汇集（数量增加）预计，POTS受试者在70度倾斜期间下肢静脉汇集程度更高（总血红蛋白量增加）。此外，健康受试者的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的反应时间比POTS组快，这表明神经反射和血管顺应性在该组中都起作用。我们研究的这些新发现揭示了POTS的机制，以及直立不耐受的机制，其中患者对倾斜没有典型的心率反应，但有类似的直立症状。

许多其他研究也使用fNIRS研究了自主神经功能紊乱（Lankford等人，2015）、直立不耐受（Tanaka等人，2002）和血管迷走神经性晕厥（Ayers和Lawrence，2015）患者的脑血流动力学失调。例如，在血管迷走性晕厥期间，注意到时间区域脑饱和度降低先于其他生命体征变化（Ayers和Lawrence，2015）。功能性NIRS也为持续的脑血流提供了更可靠的结果。通过分析脑血流的动态变化模式，可以扩展直立不耐受的频谱和机制（Lankford等人，2015）。因此，fNIRS可能是一种新的自主神经功能障碍生物标志物。此外，与脑血流动力学失调相关的疾病，如偏头痛，也可以用fNIRS进一步研究。

偏头痛

一些研究小组集中于fNIRS在偏头痛中皮层扩散性抑郁症（CSD）检测中的应用。CSD被假设为偏头痛先兆的主要电生理特征（见综述（Goadsby等人，2017））。在动物模型中，CSD的特点是钠和钙的短期流入，神经元和胶质细胞的强烈去极化，随后神经元活动的长期“抑制”和局部脑血流的减少（Lauritzen，1994）。研究偏头痛的局部氧饱和度和脑血流可以提供更多关于偏头痛机制的信息。结合TCD，在一项自我对照试验中，fNIRS显示，在可能发生先兆和CSD的区域，由于氧气需求减少，血流灌注不足（Viola等人，2010）。

其他几个小组利用fNIRS评估偏头痛患者的脑血管反应性。在一名偏头痛患者因屏气引起的高碳酸血症期间，观察到氧血红蛋白峰值和总血流量的延迟和幅度降低（Akin和Bilensoy，2006）。这些发现提示偏头痛患者脑血管反应受损的可能性。Shinoura和Yamada（2005）使用不同的方法得出了类似的结论。特别是，短暂性位置性颅内高压导致偏头痛患者脑血管反应性降低。功能性NIRS可作为评估偏头痛患者药物治疗反应的潜在生物标志物。最近的一项研究显示，接受丙戊酸、硫酸镁和二氢麦角胺治疗的患者之间血流动力学变化存在差异，表明其治疗偏头痛的独特机制（Pourshoghi等人，2015）。在下一小节中，fNIRS作为诊断生物标志物的潜力在轻度认知障碍中得到进一步说明。

轻度认知障碍

轻度认知障碍的特点是认知能力下降，介于正常衰老和更严重的痴呆症之间。它影响至少一个认知领域，如记忆或复杂思维，但不影响日常生活活动。MCI是一种病因异质性实体，约15-20%的MCI患者继续发展为临床阿尔茨海默病（AD）（Jessen等人，2010）。神经心理测试已成为区分最终发展为AD的MCI患者和未发展为AD患者的主要生物标志物（Mueller等人，2018；Meilan等人，2020）。与其他非侵入性神经成像方式一样，fNIRS已被探索为区分MCI和AD的潜在生物标志物（Hong和Yaqub，2019）。最近对MCI的fNIRS研究表明，在工作记忆过程中，双侧前额叶中的氧血红蛋白（即低激活）增加较小（Yeung等人，2016；Vermeij等人，2017），在记忆恢复过程中，背外侧前额叶皮质中的氧合血红蛋白增加较小（Uemura等人，2016）。然而，准确率（平均60-70%）太低，无法可靠地识别MCI患者（Yang等人，2019）。此外，fNIRS显示出不一致的结果，表明与健康对照组相比，MCI患者在感兴趣区域的氧血红蛋白反应增加（Yoo和Hong，2019）。因此，fNIRS检测到的血流动力学反应不太可能对临床实践足够敏感和特异。