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

2026년 8월 6일 업데이트: 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.

연구 개요

상태

상태

현재 모집 상태 또는 확장 액세스 상태를 나타냅니다.
완전한

정황

정황

연구 중인 질병, 장애, 증후군, 질환 또는 부상입니다. ClinicalTrials.gov에서 조건에는 수명, 삶의 질 및 건강 위험과 같은 기타 건강 관련 문제도 포함될 수 있습니다.

개입 / 치료

개입 / 치료

임상 연구의 초점이 되는 프로세스 또는 작업입니다. 개입에는 약물, 의료 기기, 절차, 백신 및 조사 중이거나 이미 사용 가능한 기타 제품이 포함됩니다. 개입에는 교육이나 식이요법 및 운동 수정과 같은 비침습적 접근법도 포함될 수 있습니다.

연구 유형

연구 유형

임상 연구의 특성을 설명합니다. 연구 유형에는 중재 연구(임상 시험이라고도 함), 관찰 연구(환자 등록 포함) 및 확장된 액세스가 포함됩니다.
관찰

등록 (실제)

등록

임상 연구의 참가자 수. "예상" 등록은 연구원이 연구에 필요한 참가자의 목표 수입니다.
47

연락처 및 위치

이 섹션에서는 연구를 수행하는 사람들의 연락처 정보와 이 연구가 수행되는 장소에 대한 정보를 제공합니다.

연구 장소

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

참여기준

연구원은 적격성 기준이라는 특정 설명에 맞는 사람을 찾습니다. 이러한 기준의 몇 가지 예는 개인의 일반적인 건강 상태 또는 이전 치료입니다.

자격 기준

자격 기준

임상 연구에 참여하고자 하는 사람들이 충족해야 하는 주요 요구 사항 또는 그들이 가져야 할 특성. 자격 기준은 포함 기준(사람이 연구에 참여하는 데 필요함)과 제외 기준(사람이 참여하지 못하게 하는 것)으로 구성됩니다. 적격성 기준 유형에는 연구가 건강한 지원자를 받아들이는지, 연령 또는 연령 그룹 요구 사항이 있는지 또는 성별에 따라 제한되는지가 포함됩니다.

공부할 수 있는 나이

  • 성인

건강한 자원 봉사자를 받아들입니다

예

샘플링 방법

비확률 샘플

연구 인구

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.

설명

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

공부 계획

이 섹션에서는 연구 설계 방법과 연구가 측정하는 내용을 포함하여 연구 계획에 대한 세부 정보를 제공합니다.

연구는 어떻게 설계됩니까?

디자인 세부사항

코호트 및 개입

그룹/코호트

그룹/코호트

생물 의학 또는 건강 결과에 대해 평가되는 관찰 연구의 참가자 그룹 또는 하위 그룹입니다.
개입 / 치료

개입 / 치료

임상 연구의 초점이 되는 프로세스 또는 작업입니다. 개입에는 약물, 의료 기기, 절차, 백신 및 조사 중이거나 이미 사용 가능한 기타 제품이 포함됩니다. 개입에는 교육이나 식이요법 및 운동 수정과 같은 비침습적 접근법도 포함될 수 있습니다.
No category
장치: 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."

연구는 무엇을 측정합니까?

주요 결과 측정

주요 결과 측정

임상 연구 프로토콜에서 개입/치료의 효과를 평가하는 데 가장 중요한 계획된 결과 측정. 대부분의 임상 연구에는 하나의 주요 결과 측정이 있지만 일부는 둘 이상입니다.
결과 측정
측정값 설명
기간
Peak Amplitude of Low-Frequency Oscillations (LFO) Measured by functional Near-Infrared Spectroscopy (fNIRS)
기간: 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
기간: 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
기간: 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.

2차 결과 측정

2차 결과 측정

임상 연구 프로토콜에서 개입의 효과를 평가하기 위한 1차 결과 측정만큼 중요하지는 않지만 여전히 관심이 있는 계획된 결과 측정입니다. 대부분의 임상 연구에는 하나 이상의 2차 결과 측정이 있습니다.
결과 측정
측정값 설명
기간
Reaction Time Assessed by N-back Behavioral Task System
기간: 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
기간: 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
기간: 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.

공동 작업자 및 조사자

여기에서 이 연구와 관련된 사람과 조직을 찾을 수 있습니다.

스폰서

스폰서

연구를 시작하고 연구에 대한 권한과 통제권을 가진 조직 또는 사람.
Peking Union Medical College

간행물 및 유용한 링크

연구에 대한 정보 입력을 담당하는 사람이 자발적으로 이러한 간행물을 제공합니다. 이것은 연구와 관련된 모든 것에 관한 것일 수 있습니다.

일반 간행물

  • [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

연구 기록 날짜

이 날짜는 ClinicalTrials.gov에 대한 연구 기록 및 요약 결과 제출의 진행 상황을 추적합니다. 연구 기록 및 보고된 결과는 공개 웹사이트에 게시되기 전에 특정 품질 관리 기준을 충족하는지 확인하기 위해 국립 의학 도서관(NLM)에서 검토합니다.

연구 주요 날짜

연구 시작 (실제)

연구 시작

첫 번째 참가자가 임상 연구에 등록된 실제 날짜입니다. "예상" 연구 시작 날짜는 연구자가 연구 시작 날짜가 될 것이라고 생각하는 날짜입니다.
2025년 6월 1일

기본 완료 (실제)

기본 완료

임상 연구의 마지막 참가자가 1차 결과 측정을 위한 최종 데이터를 수집하기 위해 검사를 받거나 개입을 받은 날짜입니다. 임상 연구가 프로토콜에 따라 종료되었는지 또는 종료되었는지 여부는 이 날짜에 영향을 미치지 않습니다. 완료 날짜가 다른 1차 결과 측정이 둘 이상인 임상 연구의 경우 이 용어는 모든 1차 결과 측정에 대한 데이터 수집이 완료된 날짜를 나타냅니다. "예상" 기본 완료 날짜는 연구원이 연구의 기본 완료 날짜가 될 것이라고 생각하는 날짜입니다.
2025년 7월 1일

연구 완료 (실제)

연구 완료

임상 연구의 마지막 참가자가 1차 결과 측정, 2차 결과 측정 및 부작용(즉, 마지막 참가자의 마지막 방문)에 대한 최종 데이터를 수집하기 위해 검사를 받거나 중재/치료를 받은 날짜입니다. "예상" 연구 완료 날짜는 연구원이 연구 완료 날짜가 될 것이라고 생각하는 날짜입니다.
2025년 10월 1일

연구 등록 날짜

최초 제출

최초 제출

연구 후원자 또는 연구자가 최초로 ClinicalTrials.gov에 연구 기록을 제출한 날짜. 일반적으로 처음 제출한 날짜와 ClinicalTrials.gov에서 기록을 사용할 수 있는 날짜(첫 게시 날짜) 사이에는 며칠의 지연이 있습니다.
2026년 6월 24일

QC 기준을 충족하는 최초 제출

QC 기준을 충족하는 최초 제출

연구 스폰서 또는 연구자가 국립 의학 도서관(NLM) 품질 관리(QC) 검토 기준과 일치하는 연구 기록을 처음 제출한 날짜입니다. 의뢰자 또는 조사자는 NLM의 QC 검토 기준이 충족되기 전에 연구 기록을 한 번 이상 수정하고 제출해야 할 수 있습니다. 연구 기록이 NLM QC 검토 기준과 일치하는지 확인하는 것은 후원자 또는 조사자의 책임입니다.
2026년 8월 6일

처음 게시됨 (실제)

처음 게시됨

National Library of Medicine(NLM) 품질 관리(QC) 검토가 완료된 후 ClinicalTrials.gov에서 연구 기록을 처음 사용할 수 있는 날짜입니다. 일반적으로 연구 후원자 또는 연구자가 연구 기록을 제출한 날짜와 처음 게시된 날짜 사이에는 며칠의 지연이 있습니다.
2026년 8월 12일

연구 기록 업데이트

마지막 업데이트 게시됨 (실제)

마지막 업데이트 게시됨

ClinicalTrials.gov에서 연구 기록이 변경된 가장 최근 날짜. 연구 후원자 또는 연구자가 변경 사항을 ClinicalTrials.gov에 제출한 시점(마지막 업데이트 제출 날짜)과 마지막 업데이트 게시 날짜 사이에 지연이 있을 수 있습니다.
2026년 8월 12일

QC 기준을 충족하는 마지막 업데이트 제출

QC 기준을 충족하는 마지막 업데이트 제출

연구 후원자 또는 연구자가 국립 의학 도서관(NLM) 품질 관리(QC) 검토 기준과 일치하는 연구 기록에 대한 변경 사항을 제출한 가장 최근 날짜. 연구 기록이 NLM QC 검토 기준과 일치하는지 확인하는 것은 후원자 또는 조사자의 책임입니다.
2026년 8월 6일

마지막으로 확인됨

마지막으로 확인됨

연구 후원자 또는 조사자가 ClinicalTrials.gov에서 임상 연구에 대한 정보가 정확하고 최신 정보라고 확인한 가장 최근 날짜. 모집 상태가 모집인 연구인 경우; 아직 모집하지 않았습니다. 또는 활성, 비모집이 지난 2년 이내에 확인되지 않은 경우 연구의 모집 상태는 알 수 없음으로 표시됩니다.
2026년 8월 1일

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기타 연구 ID 번호

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연구 후원자, 기금 제공자 또는 다른 사람이 임상 연구에 할당한 NCT 번호 이외의 식별자 또는 ID 번호. 이 번호에는 다른 시험 등록의 고유 식별자와 미국 국립보건원(National Institutes of Health) 보조금 번호가 포함될 수 있습니다.
  • 2025(I)-203-01

개별 참가자 데이터(IPD) 계획

개별 참가자 데이터(IPD)를 공유할 계획입니까?

아니요

IPD 계획 설명

Protection of personal information and privacy of participants

약물 및 장치 정보, 연구 문서

미국 FDA 규제 의약품 연구

아니

미국 FDA 규제 기기 제품 연구

아니

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