fNIRS

Die funktionelle Nahinfrarot-Spektroskopie (fNIRS) ist ein non-invasives, optisches Bildgebungsverfahren zur Messung der Gehirnaktivität in der Gehirnrinde (Kortex), welches auf den Wechselwirkungen zwischen neuronaler Aktivität, zellulären Stoffwechselprozessen und gesteigertem Blutfluss (neurovaskuläre Kopplung) beruht.

Bei kognitiven, perzeptuellen und motorischen Prozessen kommt es zu erhöhter neuronaler Aktivität in bestimmten Gehirnregionen. Infolgedessen steigt der Bedarf an Energie und Sauerstoff, der durch Zufluss von sauerstoffangereichertem Blut gedeckt wird. Dies führt zu einer relativen Erhöhung der Konzentration von sauerstoffhaltigem Hämoglobin (O₂Hb) im Vergleich zu sauerstoffarmem Hämoglobin (HHb). Zur Messung dieser Veränderung werden infrarotlicht-aussendende Quellendioden (Sender) und lichtempfindliche Detektoren (Empfänger) mit einer Kappe auf dem Schädel angebracht. Die fNIRS Messung beruht auf der Projektion von Infrarotlicht (700-900 nm) von einer Quellendiode in das Gewebe unter der Kopfhaut und der Messung der Intensität des rückgestreuten Lichts mittels Detektoren. Aufgrund unterschiedlicher optischer Eigenschaften kann anhand der Menge des rückgestreuten Lichts die Konzentration von O₂Hb und HHb bestimmt werden. Basierend auf Veränderungen des Sauerstoffverbrauchs über die Zeit können Rückschlüsse auf die Aktivität der Kortexareale während der Bearbeitung bestimmter Aufgaben, emotionaler Reaktionen und der kognitiven Verarbeitung von Informationen gezogen werden.

Im Vergleich zu gängigen bildgebenden Verfahren zur Messung von Gehirnaktivität, wie z.B. der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT), bietet fNIRS einige Vorteile. Die Methode ist non-invasiv und wenig belastend für die Versuchspersonen, sie erlaubt einen flexiblen und mobilen Einsatz in natürlichen Settings und ist dabei deutlich kostengünstiger. Verglichen mit fMRT ist außerdem die zeitliche Auflösung der Veränderungen neuronaler Aktivität höher. Andererseits ist fNIRS ähnlich wie die Elektroenzephalografie (EEG) nicht in der Lage, Aktivität in sub- oder allokortikalen Strukturen zu detektieren und abzubilden und hat gegenüber EEG eine schlechtere zeitliche Auflösung.

Insgesamt ermöglichen die Eigenschaften von fNIRS  die Gestaltung von aufgabenbasierten Versuchsdesigns zu Kognition und Verhalten, die ein komplexes Antwortformat (zum Beispiel eine mündliche Antwort) oder komplexe motorische Reaktionen erfordern.