使用近红外光谱（2018）同时监测性唤起过程中前额皮层和生殖器官的血流动力学反应

评论：色情成瘾反对者声称，观看自然与观看色情在神经学上没有什么不同。 当然，这种说法是胡说八道-正如这项研究显示的那样。

叶夫根尼·金（Evgenii Kim），理学硕士， 金成哲，理学硕士， 菲利普斯诉西番尼亚，理学硕士， 李松贤，博士， 艾洛瓦·安古鲁安（Eloise Anguluan），理学硕士， 广城公园，医学博士，博士， 金在冠，博士

作者： https://doi.org/10.1016/j.esxm.2018.05.001

抽象

背景

监视脑部活动以及生殖器对性刺激的反应在了解性唤起的潜在机制以及勃起功能障碍的诊断中可以发挥重要作用。 几项研究已经观察到了与性刺激相对应的大脑活动，但是只有少数研究显示了大脑激活和阴茎反应的同时测量。

目的

引入近红外光谱（NIRS）作为一种便携式，易于实施且低成本的技术，以在性唤起中同时记录生殖器官的大脑活动和血液动力学。

方法

使用自制的NIRS系统获得了15名健康男性的血流动力学测量值。 在最初的实验中，在视觉性刺激（VSS）和中性视觉刺激（NVS）期间测量前额叶皮层（N = 10）的血液动力学，以鉴定与性唤起有关的大脑活动。 在随后的实验中，在VSS和NVS期间使用NIRS同时测量了大脑和阴茎的血流动力学（N = 5）。

成果

前额叶皮层显示出与VSS相关但与NVS不相关的活性。 同时测量显示，健康男性中阴茎的氧化性和脱氧性血红蛋白浓度相应增加，表明与性唤起有关的血容量增加。 在大脑和生殖器官之间的血液动力学变化中观察到平均响应延迟为4秒。

结论

在这项初步研究中，我们提出了一种NIRS系统，该系统不仅能够检测与性唤起有关的脑血流动力学变化，而且还能够同时测量阴茎血流动力学。 我们认为，NIRS系统可能是补充性医学领域的潜在技术，并且可以进一步扩展以诊断勃起功能障碍。

Kim E，Kim S，Zephaniah P等。 使用近红外光谱技术同时监测性唤起过程中前额叶皮层和生殖器官的血流动力学响应。 Sex Med 2018； XX：XXX–XXX。

关键词：

近红外光谱, 血液动力学, 前额叶皮层, 视觉性刺激, 勃起功能障碍

介绍

无法获得足够的勃起足以进行性交，这被称为勃起功能障碍（ED），这会严重影响生活质量。 许多心理障碍可能会导致ED，例如压力，抑郁和表现焦虑。 同样，它也可能是潜在的严重身体疾病（包括糖尿病，多发性硬化症或心血管疾病）的最早表现之一。 因此，区分ED的心理原因和器官起源是临床医生的关键任务。

正常的性唤起涉及许多生理反应，其中阴茎勃起是男性体内最确定的反应。 研究还表明，性唤起过程中存在神经反应，这可能表明在性唤起过程中存在心理作用。 由于可以通过大脑活动测量来揭示心理方面，因此许多研究试图了解性唤起过程中的大脑功能。 这些研究的结果将性唤醒与正常健康男性的许多深层大脑和皮质结构相关联1, 2, 3 这表明性唤起确实是一个复杂的神经过程。 大多数研究都采用正电子发射断层扫描（PET）或功能磁共振成像（fMRI）来观察大脑反应，并与体积描记法，充气袖套或商用设备RigiScan（Timm Medical Technologies Inc，Eden Prairie，MN）一起监测阴茎肿胀和刚性。 但是，即使PET和fMRI是在性唤起过程中监控大脑活动的成熟技术，它们在技术上也可能要求很高且价格昂贵。 此外，必须在临床环境中使用这些方法，这可能会极大地影响心理反应，尤其是对于性唤起。

在这项研究中，我们建议利用一种系统，通过使用近红外光谱（NIRS）可以同时监视大脑和阴茎的血流动力学。 作为一种非侵入性，低成本和便携式的设备，NIRS非常适合在舒适自然的环境中进行血流动力学反应监测。 NIRS已成为生物医学领域中广泛使用的技术，特别是在大脑研究中。4 此外，与fMRI和PET相比，NIRS可以实现更高的时间分辨率，最高可达毫秒级。5 如此高的颞部特征对于比较脑部和生殖器官的血流动力学反应以及ED如何影响其起着重要作用。

NIRS先前已被证明是测量阴茎血流动力学的可靠工具，同时为患者提供了更方便和舒适的环境。6, 7 与流行的商用设备RigiScan相比，该设备通过与生殖器官的茎和尖端相连的环来测量阴茎的肿胀和刚度，8, 9 NIRS可以通过简单的源检测器配置来提供血管生成信息，以最大程度地减少受试者的不适感。 其他方法已应用于评估阴茎肿胀期间的血管受累，包括选择性阴部血管造影，双工多普勒超声检查和海绵体测量。10, 11 但是，它们受到昂贵的成本和方法复杂性的限制。 这项研究的目的是通过测量阴茎勃起过程中的血管生成状态和随之而来的大脑反应，将NIRS作为研究男性性唤起的一种实用选择。 作者希望该研究将导致利用NIRS来帮助正确诊断ED。

方法

该研究已经由光州科技学院的机构审查委员会（20140319-HR-10-01-02）进行了审查和批准。 15名右撇子健康男性（24±3岁）参加了该研究。 这些科目是通过大学广告招募的。 在实验前从每个受试者获得书面知情同意。

先前研究中描述的家用NIRS系统6 用于测量视觉性刺激（VSS）期间的大脑和阴茎血流动力学。 在实验的第一部分中，测量了10名受试者的额叶前额叶皮层的血流动力学，以确定与性唤起有关的信号是否存在可测量的变化。 在第二部分中，测量了来自5名受试者的前额叶皮层和生殖器官的血流动力学同时变化。

NIRS探头由光源和检测器组成，其中带有单电源跨阻放大器的单片光电二极管用作光检测器（OPT101；德克萨斯州达拉斯的德州仪器公司）。 光源是发射波长为735nm和850nm的发光二极管（L735 / 850-40D32； Epitex Inc，Kyoto，Japan）。 来自发光二极管源的2个波长依次照亮组织，并且透射光被光电探测器检测到。 数据采集​​的完整周期为0.25 Hz，时间分辨率为4 Hz。

探头在前额和生殖器官中的位置如图所示。 图1A，B。头探头的源-探测器距离为3 cm，其穿透深度足以观察到来自浅层血流动力学以及皮层区域的信号。 因此，使用0.8 cm的较短通道检测表层内的血液动力学变化，然后从较长通道中抑制短通道数据以隔离关键激活。 实验者使用双面粘合的20×8圆盘（BioSemi Instrumentation，阿姆斯特丹，荷兰）连接头探针，该探针可以将探针充分固定而不会使受试者感到不适。 受试者自己使用医用胶带将阴茎NIRS传感器固定在生殖器官的右内侧。 在此之前，指导对象如何正确地将探针连接到生殖器官。 确认2个探针的信号稳定后，实验方案由实验人员在单独的房间中进行远程控制。 生殖器官的探针设计成源-检测器间距为1 cm，以提供足以监测海绵体血流动力学变化的穿透深度。6

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图1

近红外光谱探针的位置：在前额（A）和生殖器官（B). C，实验程序的时间。 SD =短距离。

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实验方案的示意图显示在 图1C.为了减少运动伪影的数量，指示受试者不动地坐在舒适的椅子上并专注于监视器。 显示了2个不同的视频剪辑，然后是带有白色十字的黑屏。 为了突出来自性唤起而不是简单的视觉刺激的大脑活动，向受试者展示了具有色情情节（VSS）和具有自然特征的中性视频（中性视觉刺激[NVS]）的视频剪辑。 在第一个实验中，将VSS和NVS的顺序在10位受试者之间随机分配，以明确区分两种视觉刺激的血液动力学反应。 在第二个实验中，在NVS之前显示了VSS。 色情片段包括男人和女人之间的性交。 在休息期间，要求受试者集中呼吸，以使他们的心率恢复正常。 剪辑的持续时间和顺序对于受试者来说是未知的，以防止过早的唤醒和/或做白日梦。

通过应用修正的比尔-朗伯定律，将光强度衰减转换为氧合血红蛋白（HbO）和脱氧血红蛋白（Hb）浓度的变化。 通过使用截止频率为0.6 Hz的Butterworth低通滤波器，从NIRS数据中删除了心脏搏动和呼吸信号。 在整个测量过程中，通过缩放并从长距离探针信号中减去短距离探针信号，可以抑制前额通道的表层血液动力学变化。12 比较了两种视觉刺激过程中脑和生殖器官中HbO和Hb浓度的变化。

成果

在第一个实验中，在仅监测脑血流动力学（N = 10）的第一个实验中，所有受试者在视觉刺激末期与刺激开始相比较的平均血流动力学变化如图所示。 图2。 在VSS和NVS之间发现了具有统计学意义的差异（P <.01，α= 0.01），但不在左右半球之间（P > .05）使用2尾配对的Wilcoxon检验。

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图2

刺激开始和结束之间脑血流动力学的平均浓度变化（N = 10）。 在视觉性刺激（VSS）和中性视觉刺激（NVS）之间发现血液动力学的显着差异（*）。 在两种情况下，左右半球之间均未发现明显差异。 DPF =差分路径长度因子。

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同时测量（N = 5）期间前额叶皮层和生殖器官的平均血流动力学反应如图 图3。 同步测量中脑血流动力学的时间变化与之前的独立测量没有显着不同。 与基线相比，VSS期间的前额叶反应显示HbO显着增加，而前额叶皮层中的Hb降低程度较小。 VSS期间脑血流动力学的变化伴随着生殖器官中HbO和Hb的增加，表明与成功的阴茎勃起相关的血容量增加。 观察到阴茎反应的发生比VSS期间脑血流动力学变化的发生平均滞后4±1.5秒。 当VSS结束时，大脑和阴茎的血流动力学都开始减弱，大脑的HbO和Hb趋于基线状态，而生殖器官的总血量减少。 NVS的启动显示出大脑和阴茎血流动力学的最小响应。

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图3

同时测量期间的平均血液动力学变化（N = 5）（1侧误差棒代表SD）。 视觉性（红色区域）和中性视觉（蓝色区域）刺激的时期。 DPF =差分路径长度因子； HbO =氧化血红蛋白； Hb =脱氧血红蛋白。

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讨论

在这项研究中，NIRS提供了对大脑活动和对性刺激的阴茎反应的同时测量，不仅提供了阴茎脉管系统和脑功能的状况，还直接将其反应与性唤起联系起来。 使用NIRS，我们能够识别与VSS相关的前额叶皮层的血液动力学变化。 前额叶皮层的血液动力学变化可以通过HbO的增加和Hb的相应减少来描述。 这种血流动力学模式可以通过神经血管耦合来解释，因此可以被识别为神经活动的一种度量，表明前额叶皮层在VSS期间被激活。 此外，与VSS相比，中性视频剪辑不会引起血红蛋白浓度的显着变化，表明前额叶皮层是对性刺激而不是视觉刺激高度激活的。 该研究并不暗示前额叶皮层直接参与触发阴茎勃起。 然而，已知前额叶皮层参与了更高的认知过程，包括性欲13 在重度抑郁症患者中激活不足，14 这使它成为识别心理ED的显着特征。

在同时进行的测量中，所有受试者均表现出对性唤起的阴茎反应，其特征在于总血容量增加导致HbO和Hb的浓度增加。 由性刺激引起的总血容量的急剧增加与健康的阴茎勃起有关，而血容量变化不足可能表明血管ED。7 在大脑和生殖器器官之间的反应之间的延迟是正常的生理反应，这意味着性唤醒首先在大脑中开始，并成功地在生殖器官中得以体现。 两次响应之间的时间延迟可能表示某些神经系统疾病。15

考虑到该技术在医疗环境中的未来实现，在这种环境中，操作的简便性会产生重大影响，因此我们决定仅从额叶前叶记录血液动力学变化。 但是，NIRS可以轻松扩展到测量整个皮质。16 NIRS在检测脑血流动力学方面的主要缺陷是头部浅表层的全身血流动力学变化的高度污染，这降低了NIRS检测脑活动的准确性。 为了解决这个问题，我们在源和检测器之间应用了一个短距离的附加通道，该通道主要记录了表层（头皮和颅骨）的血流动力学。 该技术使我们能够抑制生理噪声并提取与刺激任务相关的皮质信号。

结论

在这项初步研究中，我们的结果表明，NIRS是一种有用的工具，可以方便地使用单个系统观察性刺激期间大脑和身体所经历的血液动力学变化。 在未来的研究中，我们计划扩大当前工作的人群，以包括更多的受试者，包括患有不同类型ED的患者，以增强ED的诊断。

作者声明

第 1 组别

  • （一个）

构思与设计

  • 叶夫根尼·金（Evgenii Kim）； 金在冠
  • （二）

获取数据

  • 叶夫根尼·金（Evgenii Kim）； 金成哲； Zephaniah Phillips V; 李松贤
  • （C）

数据分析与解释

  • 叶夫根尼·金（Evgenii Kim）； 广城公园金在冠

第 2 组别

  • （一个）

起草文章

  • 叶夫根尼·金（Evgenii Kim）； Zephaniah Phillips V; 艾洛瓦·安古鲁安（Eloise Anguluan）
  • （二）

修改它的知识内容

  • 叶夫根尼·金（Evgenii Kim）； 广城公园

第 3 组别

  • （一个）

最终批准已完成的文章

  • 金在冠

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