fNIRS用于评估自然/社会情况下人类行为中的脑功能

在足够的刺激下，功能近红外光谱（fNIRS）可以获得皮层血流动力学反应的实时拓扑图，该技术在头皮上定位多个光源和探测器后，可以无创地测量含氧和脱氧血红蛋白的变化。本文简要概述fNIRS的基本原理，包括功能、优点、优势、局限性和用于评估人类行为的效用。便携式/无线商用fNIRS系统的时间分辨率为1-10Hz，深度灵敏度约为1.5cm，空间分辨率高达1cm。fNIRS在社会科学、神经成像基础研究和医学等领域已被广泛应用于成人和婴幼儿。本文将提供一些实例，说明fNIRS在不同情况（自然和社会情况）下评估人类行为时大脑皮层功能的现状和未来前景。此外，通过采用超扫描方法来调查人际交往的最新fNIRS研究，包括同时测量两个或更多的人的大脑活动。本文发表在Organizational Research Methods杂志。

引言

功能性神经影像学方法的快速进步和可用性已经改变了认知神经科学研究领域。自动调节和神经血管耦合的过程维持了足以进行大脑活动的脑血流量（CBF）。神经元活动和CBF之间的耦合是大脑功能的基础。事实上，当特定的大脑区域被激活时，CBF以时间和空间协调的方式增加，通过涉及神经元、神经胶质、动脉/小动脉和信号分子的复杂协调事件序列，与神经活动的变化密切相关。对大脑氧合增加的检测，继发于对特定刺激的皮层神经元激活（神经血管耦合），已经成功地用于绘制人脑拓扑图。这些大脑拓扑图允许在与任务相关的大脑“激活”研究中可视化受刺激的区域。通常，CBF增加会在刺激/任务期间持续，然后在刺激/任务终止时消退。迄今为止，功能性磁共振成像（fMRI）、脑电图（EEG）、脑磁图（MEG）、正电子发射断层扫描（PET）和功能性近红外（NIR）光谱（fNIRS）代表了最广泛使用的功能性神经成像技术。然而，fMRI和fNIRS是目前仅有的基于神经血管耦合的功能性神经成像手段。1929年EEG的发现可以说是神经功能成像的奠基。fMRI在其第24年的发展很大程度上是因为它是非侵入性的，相对易于实施，以及相当好的空间（1-10mm）和时间分辨率（约1s）。相比之下，EEG、MEG和皮层脑电图具有更好的时间分辨率（即<1ms）。然而，与EEG、MEG和fNIRS相比，fMRI在分辨大脑中的小结构和/或深结构方面有很大的优势。此外，稳健的fMRI信号虽然时间分辨率低，但其具有高度的可重复性和可靠性。fMRI解决了高密度EEG（HD-EEG）和MEG（<2cm）的空间分辨率、用于PET研究的放射性同位素的高生产成本以及它们使用的伦理限制。尽管如此，fMRI以及MEG意味着大型设备和巨大的采购/运营成本。此外fMRI和PET要求受试者处于仰卧位而非坐位或站立位，这一点可能会改变血流动力学变化。

fNIRS、光学地形图、NIR成像、漫反射光学成像（DOI）、漫反射光学断层扫描（DOT）也已证明可以成功地探索人类大脑皮层的功能激活。基本上，fNIRS是一种基于血管的非侵入性功能神经成像技术，可从多个测量点同时监测皮质微循环血管水平的氧合血红蛋白（O2Hb）和脱氧血红蛋白（HHb）浓度变化。对于这两个fNIRS参数的测量，利用了O2Hb/HHb在近红外范围内的光谱特征（图1）。因此，fNIRS已经成为fMRI和HD EEG的重要补充。fNIRS最显著的优点可以概括如下：（a）低成本、静音、可移动/便携式仪器（如移动式EEG），使长期监测和重复测量各种情况下的皮层活动成为可能，包括自然情况；（b）可以测量O2Hb和HHb的变化，提供关于fMRI信号的附加信息。fMRI信号是基于血氧水平依赖（BOLD）信号，仅与HHb变化相关；（c）在fNIRS测量中，可以自由移动。比如，在骑自行车或四处走动的户外活动，因为受试者的身体不像在fMRI/PET检测中那样固定。考虑到使用多模态方法的好处，研究者们最近开展了许多同时进行的EEG-fNIRS、fNIRS-fMRI和EEG-fMRI研究，以同时在多个空间和时间尺度上研究大脑。特别是与fNIRS-fMRI和EEG-fMRI同步测量相比，EEG-fNIRS同步测量可以无困难地采集。有趣的是，Montague等人在2002年首次使用两个fMRI系统同时测量了两个受试者的大脑活动。这种超扫描方法，后来也被用于EEG和fNIRS领域，为社会认知神经科学框架下的人际互动研究开辟了新的视角。总之，fNIRS是一种非常重要的替代/补充功能性神经成像方法，用于在更真实、生态有效的参数下以及在与fMRI、PET和MEG不兼容的环境下研究人类皮层功能。本文简明扼要地概述fNIRS的基本原则，包括特征、优势、优势和局限性，用非专业人士也能理解的术语进行总结。此外，还将报告市售fNIRS系统的主要特征，以及fNIRS在自然和社会情况下评估人类行为过程中大脑皮层功能的当前和未来前景的一些例子，包括采用超扫描方法。

图1. 氧合（O2Hb）和脱氧（HHb）血红蛋白的吸收光谱。

fNIRS的特点、优点、优势和局限性

表1（包括18篇评论文章）报告了有关fNIRS的最相关主题和相关的近期参考文献（从其历史到其不同的技术方面）。fNIRS的特征、优点、优势和局限性总结在Box1和Box2中。图2报告了穿过头部的NIR光的示意图。NIR激光或发光二极管照亮选定的头皮表面。近红外光在组织中的传播非常复杂；光子从细胞和亚细胞亚结构的许多边界反弹，随机改变传播方向。在大多数组织中，光子被多次散射（甚至每厘米组织10次）。穿过头皮/头骨/大脑表面的光被高度散射和衰减。然后，可以通过位于与头皮表面上的光源不同距离处的检测器测量出射光。NIR光的穿透深度取决于光的散射、吸收（主要是由于O2Hb和HHb），以及光源和检测器的分离距离。对于给定的源探测器对，已知探测到的光子更有可能穿过香蕉形状的中心区域，而不是穿过其外部。因此，fNIRS测量对在该区域发现的O2Hb和HHb分子最为敏感。然后，可以在头骨下方1.5到2.5cm处测量出射光的强度变化。在选定的光波长下显示的强度变化用于计算O2Hb和HHb的浓度。由于近红外光在组织中传播，被照射组织的确切体积是未知的，空间分辨率约为1cm。较差的空间分辨率取决于源探测器阵列的几何形状，其中源探测器之间的间隔距离决定了漫射光传输固有的“香蕉形”传感体积。表1.关于fNIRS的大部分相关文献：从历史到不同的技术方面

fNIRS与：
Topic	PubType	Reference
fNIRS的历史	R	FerrariandQuaresima(2012)
近红外光子在组织中的传播基础知识	R	Martelli(2012)
NIRS和fNIRS的原理、技术和局限性	R	Ferrari，Mottola，andQuaresima(2004)
	R	Hoshi(2007，2011)
	R	Lloyd-Foxetal.(2010)
	R	ObrigandVillringer(2003)
连续波fNIRS/fNIRI的仪器和方法的现状	R	Scholkmannetal.(2014)
时域fNIRS仪器的最新进展	R	Torricellietal.(2014)
漫射光学成像技术的现状	R	Boasetal.(2001)
	R	Gibson，Hebden，andArridge(2005)
	R	LiaoandCulver(2014)
影响fNIRS数据的因素及建议	R	Oriheula-Espinaetal.(2010)
选择最佳光源-探测器距离	A	BrigadoiandCooper(2015)
用于长期测量的上限	R	Kassab，LeLan，Vannasing，andSawan(2015)
使用参考通道排除外部伪影的方法	A	Gagnon，Yu¨cel，Boas，andCooper(2014)
fNIRS数据的统计分析	R	TakandYe(2014)
fNIRS的假阳性和假阴性	A	TachtsidisandScholkmann(2016)
使fNIRS数据在神经影像社区共享的方法学策略	R	TsuzukiandDan(2014)
EEG	R	Biessmann，Plis，Meinecke，Eichele，andMu¨ller(2011)
fMRI	R	Steinbrinketal.(2006)
经颅磁刺激	R	Parks(2013)

图2.近红外（NIR）光穿过头部的示意图。

使用头皮、颅骨、CSF、GM、WM等的光学特性模拟通过头部不同组织层的光通量的空间分布（由于复杂的光散射）。NIR光的穿透深度取决于光散射、吸收以及光源-探测器的距离。特别是，在以下情况下，NIR光更深，光强度更高：（a）与更高的颅骨厚度相比，更低的颅骨厚度和（b）更大的光源-探测器距离。检测到的信号主要来自位于毛细血管、小动脉和小静脉床等小血管（直径<1mm）中的血红蛋白。箭头表示通过不同头层的NIR光子的简化空间分布。光源和探测器之间较短的距离用于测量发生在表层的全身血液动力学波动。然后，这些测量结果可用作实验后分析中的回归量，以消除系统性污染并隔离大脑信号。

CSF=脑脊液；GM=大脑皮层灰质；DLD=深光探测器；LS=光源；SLD=浅光探测器；WM=白质。

Box1. fNIRS的特征、优点和优势
fNIRS是一种无创且安全的光学技术，它使用发光二极管或激光二极管作为NIR光源和不同的NIR探测器来测量响应某些刺激/任务（神经血管耦合）的人类大脑皮层氧合变化。fNIRS测量可以在没有约束和不同姿势的自然环境中进行。人体组织是高度散射的介质，对650-1000nm范围内的光相对透明（图1），其中主要吸收体位于小血管（直径<1mm）如毛细血管、小动脉和小静脉床中的氧合（O2Hb）和脱氧（HHb）血红蛋白（氧气运输红细胞蛋白）。NIR光能够穿透人体组织，因为其传输的主要因素是散射，散射的可能性通常是吸收的100倍左右。由于O2Hb和HHb具有不同的吸收光谱（图1），从头部发出的NIR光强度的变化被用来测量O2Hb和HHb浓度的变化。由于不同组织层的复杂光散射效应，通过组织的NIR光路长度长于信号源和探测器之间的物理距离。NIR光通过不同组织层的空间分布是香蕉形区域，如图2所示。在婴儿和成人的头部分别使用2-3cm和4-5cm的光源-探测器距离，可以实现足够的NIR光穿透深度（几乎是光源-探测器物理距离的一半）。最佳光源-探测器分离的选择取决于NIR光强度、对象的头部区域和年龄。 fNIRS允许对重要生理指标进行半定量/定量监测：（a）O2Hb；（b）HHb；（c）总血红蛋白（tHb），（tHb= O2Hb +HHb）（tHb与脑血容量密切相关）。fNIRS参数定量取决于采用的NIRS技术。常用的基于连续波的仪器仅提供O2Hb和HHb的浓度变化（相对于任意设置为零的初始值），通过使用修正的Lambert Beer law计算并以µmolar×cm表示。fNIRS测量具有可重复性和再现性。可以在头皮上应用一系列光源/探测器（空间分辨率~1cm）获得皮层血流动力学反应（光学地形）的实时图。fNIRS的特点是相对较高的时间分辨率（采样率高达100Hz；通常在1到10Hz之间）。可以使用神经导航系统捕获光源/探测器的位置。 fNIRS信号在静息状态下波动，反映生理现象（即，归因于全身动脉脉搏振荡（~1Hz）和呼吸（~0.2-0.3Hz）以及局部血压波动（<0.05Hz）和功能连接的波动。 fNIRS仪器成本相对较低/中等，可运输或便携（表2）。fNIRS系统可以小型化，甚至可以实现可穿戴和无线（表3）。 fNIRS的特点是相对于其他神经成像方式具有非常高的实验灵活性。与fMRI相比，fNIRS具有的特点（a）无声，更能容忍细微的运动伪影（例如，允许公开讲话），（b）除HHb外还测量O2Hb，更全面的评估血流动力学响应，（c）允许长时间连续测量和短时间间隔内的重复测量，并且（d）具有更高的时间分辨率。 fNIRS技术与其他电或磁监测系统和治疗设备（即起搏器、助听器、人工耳蜗等）兼容。 fNIRS测量可以与fMRI、PET、EEG或事件相关电位相结合。

Box1. fNIRS的特征、优点和优势

fNIRS是一种无创且安全的光学技术，它使用发光二极管或激光二极管作为NIR光源和不同的NIR探测器来测量响应某些刺激/任务（神经血管耦合）的人类大脑皮层氧合变化。fNIRS测量可以在没有约束和不同姿势的自然环境中进行。
人体组织是高度散射的介质，对650-1000nm范围内的光相对透明（图1），其中主要吸收体位于小血管（直径<1mm）如毛细血管、小动脉和小静脉床中的氧合（O2Hb）和脱氧（HHb）血红蛋白（氧气运输红细胞蛋白）。NIR光能够穿透人体组织，因为其传输的主要因素是散射，散射的可能性通常是吸收的100倍左右。由于O2Hb和HHb具有不同的吸收光谱（图1），从头部发出的NIR光强度的变化被用来测量O2Hb和HHb浓度的变化。
由于不同组织层的复杂光散射效应，通过组织的NIR光路长度长于信号源和探测器之间的物理距离。NIR光通过不同组织层的空间分布是香蕉形区域，如图2所示。
在婴儿和成人的头部分别使用2-3cm和4-5cm的光源-探测器距离，可以实现足够的NIR光穿透深度（几乎是光源-探测器物理距离的一半）。最佳光源-探测器分离的选择取决于NIR光强度、对象的头部区域和年龄。
fNIRS允许对重要生理指标进行半定量/定量监测：（a）O2Hb；（b）HHb；（c）总血红蛋白（tHb），（tHb= O2Hb +HHb）（tHb与脑血容量密切相关）。fNIRS参数定量取决于采用的NIRS技术。常用的基于连续波的仪器仅提供O2Hb和HHb的浓度变化（相对于任意设置为零的初始值），通过使用修正的Lambert Beer law计算并以µmolar×cm表示。fNIRS测量具有可重复性和再现性。
可以在头皮上应用一系列光源/探测器（空间分辨率~1cm）获得皮层血流动力学反应（光学地形）的实时图。fNIRS的特点是相对较高的时间分辨率（采样率高达100Hz；通常在1到10Hz之间）。可以使用神经导航系统捕获光源/探测器的位置。
fNIRS信号在静息状态下波动，反映生理现象（即，归因于全身动脉脉搏振荡（~1Hz）和呼吸（~0.2-0.3Hz）以及局部血压波动（<0.05Hz）和功能连接的波动。
fNIRS仪器成本相对较低/中等，可运输或便携（表2）。fNIRS系统可以小型化，甚至可以实现可穿戴和无线（表3）。
fNIRS的特点是相对于其他神经成像方式具有非常高的实验灵活性。与fMRI相比，fNIRS具有的特点（a）无声，更能容忍细微的运动伪影（例如，允许公开讲话），（b）除HHb外还测量O2Hb，更全面的评估血流动力学响应，（c）允许长时间连续测量和短时间间隔内的重复测量，并且（d）具有更高的时间分辨率。
fNIRS技术与其他电或磁监测系统和治疗设备（即起搏器、助听器、人工耳蜗等）兼容。
fNIRS测量可以与fMRI、PET、EEG或事件相关电位相结合。

Box2. fNIRS的局限性
fNIRS无法提供有关大脑结构的信息以供解剖参考。光源/探测器与皮肤之间的稳定接触至关重要。头发的分层和深色会减弱NIR光。对涉及大脑深部区域（如基底神经节和杏仁核）的认知刺激的皮质血流动力学反应无法进行研究。因此，fNIRS测量仅限于外皮层，空间分辨率低（约1厘米）。NIRS信号对皮质血流动力学反应的深度敏感性取决于许多因素（即光源-探测器分离、源功率、探测器灵敏度、皮肤/颅骨层的光学特性、白质髓鞘化程度）。对于大多数fNIRS系统，典型的深度灵敏度约为1.5cm。fNIRS信号变化的幅度易受光源-探测器位置/距离变化的影响。分离源自脑组织或脑外组织/结构（头皮、颞肌、颅骨、额窦、脑脊液和硬脑膜）的血流动力学变化是困难的。如果不使用三维MRI，就不可能确定皮质血流动力学反应的确切空间起源和fNIRS探头下方的大脑区域的精确识别。放置多个源/检测器（特别是在多毛的头皮上）非常耗时。必须改进帽子和附件。光源/探测器不能覆盖整个头部表面，使得同时探索所有可能的皮层神经系统变得困难。随着fNIRS测量点数量的增加，头套的重量和尺寸也随之增加，随之而来的是更大的运动伪影和更大的数据排除在数据分析之外。基于连续波的fNIRS系统无法测量光路长度，因此不提供fNIRS测量的绝对量化值。解释fNIRS数据时应考虑不同头部区域的光路长度差异。基于时域和频域的仪器（能够测量光路长度的空间和时间变化）的技术发展将提高fNIRS灵敏度和fNIRS参数的定量。在实验任务诱发大的全身血管变化和呼吸模式的情况下，需要监测一些全身参数(如心率、血压、颅骨血流、部分呼气末二氧化碳)。 fNIRS仪器/信号处理/数据分析和统计程序尚无标准化可用。 fNIRS系统的软件不提供数据流挖掘，即允许交互式用户界面适应他或她的行为的实时输入。 fNIRS信号伪影（由于头部运动和光源/探测器在头骨上的抓力减少）不能由软件自动校正。大多数商用fNIRS系统未经美国食品和药物管理局批准。

Box2. fNIRS的局限性

fNIRS无法提供有关大脑结构的信息以供解剖参考。
光源/探测器与皮肤之间的稳定接触至关重要。头发的分层和深色会减弱NIR光。
对涉及大脑深部区域（如基底神经节和杏仁核）的认知刺激的皮质血流动力学反应无法进行研究。因此，fNIRS测量仅限于外皮层，空间分辨率低（约1厘米）。NIRS信号对皮质血流动力学反应的深度敏感性取决于许多因素（即光源-探测器分离、源功率、探测器灵敏度、皮肤/颅骨层的光学特性、白质髓鞘化程度）。对于大多数fNIRS系统，典型的深度灵敏度约为1.5cm。fNIRS信号变化的幅度易受光源-探测器位置/距离变化的影响。
分离源自脑组织或脑外组织/结构（头皮、颞肌、颅骨、额窦、脑脊液和硬脑膜）的血流动力学变化是困难的。
如果不使用三维MRI，就不可能确定皮质血流动力学反应的确切空间起源和fNIRS探头下方的大脑区域的精确识别。
放置多个源/检测器（特别是在多毛的头皮上）非常耗时。必须改进帽子和附件。光源/探测器不能覆盖整个头部表面，使得同时探索所有可能的皮层神经系统变得困难。随着fNIRS测量点数量的增加，头套的重量和尺寸也随之增加，随之而来的是更大的运动伪影和更大的数据排除在数据分析之外。
基于连续波的fNIRS系统无法测量光路长度，因此不提供fNIRS测量的绝对量化值。解释fNIRS数据时应考虑不同头部区域的光路长度差异。基于时域和频域的仪器（能够测量光路长度的空间和时间变化）的技术发展将提高fNIRS灵敏度和fNIRS参数的定量。
在实验任务诱发大的全身血管变化和呼吸模式的情况下，需要监测一些全身参数(如心率、血压、颅骨血流、部分呼气末二氧化碳)。
fNIRS仪器/信号处理/数据分析和统计程序尚无标准化可用。
fNIRS系统的软件不提供数据流挖掘，即允许交互式用户界面适应他或她的行为的实时输入。
fNIRS信号伪影（由于头部运动和光源/探测器在头骨上的抓力减少）不能由软件自动校正。
大多数商用fNIRS系统未经美国食品和药物管理局批准。

自1990年代中期以来，已经引入了多通道fNIRS系统，该系统利用布置在头皮上的多个NIR光源和探测器阵列。最近详细审查了具有相关关键特征、优点和缺点以及可使用不同技术测量的参数的不同商用fNIRS仪器。简而言之，可以使用三种不同的NIRS技术，每种技术都基于特定类型的照明：

（a）连续波（CW）模式，基于恒定的组织照明，简单地测量通过头部的光衰减；

（b）频域（FD）方法，用强度调制光照射头部，测量发射光的衰减和相位延迟；

（c）时域（TD）技术，该技术用短光脉冲照射头部，检测通过组织传播后的脉冲形状。

因此，O2Hb/HHb的定量取决于采用的fNIRS技术。最常用的基于CW的fNIRS仪器测量O2Hb的变化Hb和HHb（相对于任意设置为零的初始值）使用Lambert-Beer定律的修改计算。考虑到组织光路长度大于源与检测器之间的距离（因为不同组织层的散射效应未知），O2Hb和HHb信号变化表示为μmolar×cm或mmolar×mm。只有FD和TD技术可以绝对表征组织的光学特性（吸收和减少的散射系数），从中可以检索绝对O2Hb和HHb浓度变化。CW的系统具有成本低且易于运输的优点。CW、FD和TD-fNIRS的仪器的成本和技术复杂性依次增加。fNIRS仪器的成本从10000美元到超过300000美元不等。有各种各样的商业fNIRS仪器，如表2和3所示。

表2.主要的商用移动式fNIRS系统。

表3.主要商用连续波便携式无线fNIRS系统。

fNIRS帽位于头顶，近红外光是无害的，不会有任何感觉。一般来说，fNIRS测量持续30到60分钟。例如，受试者可以通过在听觉和视觉任务中听到或看到某些声音或单词时按下按钮来做出反应。fNIRS在大脑皮层区域显示的典型激活如图4所示。 O2Hb的增加和HHb相对较小的下降反映了局部小动脉血管舒张的增加，从而导致局部CBF和脑血容量增加。然而，输送到激活皮层区域的氧气增加量通常超过局部神经元的氧气利用率，导致激活区域脑血氧过多。

图3.功能性近红外光谱（fNIRS）实验示例。

图4. fNIRS的事件相关范式中典型皮层血流动力学反应图示。

事实上，神经放电的开始几乎是在范式开始后立即开始的，氧合血红蛋白的增加（O2Hb，红线）以及脱氧血红蛋白减少（HHb，蓝线），反映皮层局部小动脉血管舒张增加（神经血管耦合）。结果，局部脑血流量和总血红蛋白升高[tHb=（O2Hb+HHb），绿线]（与脑血容量严格相关）。

到目前为止，用于监测皮层激活的fNIRS系统的复杂性从双通道到几十个通道的“全脑”阵列不等。fNIRS数据处理/分析方法可以实现对皮层O2Hb /HHb变化的进行实时评估。到目前为止，fNIRS缺乏足够的空间分辨率和宽视野的组合来详细绘制分布的大脑功能。

多年来，fNIRS系统的复杂性不断增加，因此可以获得2维或3维地形图。可以使用专有的重建系统以及许多不同的开源软件产品。使用光纤束的缺点是，光纤通常很重，灵活性和长度有限，可能会引起受试者的不适。为了克服这些缺点，自2009年以来，适用于对成人前额进行fNIRS测量的不同电池供电的多通道可穿戴/无线系统已经商业化。图5显示了22通道可穿戴fNIRS系统的示例，适用于评估大脑对正常日常活动中执行的认知任务的反应。

图5.两个可穿戴功能性近红外光谱（fNIRS）系统在面对面交谈期间绘制前额叶皮层活动图，每个系统配备22个通道（WOT-220，日本日立公司）

fNIRS评估自然和社会情况下主动行为期间的大脑皮层功能

2014年，著名期刊NeuroImage专门发行了一期特刊，以纪念fNIRS研究的前20年。其9篇评论文章和49篇投稿论文对推动该领域向前发展的激动人心的进步以及将受益于fNIRS的无数应用进行了全面调查。表4报告了fNIRS在社会科学的某些分支中的主要应用，包括心理学/教育、经济学和语言学。此外，还包括fNIRS在功能神经影像基础研究和医学中的主要应用。到目前为止，fNIRS已成功应用于健康人群（新生儿、儿童和成人）以及神经和精神疾病患者的各个研究领域。值得一提的是，fNIRS和/或EEG而非fMRI为了解婴儿大脑提供了巨大优势。这将有助于澄清人类思维的早期发展，包括社会大脑的发展。最近的文章很好地回顾了致力于理解婴儿认知、典型和非典型发展以及语言及其发展的重要fNIRS研究。有趣的是，fNIRS方法已被用于解决一些值得注意的发展问题：对象处理、社会交流、跨文化的社会情境和人类动作处理。最近，fNIRS还被用于自然和社会环境的婴儿。2015年，Urakawa等研究人员在社交互动剧“躲猫猫”期间对7个月大的婴儿进行了研究，其中听觉和视觉形式的交流明示信号由真实的人类主持人呈现。与转移的目光相比，与同伴的直接注视进行社交游戏时，在背内侧前额叶区域发现了更显著的皮层激活，这表明同伴的直接注视将婴儿的注意力转移到同伴的眼睛上进行互动交流。同年，Lloyd-Fox等研究员调查了6个月大的婴儿在自然交流互动中对语音和手势处理的明示信号的敏感性。这项研究的结果表明，只有实指信号(婴儿定向凝视和婴儿定向言语)的多模态呈现能够增强皮层区域的激活，该区域已知参与处理社会交流的听觉和视觉方面。这两项研究都证明了fNIRS如何在自然和社交情况下对评估婴儿大脑皮层功能做出贡献。

表4. fNIRS在社会科学、神经影像基础研究和医学领域对人类（婴儿/儿童或成人）的主要应用

考虑到Organizational Research Methods杂志对促进对方法论及其在组织环境中的应用的更有效理解的兴趣，最近的一些研究（涉及言语产生、神经经济学研究、神经营销、使用虚拟现实的日常认知功能虚拟购物和人类互动）很好地证明了fNIRS在社会环境中积极行为时评估大脑功能的潜力。事实上，由于对运动伪影的高度敏感性，PET或fMRI无法研究公开的语音产生及其神经相关性。2010年Suda等人通过52通道fNIRS系统研究了面对面的对话。受试者坐在面试官面前时，被要求在预定的时间内交替谈论某个话题。谈话期间伴随着在额上回和颞上回中观察到的激活，而在布罗卡氏区未观察到。2014年，Misawa, Shimokawa, and Hirobayashi专注于价格话题（这是一个购买决策因素），并测量了由产品价格评估引起的前额叶皮层激活。他们的研究结果表明，前额叶皮层的激活可以作为衡量消费者对产品价格“贵”或“便宜”程度的指标。2014年，Okahashi等人应用三种不同难度级别的虚拟购物，在两组恢复期脑损伤患者和健康年轻人中调查前额叶皮层激活的差异，由fNIRS（16通道OEG-16，Spectratech Co.，日本）仪器测量。该研究报告说，两组都有不同的任务表现和不同的前额叶皮层激活模式以及对任务难度上升的不同主观评估。2015年，Pinti等人评估了使用便携式fNIRS 22通道无线系统（WOT-220，日立，日本）在室外典型伦敦街道位置进行的前瞻性记忆任务期间监测前额叶皮层激活的可行性，并模拟日常生活的需求。记录了响应社会和非社会前瞻性记忆线索的显着前额叶皮层激活。在两个或更多人身上同时应用功能性神经成像模式，这是一种最近被称为超扫描的技术，可以计算仅出现在个人之间的交互（人际交互）中的脑间神经效应。fMRI研究中的超扫描方法有利于精确确定涉及脑间效应的区域。然而，使用fMRI记录日常生活中的脑间效应几乎是不可能的。相比之下，fNIRS研究中的超扫描方法以合理的高时间分辨率为特征，在自然环境中捕捉瞬间交互。图5显示了超扫描fNIRS测量的示例。特别是，一些可用于神经营销研究的耳机提供了在相对正常情况下衡量消费者反应的潜力。第一次超扫描fNIRS研究可以追溯到2011年。在这项研究中，一个22通道的无线系统（WOT-220，日本日立）被用来监测两个受试者面对面坐着，听到要求时同步按下按钮(在心里数了10秒之后)。较高的前额叶皮层脑间一致性与按键间隔较短显著相关。作者的结论是，合作行为的表现与脑间的一致性有关。面对面的互动是日常生活中最常见的社交互动类型之一，他人意图的不确定性会影响人际交往。2015年，Tang等人通过将经济交流博弈范式与fNIRS超扫描方法相结合，研究了面对面互动如何在两人经济交流中影响人际大脑同步。在他们的研究中，一对对陌生人进行了多次面对面或非面对面的互动，同时测量了他们在右侧颞顶叶连接处和控制区域(右侧前额叶背外侧皮层)的皮层激活情况。相关的fNIRS结果显示，在右侧颞顶交界区面对面互动时，人际脑同步增强，伙伴间的共同意向增强。另一个重要的社会互动是教学，它涉及学生和老师。2013年，Holper等人使用四通道无线近红外光谱(fNIRS)原型同时记录17对师生在对话执行过程中的前额叶脑氧合。他们的主要发现是，在成功转移知识的学生中，观察到较低的激活（相对于没有转移的学生）。这些结果可以鼓励未来的研究，旨在调查真实教育环境中涉及的大脑网络，在这些环境中，知识是在一个复杂的纠缠过程中获得的，涉及学生和老师之间的互动。尽管领导力被认为是人类社会的一个显著特征，但人们对领导者与下属沟通的神经基础知之甚少。2015年，Jiang等人在现实的三主体人际交流环境中使用了基于fNIRS的超扫描方法，研究证据表明人类领导者通过机智的沟通技巧和能力，使自己的大脑活动与追随者的大脑活动同步，从而与追随者合作实现群体决策。此外，他们还发现，基于人际神经同步数据以及互动早期的沟通行为，预测领导力是可能的。他们的研究结果为沟通在领导者涌现中的相关性的理论讨论提供了重要的贡献。在多人交互环境中，信息交换过程比两人/三人情况复杂得多。因此，单脑水平分析和双脑水平分析可能不支持对多脑交互过程特征的综合研究。面对这些挑战，2015年Duan等人提出了一个用于超扫描和建模多个交互大脑的通用框架，称为多脑网络的集群成像。为了演示这种方法，作者进行了一个简单的初步实验，其中9名参与者一起击鼓并尽力使他们的节拍彼此一致，同时用两个fNIRS系统同时记录前额叶皮层和左颞顶叶连接处的氧合情况。结论在社会科学、神经影像基础研究和医学的某些分支中应用fNIRS的可行性和成功已得到充分证明。越来越多的出版物表明有望在这些领域扩展fNIRS应用。fNIRS的发展得益于微电子、计算机技术和光学工程的进步。时域漫射光学的持续重大发展可以产生紧凑甚至可穿戴的时域fNIRS系统。从这些发展中产生的fNIRS系统将进一步扩大fNIRS应用的数量，并促进fNIRS结果的比较。预测fNIRS在自然和社会情况下评估人类行为过程中的大脑功能的未来方向并不容易。然而，fNIRS将在揭示婴儿大脑对社会刺激的皮层反应和调查成人大脑中的真实社会互动方面做出杰出贡献。

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