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Non-invasive Optical Low-frequency Oscillation Study of the Prefrontal Cortex Based on fNIRS

6 agosto 2026 aggiornato da: Ting Li, Peking Union Medical College
The investigators aimed to investigate the effects of different cognitive load tasks (1-back, 2-back, 3-back) on low-frequency oscillations (LFOs) in the prefrontal cortex of healthy young individuals, analyze the relationship between LFO parameters (power, peak amplitude, peak frequency) and behavioral performance (reaction time, accuracy), and validate the feasibility of using LFOs as a quantitative measure of brain resting-state activity and a sensitive indicator of cognitive load.Low-frequency oscillations (LFO, 0.05-0.15 Hz) are a core feature of cerebral hemodynamics and are closely related to neural activity, blood pressure regulation, and metabolic function. Existing studies suggest that LFO may be influenced by cognitive load during mental tasks, but the underlying mechanisms remain unclear. Functional near-infrared spectroscopy (fNIRS), with its advantages of non-invasiveness, portability, and high temporal resolution, enables precise monitoring of hemodynamic parameters in the prefrontal cortex, including changes in oxygenated and deoxygenated hemoglobin concentrations (Δ[oxy-Hb], Δ[deoxy-Hb]). This study combines the N-back working memory task to investigate how cognitive load modulates LFO, offering a novel approach for assessing brain function.In this study, the investigators used a portable 16-channel continuous-wave functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) system to measure dynamic changes in prefrontal cortex (PFC) hemodynamic parameters-Δ[oxy-Hb], Δ[deoxy-Hb], and Δ[tot-Hb]-in 48 healthy participants under varying task loads. The investigators then analyzed low-frequency oscillations (LFOs) based on the detected hemodynamic parameter fluctuations, following established methodologies from prior research. Using Welch's method, LFOs were extracted from power spectral density (PSD) of different hemodynamic parameters across three task conditions (1-back, 2-back, and 3-back). The principle of fNIRS relies on near-infrared light penetrating the skull and brain, being absorbed by chromophores [HbO₂] and [Hb] with distinct absorption spectra. Assuming constant scattering and applying the modified Beer-Lambert law during calculations, sensitive light intensity detectors can detect concentration changes of these chromophores within the subject's brain tissue. The experimental setup consisted of a 4.4 cm × 15 cm sensor array distributed across the forehead, a dedicated data acquisition control box with a sampling rate of 3.3 Hz, and a computer for data storage and analysis software. The current flexible sensor comprises four light sources and ten detectors. The light sources include three built-in LEDs with peak wavelengths at 735 nm, 805 nm, and 850 nm, while the detectors are designed to image the sub-frontal cortical regions (dorsolateral and ventromedial prefrontal cortices). The distance between each source and its surrounding detectors is 2.89 cm, enabling hemodynamic measurements at depths of 2-3 cm beneath the scalp, focusing primarily on the cerebral cortex. Each light source is arranged in an X-shape with four adjacent detectors, where the source is centered and detectors positioned at the corners, forming channels connecting each source to individual detectors. The prefrontal cortex is a region strongly associated with cognitive processing and plays a critical role in working memory tasks. Task load was implemented through working memory tasks-a mechanism by which the brain temporarily processes and stores information crucial for handling complex cognitive demands. Understanding how the amplitude of hemodynamic oscillations is modulated by different cognitive loads is significant, as microvascular blood flow is regulated by myogenic mechanisms. These foundational insights will help improve the analysis and interpretation of hemodynamic neuroimaging data. This study employs fNIRS, a non-invasive neuroimaging technique highly sensitive to microvascular activity, to investigate the interactive effects of cognitive load on brain hemodynamic LFOs.

Panoramica dello studio

Stato

Stato

Indica lo stato di reclutamento attuale o lo stato di accesso ampliato.
Completato

Condizioni

Condizioni

La malattia, il disturbo, la sindrome, la malattia o la lesione oggetto di studio. Su ClinicalTrials.gov, le condizioni possono includere anche altri problemi relativi alla salute, come la durata della vita, la qualità della vita e i rischi per la salute.

Intervento / Trattamento

Intervento / Trattamento

Un processo o un'azione che è al centro di uno studio clinico. Gli interventi includono farmaci, dispositivi medici, procedure, vaccini e altri prodotti sperimentali o già disponibili. Gli interventi possono anche includere approcci non invasivi, come l'educazione o la modifica della dieta e dell'esercizio fisico.

Tipo di studio

Tipo di studio

Descrive la natura di uno studio clinico. I tipi di studio includono studi interventistici (chiamati anche studi clinici), studi osservazionali (compresi i registri dei pazienti) e accesso allargato.
Osservativo

Iscrizione (Effettivo)

Iscrizione

Il numero di partecipanti a uno studio clinico. L'iscrizione "anticipata" è il numero target di partecipanti di cui i ricercatori hanno bisogno per lo studio.
47

Contatti e Sedi

Questa sezione fornisce i recapiti di coloro che conducono lo studio e informazioni su dove viene condotto lo studio.

Luoghi di studio

  • Cina
    • Tianjin Municipality
      • Tianjin, Tianjin Municipality, Cina, 300192
        • 16 channel fNIRS

Criteri di partecipazione

I ricercatori cercano persone che corrispondano a una certa descrizione, chiamata criteri di ammissibilità. Alcuni esempi di questi criteri sono le condizioni generali di salute di una persona o trattamenti precedenti.

Criteri di ammissibilità

Criteri di ammissibilità

I requisiti chiave che devono soddisfare le persone che vogliono partecipare a uno studio clinico o le caratteristiche che devono avere. I criteri di ammissibilità sono costituiti sia da criteri di inclusione (necessari a una persona per partecipare allo studio) sia da criteri di esclusione (che impediscono a una persona di partecipare). I tipi di criteri di ammissibilità includono se uno studio accetta volontari sani, ha requisiti di età o gruppo di età o è limitato dal sesso.

Età idonea allo studio

  • Adulto

Accetta volontari sani

Sì

Metodo di campionamento

Campione non probabilistico

Popolazione di studio

47 right-handed volunteers (23 males and 24 females) were recruited. Their ages ranged from 18 to 23 years, with an average age of 22.1 years for males and 21.5 years for females. The participants were young adults, as the study aimed to investigate the effects of LFO on cognitive activation, which involved a relatively challenging 3-back working memory task. All participants had normal or corrected-to-normal vision. Female participants were excluded if they were within their menstrual cycle, as hormonal fluctuations during this period may affect certain prefrontal cortical functions. None of the participants had a history of neurological or psychiatric disorders, nor were they taking any psychotropic medications. Participants abstained from alcohol, caffeine, and nicotine for at least 24 hours prior to the experiment.

Descrizione

Inclusion Criteria:

  • Aged 18 to 23 years
  • Right-hand
  • Normal or corrected-to-normal vision
  • Willing to abstain from alcohol, caffeine, and nicotine for at least 24 hours prior to the experiment
  • Able to understand the study procedures and provide written informed consent

Exclusion Criteria:

  • History of neurological or psychiatric disorders (e.g., epilepsy, severe insomnia, or anxiety)
  • History of arrhythmia or other severe cardiovascular conditions
  • Current or long-term use of psychotropic medications or other medications affecting the nervous system
  • Contraindications for wearing skin-mounted optical devices
  • Female participants currently in their menstrual cycle (due to potential hormonal effects on prefrontal cortical functions)
  • Inability to follow experimental instructions or complete the testing tasks

Piano di studio

Questa sezione fornisce i dettagli del piano di studio, compreso il modo in cui lo studio è progettato e ciò che lo studio sta misurando.

Come è strutturato lo studio?

Dettagli di progettazione

Coorti e interventi

Gruppo / Coorte

Gruppo / Coorte

Un gruppo o sottogruppo di partecipanti a uno studio osservazionale che viene valutato per gli esiti biomedici o sanitari.
Intervento / Trattamento

Intervento / Trattamento

Un processo o un'azione che è al centro di uno studio clinico. Gli interventi includono farmaci, dispositivi medici, procedure, vaccini e altri prodotti sperimentali o già disponibili. Gli interventi possono anche includere approcci non invasivi, come l'educazione o la modifica della dieta e dell'esercizio fisico.
No category
Dispositivo: N-back Visual working memory task
The investigators employed the N-back visual working memory task, a continuous letter task with varying working memory load demands. The task consisted of four fixation blocks and three task blocks, lasting a total of 377 seconds. Each fixation block lasted 20 seconds, during which participants were instructed to fixate their gaze on a central point. The working memory load gradually increased from 1-back to 3-back across the task blocks. Participants were required to determine whether the current letter matched the previous letter (1-back), the letter two positions back (2-back), or the letter three positions back (3-back) in terms of features, responding with one button for "yes" and another for "no."

Cosa sta misurando lo studio?

Misure di risultato primarie

Misure di risultato primarie

Nel protocollo di uno studio clinico, la misura dell'esito pianificato più importante per valutare l'effetto di un intervento/trattamento. La maggior parte degli studi clinici ha una misura di esito primaria, ma alcuni ne hanno più di una.
Misura del risultato
Misura Descrizione
Lasso di tempo
Peak Amplitude of Low-Frequency Oscillations (LFO) Measured by functional Near-Infrared Spectroscopy (fNIRS)
Lasso di tempo: Day1, The assessment time point was after the n-back task, with spectral analysis performed on low-frequency oscillation data collected during the 377-second n-back experiment.
  1. The peak amplitude of LFO (0.05-0.15 Hz) will be extracted from the power spectral density (PSD) of the relative changes in oxygenated and deoxygenated hemoglobin concentrations in the prefrontal cortex. This is measured using a 16-channel portable continuous-wave fNIRS system during different cognitive load tasks (1-back, 2-back, and 3-back).
  2. Measurement Tool: 16-channel continuous-wave fNIRS system.
  3. Unit of Measure: Perived from relative hemoglobin concentration changes and after log-transformed-power spectral density (PSD) in certain frequency :lg(μM^2/Hz).
Day1, The assessment time point was after the n-back task, with spectral analysis performed on low-frequency oscillation data collected during the 377-second n-back experiment.
Peak frequency of Low-Frequency Oscillations (LFO) Measured by fNIRS
Lasso di tempo: Day1, The assessment time point was after the n-back task, with spectral analysis performed on low-frequency oscillation data collected during the 377-second n-back experiment.
  1. The frequency at which the maximum power occurs within the low-frequency band (0.05-0.15 Hz) derived from the PSD of prefrontal cortex hemoglobin concentration changes. This assesses the shift in vascular oscillation frequency under varying cognitive loads (1-back, 2-back, 3-back).
  2. Measurement Tool: 16-channel continuous-wave fNIRS system.
  3. Unit of Measure: Hertz (Hz).
Day1, The assessment time point was after the n-back task, with spectral analysis performed on low-frequency oscillation data collected during the 377-second n-back experiment.
Power of Low-Frequency Oscillations (LFO) Measured by fNIRS
Lasso di tempo: Day1, The assessment time point was after the n-back task, with spectral analysis performed on low-frequency oscillation data collected during the 377-second n-back experiment.
  1. The total signal power within the low-frequency band (0.05-0.15 Hz) calculated from the PSD of hemoglobin concentration changes during the working memory tasks. The power spectral data undergoes a logarithmic transformation prior to statistical analysis to ensure normal distribution.
  2. Measurement Tool: 16-channel continuous-wave fNIRS system.
  3. Unit of Measure: derived from relative hemoglobin concentration changes after log-transformed: lg(μM^2)
Day1, The assessment time point was after the n-back task, with spectral analysis performed on low-frequency oscillation data collected during the 377-second n-back experiment.

Misure di risultato secondarie

Misure di risultato secondarie

Nel protocollo di uno studio clinico, una misura dell'esito pianificato che non è importante quanto la misura dell'esito primario per valutare l'effetto di un intervento ma è comunque di interesse. La maggior parte degli studi clinici ha più di una misura di esito secondaria.
Misura del risultato
Misura Descrizione
Lasso di tempo
Reaction Time Assessed by N-back Behavioral Task System
Lasso di tempo: Day1, The assessment time point was after the n-back task, analyzing behavioral reaction times during the 377-second n-back experiment.
  1. The average time participants take to make a judgment (via button press) on whether the currently displayed letter matches the target letter during the 1-back, 2-back, and 3-back working memory task blocks.
  2. Measurement Tool: Computerized N-back visual working memory task software.
Day1, The assessment time point was after the n-back task, analyzing behavioral reaction times during the 377-second n-back experiment.
Accuracy Rate Assessed by N-back Behavioral Task System
Lasso di tempo: Day 1, the assessment time point was after the n-back task, analyzing behavioral accuracy rate during the 377-second n-back experiment.
  1. The percentage of correct button press responses made by the participant across the 30 randomly presented letters within each N-back task block (1-back, 2-back, 3-back).
  2. Measurement Tool: Computerized N-back visual working memory task software.
  3. Unit of Measure: Percentage (%).
Day 1, the assessment time point was after the n-back task, analyzing behavioral accuracy rate during the 377-second n-back experiment.
Correlation Between LFO Parameters and Task Behavioral Performance
Lasso di tempo: Day 1, the assessment time point was after the n-back task, analyzing behavioral correlation between low frequency oscillation parameters and task behavioral performance during the 377-second n-back experiment.
  1. The statistical correlation evaluating the relationship between the fNIRS-derived LFO parameters (peak amplitude, peak frequency, log-transformed power) and the behavioral performance metrics (reaction time and accuracy) across different cognitive loads. This directly evaluates the feasibility of using LFO as a quantitative indicator of cognitive load.
  2. Measurement Tool: Statistical correlation analysis (e.g., Pearson or Spearman correlation coefficient).
  3. Unit of Measure: Correlation coefficient (r-value)
Day 1, the assessment time point was after the n-back task, analyzing behavioral correlation between low frequency oscillation parameters and task behavioral performance during the 377-second n-back experiment.

Collaboratori e investigatori

Qui è dove troverai le persone e le organizzazioni coinvolte in questo studio.

Sponsor

Sponsor

L'organizzazione o la persona che avvia lo studio e che ha autorità e controllo sullo studio.
Peking Union Medical College

Pubblicazioni e link utili

La persona responsabile dell'inserimento delle informazioni sullo studio fornisce volontariamente queste pubblicazioni. Questi possono riguardare qualsiasi cosa relativa allo studio.

Pubblicazioni generali

  • [1] Biswal B, Zerrin Yetkin F, Haughton V M, et al. Functional connectivity in the motor cortex of resting human brain using echo-planar MRI[J]. Magnetic resonance in medicine, 1995, 34(4): 537-541. [2] Tong Y, Hocke L M, Licata S C, et al. Low-frequency oscillations measured in the periphery with near-infrared spectroscopy are strongly correlated with blood oxygen level-dependent functional magnetic resonance imaging signals[J]. Journal of biomedical optics, 2012, 17(10): 106004-106004. [3] Auer D P. Spontaneous low-frequency blood oxygenation level-dependent fluctuations and functional connectivity analysis of the 'resting'brain[J]. Magnetic resonance imaging, 2008, 26(7): 1055-1064. [4] Morita Y, Hardebo J E, Bouskela E. Influence of cerebrovascular sympathetic, parasympathetic, and sensory nerves on autoregulation and spontaneous vasomotion[J]. Acta physiologica scandinavica, 1995, 154(2): 121-130 [5] Vern B A, Schuette W H, Leheta B, et al. Low-frequency oscillations of cortical oxidative metabolism in waking and sleep[J]. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism, 1988, 8(2): 215-226. [6] Lin PY, Roche-Labarbe N, Dehaes M, Carp S, Fenoglio A, Barbieri B, Hagan K, Grant PE, Franceschini MA. Non-invasive optical measurement of cerebral metabolism and hemodynamics in infants. J Vis Exp. 2013 Mar 14;(73):e4379. [7] Diehl R R, Linden D, Lücke D, et al. Spontaneous blood pressure oscillations and cerebral autoregulation[J]. Clinical Autonomic Research, 1998, 8(1): 7-12. [8] Katura T, Tanaka N, Obata A, et al. Quantitative evaluation of interrelations between spontaneous low-frequency oscillations in cerebral hemodynamics and systemic cardiovascular dynamics[J]. Neuroimage, 2006, 31(4): 1592-1600. [9] Cui X, Bray S, Bryant DM, Glover GH, Reiss AL. A quantitative comparison of NIRS and fMRI across multiple cognitive tasks. Neuroimage. 2011 Feb 14;54(4):2808-21. [10] Biswal B B, Kylen J V, Hyde J S. Simultaneous assessment of flow and BOLD signals in resting-state fu

Studiare le date dei record

Queste date tengono traccia dell'avanzamento della registrazione dello studio e dell'invio dei risultati di sintesi a ClinicalTrials.gov. I record degli studi e i risultati riportati vengono esaminati dalla National Library of Medicine (NLM) per assicurarsi che soddisfino specifici standard di controllo della qualità prima di essere pubblicati sul sito Web pubblico.

Studia le date principali

Inizio studio (Effettivo)

Inizio studio

La data effettiva in cui il primo partecipante è stato arruolato in uno studio clinico. La data di inizio dello studio "prevista" è la data che i ricercatori pensano sarà la data di inizio dello studio.
1 giugno 2025

Completamento primario (Effettivo)

Completamento primario

La data in cui l'ultimo partecipante a uno studio clinico è stato esaminato o ha ricevuto un intervento per raccogliere i dati finali per la misura dell'esito primario. Il fatto che lo studio clinico sia terminato secondo il protocollo o sia stato interrotto non influisce su questa data. Per gli studi clinici con più di una misura di esito primario con diverse date di completamento, questo termine si riferisce alla data in cui la raccolta dei dati è completata per tutte le misure di esito primario. La data di completamento principale "prevista" è la data che i ricercatori ritengono sarà la data di completamento principale per lo studio.
1 luglio 2025

Completamento dello studio (Effettivo)

Completamento dello studio

La data in cui l'ultimo partecipante a uno studio clinico è stato esaminato o ha ricevuto un intervento/trattamento per raccogliere i dati finali per le misure di esito primarie, le misure di esito secondarie e gli eventi avversi (ovvero l'ultima visita dell'ultimo partecipante). La data di completamento dello studio "prevista" è la data che i ricercatori ritengono sarà la data di completamento dello studio.
1 ottobre 2025

Date di iscrizione allo studio

Primo inviato

Primo inviato

La data in cui lo sponsor o il ricercatore dello studio ha inviato per la prima volta un record di studio a ClinicalTrials.gov. In genere c'è un ritardo di alcuni giorni tra la prima data di invio e la disponibilità del record su ClinicalTrials.gov (la prima data di invio).
24 giugno 2026

Primo inviato che soddisfa i criteri di controllo qualità

Primo inviato che soddisfa i criteri di controllo qualità

La data in cui lo sponsor dello studio o il ricercatore invia per la prima volta un record di studio che è coerente con i criteri di revisione del controllo di qualità (QC) della National Library of Medicine (NLM). Lo sponsor o lo sperimentatore potrebbe dover rivedere e inviare un record di studio una o più volte prima che i criteri di revisione QC di NLM siano soddisfatti. È responsabilità dello sponsor o dello sperimentatore garantire che il record dello studio sia coerente con i criteri di revisione QC NLM.
6 agosto 2026

Primo Inserito (Effettivo)

Primo Inserito

La data in cui il record dello studio è stato disponibile per la prima volta su ClinicalTrials.gov dopo la conclusione della revisione del controllo di qualità (QC) della National Library of Medicine (NLM). In genere c'è un ritardo di alcuni giorni tra la data in cui lo sponsor dello studio o lo sperimentatore ha presentato il record dello studio e la prima data pubblicata.
12 agosto 2026

Aggiornamenti dei record di studio

Ultimo aggiornamento pubblicato (Effettivo)

Ultimo aggiornamento pubblicato

La data più recente in cui le modifiche al record di uno studio sono state rese disponibili su ClinicalTrials.gov. Potrebbe esserci un ritardo tra il momento in cui le modifiche sono state inviate a ClinicalTrials.gov dallo sponsor o dallo sperimentatore dello studio (data di invio dell'ultimo aggiornamento) e la data di pubblicazione dell'ultimo aggiornamento.
12 agosto 2026

Ultimo aggiornamento inviato che soddisfa i criteri QC

Ultimo aggiornamento inviato che soddisfa i criteri QC

La data più recente in cui lo sponsor dello studio o il ricercatore ha presentato modifiche a un record di studio che sono coerenti con i criteri di revisione del controllo di qualità (QC) della National Library of Medicine (NLM). È responsabilità dello sponsor o dello sperimentatore garantire che il record dello studio sia coerente con i criteri di revisione QC NLM.
6 agosto 2026

Ultimo verificato

Ultimo verificato

La data più recente in cui lo sponsor dello studio o il ricercatore ha confermato che le informazioni su uno studio clinico su ClinicalTrials.gov sono accurate e aggiornate. Se uno studio con stato di reclutamento di reclutamento; non ancora reclutamento; o attivo, non reclutamento non è stato confermato negli ultimi 2 anni, lo stato di reclutamento dello studio viene mostrato come sconosciuto.
1 agosto 2026

Maggiori informazioni

Termini relativi a questo studio

Parole chiave

Altri numeri di identificazione dello studio

Altri numeri di identificazione dello studio

Identificatori o numeri ID diversi dal numero NCT assegnati a uno studio clinico dallo sponsor, dai finanziatori o da altri dello studio. Questi numeri possono includere identificatori univoci di altri registri di sperimentazione e numeri di sovvenzioni del National Institutes of Health.
  • 2025(I)-203-01

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Protection of personal information and privacy of participants

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Studia un dispositivo regolamentato dalla FDA degli Stati Uniti

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Queste informazioni sono state recuperate direttamente dal sito web clinicaltrials.gov senza alcuna modifica. In caso di richieste di modifica, rimozione o aggiornamento dei dettagli dello studio, contattare register@clinicaltrials.gov. Non appena verrà implementata una modifica su clinicaltrials.gov, questa verrà aggiornata automaticamente anche sul nostro sito web .

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