近紅外腦成像兒童腦發(fā)育的探測針

范國軒

六歲以前的兒童，為什么多動(dòng)？注意力難以集中？

六歲至十五歲的兒童青少年，為什么信息處理能力日益提升？

同年齡段的孩子，為什么會(huì)出現(xiàn)不一樣的認(rèn)知行為？

……

群體效應(yīng)、個(gè)體差異，在兒童青少年身上表現(xiàn)明顯，如何更好地認(rèn)識(shí)他們的行為？采取合適的教育手段，是確保孩子健康成長的關(guān)鍵。

北京師范大學(xué)腦與認(rèn)知科學(xué)研究院研究員牛海晶認(rèn)為，無論是青少年的信息接收與處理能力，還是他們的發(fā)育狀態(tài)等，都能夠通過對其大腦網(wǎng)絡(luò)的研究給與一定的解釋。除利用磁共振進(jìn)行人體組織的“穿越”探測外，近紅外腦成像技術(shù)尚不能小覷。

走近近紅外光譜腦成像

人生的際遇很奇妙。2006年，牛海晶從天津大學(xué)光學(xué)專業(yè)碩士畢業(yè)。碩士所學(xué)雖然不與近紅外腦成像研究直接相關(guān)，但是期間導(dǎo)師的科研工作已經(jīng)讓她對近紅外光譜——這個(gè)被稱為生物組織的探測窗，有了一定的認(rèn)識(shí)和了解。之后她有幸考入北京師范大學(xué)光學(xué)專業(yè)攻讀博士學(xué)位。巧合的是，她的博士導(dǎo)師為她指定的研究方向就是近紅外光譜成像，但更側(cè)重于一些基礎(chǔ)理論及算法的研究。通過仔細(xì)閱讀導(dǎo)師安排的每一篇參考文獻(xiàn)，認(rèn)真推導(dǎo)每一個(gè)計(jì)算公式，短短一個(gè)學(xué)期她就對這個(gè)領(lǐng)域從最初的幾乎不懂發(fā)展成略知一二，慢慢有了興趣。

2006年春，牛海晶被派到中國科學(xué)院自動(dòng)化所蔣田仔研究員的課題組，迎來了人生中第一次科研抉擇。當(dāng)時(shí)蔣老師的實(shí)驗(yàn)室只有兩個(gè)碩士在開展近紅外研究，其余20多人都是從事磁共振相關(guān)方向，近紅外成像在那兒屬于冷門。是選擇大眾化的研究方向（如核磁共振成像），還是繼續(xù)開展近紅外腦成像研究？牛海晶決定選擇后者。促使她做出這個(gè)決定的原因之一，與中科院研究室一臺(tái)引自國外的高端先進(jìn)設(shè)備——國內(nèi)唯一的近紅外腦成像設(shè)備有關(guān)。她像發(fā)現(xiàn)新大陸一般驚喜，堅(jiān)信這臺(tái)設(shè)備會(huì)幫助到她以后的實(shí)驗(yàn)。

那段時(shí)間的研究經(jīng)歷大大鍛煉了牛海晶的心志?！爱?dāng)時(shí)這個(gè)方向的人很少，研究室就我一個(gè)”“沒人交流、討論，只能自己一點(diǎn)一點(diǎn)地摸索”，也正是這樣培養(yǎng)她成為一名合格的、不懼怕孤獨(dú)的科研工作者。

拓展近紅外光譜腦成像到兒童腦發(fā)育研究

分子生物學(xué)奠基人之一、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者沃森曾宣稱：“20世紀(jì)是基因的世紀(jì)，21世紀(jì)是腦的世界”。

2009年博士畢業(yè)的牛海晶深知，唯有站在國際最前沿，才能找準(zhǔn)自己未來的科研方向。于是她來到美國德州大學(xué)阿靈頓分校，開始了博士后研究生涯。在這期間，她跟隨導(dǎo)師一直從事近紅外光譜腦成像的計(jì)算方法學(xué)及應(yīng)用研究。

科研無國界，科學(xué)家卻有自己的國家。每個(gè)海外學(xué)子心中都有一個(gè)“中國夢”。為了圓夢報(bào)效祖國，2010年7月，牛海晶回到祖國，在母校北京師范大學(xué)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與學(xué)習(xí)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開啟了新的科研旅程，跟隨在腦網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域成果斐然的賀永老師一起做研究。這時(shí)的她，又迎來了科研路途上的第二個(gè)抉擇——究竟該采用哪種方法進(jìn)行腦組織網(wǎng)絡(luò)研究？是單純開展近紅外成像研究，還是應(yīng)該涉獵一些功能磁共振成像，做到雙模態(tài)同時(shí)研究？權(quán)衡再三后，牛海晶決定遵循內(nèi)心，依然選擇自己做了近十年的近紅外成像。

近紅外腦成像是一種無損的光學(xué)成像技術(shù)?！爱?dāng)近紅外光入射到大腦皮層組織時(shí)，由于組織內(nèi)含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白對光的吸收相對較小，因此有部分光子將有幸從組織出射。這樣我們就可以通過監(jiān)測光強(qiáng)度的變化，進(jìn)而推測大腦組織內(nèi)部的腦活動(dòng)”?！拔覀兛梢酝ㄟ^監(jiān)測兒童青少年腦組織對光的吸收來判定其內(nèi)部大腦活動(dòng)，因而就可以探究兒童大腦發(fā)育特點(diǎn)以及大腦與行為之間的內(nèi)在聯(lián)系了”。牛海晶向記者展現(xiàn)了近紅外成像的“神奇”，這樣一種神奇的科技還有待于發(fā)展：“它需要有熟悉它的人來進(jìn)行深入拓展?！迸：＞Ц嬖V記者。

于是近年來，牛海晶在近紅外腦成像（fNIRS）領(lǐng)域開展了一系列前沿工作。她從fNIRS三維腦圖像重構(gòu)、fNIRS腦網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建以及腦網(wǎng)絡(luò)屬性的重測可靠性評價(jià)等多方面出發(fā)，在國際權(quán)威期刊中共發(fā)表20多篇SCI論文，為兒童青少年腦網(wǎng)絡(luò)研究提供了諸多理論及實(shí)踐支撐。其中，2011年創(chuàng)新性地將數(shù)學(xué)圖論方法引入到全腦靜息態(tài)fNIRS領(lǐng)域，構(gòu)建了首個(gè)全腦靜息態(tài)fNIRS腦功能網(wǎng)絡(luò)，并發(fā)現(xiàn)fNIRS腦網(wǎng)絡(luò)具有“小世界”屬性，證明了靜息態(tài)fNIRS與圖論方法相結(jié)合開展腦功能網(wǎng)絡(luò)研究的可行性。2013年，牛海晶把在靜息態(tài)fNIRS領(lǐng)域多年來的研究結(jié)果形成首篇腦網(wǎng)絡(luò)研究綜述論文，發(fā)表在the Neuroscientist雜志，在當(dāng)期最多閱讀量排名中位居第九。

隨著“人腦連接組學(xué)”概念的提出，科學(xué)家們開始試圖從功能整合的角度，來考察不同腦區(qū)間的信息交互與合作，給深入窺探大腦內(nèi)部的神經(jīng)活動(dòng)規(guī)律及揭示兒童大腦認(rèn)知能力差異提供了全新的視角。

有了概念，還要有手段。fNIRS作為一種新興的非侵入式腦功能成像技術(shù)，更易于被家長及兒童所接受，加之儀器設(shè)備操作簡單，便攜性能好等優(yōu)勢，牛海晶認(rèn)為這是兒童研究的最好利器。

2015年，她申請主持國家自然科學(xué)基金面上科學(xué)基金項(xiàng)目“基于靜息態(tài)fNIRS的兒童腦功能連接組學(xué)研究”，嘗試從靜態(tài)腦網(wǎng)絡(luò)和動(dòng)態(tài)腦網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)不同的視角，建立具有兒童特異性的腦網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與分析方法學(xué)框架，進(jìn)而獲得大樣本低齡健康兒童（7?9歲）腦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩蕴卣髁?，為病理?xiàng)l件下的兒童腦網(wǎng)絡(luò)研究提供評價(jià)和對照依據(jù)。多年來，牛海晶已經(jīng)采集整理了足夠引以為傲的近200名兒童腦發(fā)育數(shù)據(jù)集，這將會(huì)為她今后的研究帶來諸多便利。

那么，如何全面地刻畫兒童大腦功能網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩?；如何評價(jià)不同的腦網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法對兒童大腦功能網(wǎng)絡(luò)的影響；如何評價(jià)兒童大腦功能網(wǎng)絡(luò)屬性的可靠性……為解決上述各種復(fù)雜問題，牛海晶決定把傳統(tǒng)的靜態(tài)腦網(wǎng)絡(luò)分析和新興的動(dòng)態(tài)腦網(wǎng)絡(luò)分析相結(jié)合，對兒童大腦網(wǎng)絡(luò)特征進(jìn)行刻畫，進(jìn)而獲取反映兒童不同腦活動(dòng)特征的網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)。

為確保網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩杂?jì)算及其可靠性評價(jià)，她通過整合多種不同的腦功能連接構(gòu)建框架方法，對可能出現(xiàn)的偏差進(jìn)行評估與預(yù)測，為兒童靜態(tài)和動(dòng)態(tài)腦網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及網(wǎng)絡(luò)屬性的可靠性評價(jià)建立起優(yōu)化的方法學(xué)框架。同時(shí)，牛海晶為了進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化后的方法框架對兒童這一特殊群體是否具備針對性，還引入成人數(shù)據(jù)進(jìn)行全方位、多角度對比分析。

一系列問題的提出與技術(shù)手段的應(yīng)用，牛海晶認(rèn)為，基于fNIRS數(shù)據(jù)的兒童腦網(wǎng)絡(luò)計(jì)算方法和評價(jià)體系將會(huì)系統(tǒng)化、規(guī)范化、科學(xué)化。并且在此基礎(chǔ)上，可以在兒童腦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣M織的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特征之下，建立探索與認(rèn)知能力相關(guān)的腦網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)。

堅(jiān)守本心，鏗鏘前行

科研，是牛海晶最感興趣的事情。而教學(xué)，同樣是她傾注很大精力的部分。

在培養(yǎng)研究生時(shí)，她的要求甚為嚴(yán)格。“畢業(yè)時(shí)，我的碩士生都能發(fā)表至少兩篇SCI論文”，牛海晶自信地說。通過對學(xué)生設(shè)定高目標(biāo)，一是可以培養(yǎng)學(xué)生勤奮努力、刻苦認(rèn)真的做事態(tài)度；二是將會(huì)為學(xué)生畢業(yè)后的去向增添籌碼；三是可以篩選出真正對科研有興趣的學(xué)生，這樣的學(xué)生才能夠接手科研的“衣缽”，推動(dòng)著未來科研走得更遠(yuǎn)。

為了擴(kuò)大本研究領(lǐng)域的影響力，提高廣大科研工作者的交流效率，牛海晶課題組基于多年fNIRS的研究成果，開發(fā)了一套完整的基于光學(xué)成像的兒童腦網(wǎng)絡(luò)分析平臺(tái)，從數(shù)據(jù)處理到質(zhì)量檢驗(yàn)、再到功能連接構(gòu)建以及大腦網(wǎng)絡(luò)分析等，都能夠在這個(gè)平臺(tái)上完成。此舉得到了國內(nèi)外同行的高度認(rèn)可。

縱使千帆過盡，牛海晶仍認(rèn)為這在使用近紅外成像技術(shù)開展兒童青少年腦發(fā)育研究只是冰山一角，更多有社會(huì)價(jià)值的課題亟待發(fā)掘。接下來，她將繼續(xù)沿著以往科研方向進(jìn)行縱向深入，同時(shí)把自閉癥兒童的腦網(wǎng)絡(luò)研究劃定為未來科研范疇，為此類家庭提供一些解決途徑。