Standard functional near-infrared spectroscopy parameters in young adults living in different regions of European Russia

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

BACKGROUND: In recent years, numerous studies have attempted to compare the results of functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) obtained by different authors using various devices. To reach a consensus on standardizing fNIRS parameters, interpreting data, and ensuring reproducibility, comparative assessments of these parameters in healthy individuals from different geographical and climatic regions are needed.

AIM: To characterize standard fNIRS parameters in young adults living in various environmental conditions.

MATERIALS AND METHODS: The study included 100 clinically healthy Caucasian men and women aged 18–25 years, all native residents of three regions in European Russia: Arkhangelsk Oblast, Volgograd Oblast, and the Republic of Crimea. Hemodynamic responses of the cerebral cortex in the near-infrared range were assessed using the Cortivision Poton Cap C20 device (Cortivision, Poland). The experimental protocol consisted of three stages: Stage 1: baseline fNIRS recording with eyes open (30ʹ); Stage 2: administration of the following tasks: Simple Visual-Motor Reaction (2ʹ), Complex Visual-Motor Reaction (2ʹ), and Kraepelin Test (3ʹ); Stage 3: post-task fNIRS recording with eyes open (1ʹ). For subsequent data analysis, mean fNIRS values of HbO and HbR concentrations (mmol/L) were used for both the baseline and post-task stages.

RESULTS: Comparative analysis of regional differences in baseline and post-task fNIRS values revealed no statistically significant differences between participants from the modeled regions, which varied considerably in environmental comfort scores (6 points for Arkhangelsk Oblast, 17 points for Volgograd Oblast, 25 points for the Republic of Crimea). At the same time, clear differences in the baseline expression of fNIRS parameters were observed between the sampled groups of male and female participants. Repeatedly observed unidirectional differences in baseline HbO and HbR concentrations between male and female participants were identified in the same cortical areas. In both cases, statistically significant differences in concentrations were identified in symmetrical frontal (AF4–AFp2, AF3–AFp1) and temporal (FTT8–T8, FTT7–T7) leads. In women, higher values were recorded in the frontal cortex, whereas in men, the concentrations of the studied forms of hemoglobin were higher in the temporal regions.

CONCLUSION: The study characterized standard fNIRS parameters in young adults residing in varied environmental conditions. The presented data will contribute to improving the reliability and reproducibility of studies conducted using fNIRS technology, thereby facilitating the implementation of advanced neuroimaging methods in both research and clinical practice.

About the authors

Aleksandr B. Mulik

Kirov Military Medical Academy

Author for correspondence.
Email: mulikab@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6472-839X
SPIN-code: 8079-9698
Scopus Author ID: 57194478275
ResearcherId: U-2142-2017

Dr. Sci. (Biology), Professor

Russian Federation, Saint Petersburg

Irina V. Ulesikova

Kirov Military Medical Academy

Email: ulesikovairina@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9284-3280
SPIN-code: 9859-6036
Scopus Author ID: 57194476699
ResearcherId: D-3502-2016

Cand. Sci. (Biology)

Russian Federation, Saint Petersburg

Nikita O. Nazarov

Change Implementation Center of the Ministry of Health of the Moscow Region

Email: naznik86@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-0668-4664
SPIN-code: 9126-2809
Scopus Author ID: 57195288897
ResearcherId: GON-7330-2022

MD, Cand. Sci. (Medicine)

Russian Federation, Krasnogorsk

Mikhail A. Kunavin

Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov

Email: m.kunavin@narfu.ru
ORCID iD: 0000-0001-7948-1043
SPIN-code: 5271-0260
Scopus Author ID: 56089688500
ResearcherId: HKE-1458-2023

Cand. Sci. (Biology), Associate Professor

Russian Federation, Arkhangelsk

Andrey G. Soloviev

Northern State Medical University

Email: asoloviev1@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-0350-1359
SPIN-code: 2952-0619
Scopus Author ID: 7103242976
ResearcherId: O-8644-2016

MD, Dr. Sci. (Medicine), Professor

Russian Federation, Arkhangelsk

Yulia A. Shatyr

Kirov Military Medical Academy

Email: yuliashatyr@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-9279-5282
SPIN-code: 2942-6250
Scopus Author ID: 57194476788
ResearcherId: U-2181-2017

Cand. Sci. (Biology), Associate Professor

Russian Federation, Saint Petersburg

References

  1. Ferrari M, Quaresima V. A brief review on the history of human functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) development and fields of application. Neuroimage. 2012;63(2):921–935. doi: 10.1016/j.neuroimage.2012.03.049
  2. Yücel MA, Lühmann A, Scholkmann F, et al. Best practices for fNIRS publications. Neurophotonics. 2021;8(1):101–108. doi: 10.1117/1.NPh.8.1.012101
  3. Komleva YuK, Salmina AB, Prokopenko SV, et al. Changes in structural and functional plasticity of the brain induced by environmental enrichment. Annals of the Russian Academy of Medical Sciences. 2013;68(6):39–48. doi: 10.15690/vramn.v68i6.672 EDN: QCVRFD
  4. Miguel PM, Pereira LO, Silveira PP, Meaney MJ. Early environmental influences on the development of children's brain structure and function. Dev Med Child Neurol. 2019;61(10):1127–1133. doi: 10.1111/dmcn.14182
  5. Smith L. Integrating the physical environment within a population neuroscience perspective. Curr Top Behav Neurosci. 2024;68:223–238. doi: 10.1007/7854_2024_477
  6. Mulik AB, Ulesikova IV, Mulik IG, et al. Comfort and aesthetics of the living environment as a determinant of an individual's phenotypic and social status. Ekologiya cheloveka (Human Ecology). 2019;26(2):31–38. doi: 10.33396/1728-0869-2019-2-31-38 EDN: XLUHZE
  7. Characteristics of the sanitary system. In: National Atlas of Russia. Vol. 2. Nature. Ecology. Moscow; 2007. [cited 2025 Mar 20]. Available from: http://xn--80aaaa1bhnclcci1cl5c4ep.xn--p1ai/cd2/447/447 (In Russ.)
  8. Khan AF, Yuan H, Smith ZA, Ding L. Distinct time-resolved brain-wide coactivationsin oxygenated and deoxygenated hemoglobin. IEEE Trans Biomed Eng. 2024;71(8):463–472. doi: 10.1109/TBME.2024.3377109
  9. Shatyr YuA, Nazarov NO, Glushakov RI, et al. Search for genetic and phenotypical bases of human predisposition to risk behavior. Scientific Notes of V.I. Vernadsky Crimean Federal University. Biology. Chemistry. 2023;9(3):291–299. EDN: ZOEYFS
  10. Mulik AB, Shatyr YuA, Ulesikova IV, et al. Sexual characteristics of genetic determination of human propensity to aggressive, suicidal and addcitve behavior: descriptive study. Marine medicine. 2024;10(3):94–107. doi: 10.22328/2413-5747-2024-10-3-94-107 EDN: FJLHJI
  11. Akil M, Kolachana BS, Rothmond DA, et al. Catechol-O-methyltransferase genotype and dopamine regulation in the human brain. J Neurosci. 2003;23(6):2008–2013. doi: 10.1523/JNEUROSCI.23-06-02008.2003
  12. Pinggera A, Lieb A, Benedetti B, et al. CACNA1D de novo mutations in autism spectrum disorders activate Cav1.3 L-type calcium channels. Biol Psychiatry. 2015;77(9):816–822. doi: 10.1016/j.biopsych.2014.11.020
  13. Dolphin AC. The α2δ subunits of voltage-gated calcium channels. Biochim Biophys Acta. 2013;1828(7):1541–1549. doi: 10.1016/j.bbamem.2012.11.019
  14. Kan RLD. Sex differences in brain excitability revealed by concurrent iTBS/fNIRS. Asian J Psychiatr. 2024;(96):40–43. doi: 10.1016/j.ajp.2024.104043
  15. Auger H, Bherer L, Boucher É, et al. Quantification of extra-cerebral and cerebral hemoglobin concentrations during physical exercise using time-domain near infrared spectroscopy. Biomed Opt Express. 2016;7(10):3826–3842. doi: 10.1364/BOE.7.003826
  16. Filatova OV, Sidorenko AA. Age and sex hemodynamic characteristics of cerebral arteries. Acta Biologica Sibirica. 2015;1(3–4):199–243. EDN: VARUGZ
  17. Ben Mansour G, Kacem A, Ishak M, et al. The effect of body composition on strength and power in male and female students. BMC Sports Sci Med Rehabil. 2021;13(1):130–150. doi: 10.1186/s13102-021-00376-z
  18. Keller JL, Traylor MK, Gray SM, et al. Sex differences in NIRS-derived values of reactive hyperemia persist after experimentally controlling for the ischemic vasodilatory stimulus. J Appl Physiol (1985). 2023;135(1):3–14. doi: 10.1152/japplphysiol.00174.2023
  19. Kwashnjova KV, Iljukhina WA, Kryghanowskiy EV, Chistow AV. Near-infrared topography and spectroscopy in the study of brain activity. Biotechnosfera. 2013;2(26):1–5. EDN: REXRPN
  20. Perlaza NA. Sex determination from the frontal bone: a geometric morphometric study. J Forensic Sci. 2014;59(5):1330–1332. doi: 10.1111/1556-4029.12467
  21. Garcovich D, Gasco A, Lorenzo A, et al. Sex estimation through geometric morphometric analysis of the frontal bone: an assessment in pre-pubertal and post-pubertal modern Spanish population. Int J Legal Med. 2022;136(1):319–328. doi: 10.1007/s00414-021-02712-x
  22. Kholmatova KK, Gorbatova MA, Kharkova OA, Grjibovski AM. Cross-sectional studies: planning, sample size, data analysis. Ekologiya cheloveka (Human Ecology). 2016;23(2):49–56. doi: 10.33396/1728-0869-2016-2-49-56 EDN: VQGTNJ

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Baseline and post-load HbO concentrations (mmol/L) in male groups residing in Arkhangelsk Oblast (Region 1), Volgograd Oblast (Region 2), and the Republic of Crimea (Region 3).

Download (180KB)
3. Fig. 2. Baseline and post-load HbO concentrations (mmol/L) in female groups residing in Arkhangelsk Oblast (Region 1), Volgograd Oblast (Region 2), and the Republic of Crimea (Region 3).

Download (181KB)
4. Fig. 3. Baseline and post-load HbR concentrations (mmol/L) in male groups residing in Arkhangelsk Oblast (Region 1), Volgograd Oblast (Region 2), and the Republic of Crimea (Region 3).

Download (197KB)
5. Fig. 4. Baseline and post-load HbR concentrations (mmol/L) in female groups residing in Arkhangelsk Oblast (Region 1), Volgograd Oblast (Region 2), and the Republic of Crimea (Region 3).

Download (194KB)

Copyright (c) 2025 Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
 


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».