近紅外腦成像兒童腦發育的探測針

范國軒

六歲以前的兒童，為什么多動？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，為什么會出現不一樣的認知行為？

……

群體效應、個體差異，在兒童青少年身上表現明顯，如何更好地認識他們的行為？采取合適的教育手段，是確保孩子健康成長的關鍵。

北京師范大學腦與認知科學研究院研究員牛海晶認為，無論是青少年的信息接收與處理能力，還是他們的發育狀態等，都能夠通過對其大腦網絡的研究給與一定的解釋。除利用磁共振進行人體組織的“穿越”探測外，近紅外腦成像技術尚不能小覷。

走近近紅外光譜腦成像

人生的際遇很奇妙。2006年，牛海晶從天津大學光學專業碩士畢業。碩士所學雖然不與近紅外腦成像研究直接相關，但是期間導師的科研工作已經讓她對近紅外光譜——這個被稱為生物組織的探測窗，有了一定的認識和了解。之后她有幸考入北京師范大學光學專業攻讀博士學位。巧合的是，她的博士導師為她指定的研究方向就是近紅外光譜成像，但更側重于一些基礎理論及算法的研究。通過仔細閱讀導師安排的每一篇參考文獻，認真推導每一個計算公式，短短一個學期她就對這個領域從最初的幾乎不懂發展成略知一二，慢慢有了興趣。

2006年春，牛海晶被派到中國科學院自動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。當時蔣老師的實驗室只有兩個碩士在開展近紅外研究，其余20多人都是從事磁共振相關方向，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。促使她做出這個決定的原因之一，與中科院研究室一臺引自國外的高端先進設備——國內唯一的近紅外腦成像設備有關。她像發現新大陸一般驚喜，堅信這臺設備會幫助到她以后的實驗。

那段時間的研究經歷大大鍛煉了牛海晶的心志。“當時這個方向的人很少，研究室就我一個”“沒人交流、討論，只能自己一點一點地摸索”，也正是這樣培養她成為一名合格的、不懼怕孤獨的科研工作者。

拓展近紅外光譜腦成像到兒童腦發育研究

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

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

科研無國界，科學家卻有自己的國家。每個海外學子心中都有一個“中國夢”。為了圓夢報效祖國，2010年7月，牛海晶回到祖國，在母校北京師范大學認知神經科學與學習國家重點實驗室開啟了新的科研旅程，跟隨在腦網絡研究領域成果斐然的賀永老師一起做研究。這時的她，又迎來了科研路途上的第二個抉擇——究竟該采用哪種方法進行腦組織網絡研究？是單純開展近紅外成像研究，還是應該涉獵一些功能磁共振成像，做到雙模態同時研究？權衡再三后，牛海晶決定遵循內心，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成像技術。“當近紅外光入射到大腦皮層組織時，由于組織內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測光強度的變化，進而推測大腦組織內部的腦活動”。“我們可以通過監測兒童青少年腦組織對光的吸收來判定其內部大腦活動，因而就可以探究兒童大腦發育特點以及大腦與行為之間的內在聯系了”。牛海晶向記者展現了近紅外成像的“神奇”，這樣一種神奇的科技還有待于發展：“它需要有熟悉它的人來進行深入拓展。”牛海晶告訴記者。

于是近年來，牛海晶在近紅外腦成像（fNIRS）領域開展了一系列前沿工作。她從fNIRS三維腦圖像重構、fNIRS腦網絡構建以及腦網絡屬性的重測可靠性評價等多方面出發，在國際權威期刊中共發表20多篇SCI論文，為兒童青少年腦網絡研究提供了諸多理論及實踐支撐。其中，2011年創新性地將數學圖論方法引入到全腦靜息態fNIRS領域，構建了首個全腦靜息態fNIRS腦功能網絡，并發現fNIRS腦網絡具有“小世界”屬性，證明了靜息態fNIRS與圖論方法相結合開展腦功能網絡研究的可行性。2013年，牛海晶把在靜息態fNIRS領域多年來的研究結果形成首篇腦網絡研究綜述論文，發表在the Neuroscientist雜志，在當期最多閱讀量排名中位居第九。

隨著“人腦連接組學”概念的提出，科學家們開始試圖從功能整合的角度，來考察不同腦區間的信息交互與合作，給深入窺探大腦內部的神經活動規律及揭示兒童大腦認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，更易于被家長及兒童所接受，加之儀器設備操作簡單，便攜性能好等優勢，牛海晶認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基金面上科學基金項目“基于靜息態fNIRS的兒童腦功能連接組學研究”，嘗試從靜態腦網絡和動態腦網絡兩個不同的視角，建立具有兒童特異性的腦網絡構建與分析方法學框架，進而獲得大樣本低齡健康兒童（7?9歲）腦網絡拓撲屬性特征量，為病理條件下的兒童腦網絡研究提供評價和對照依據。多年來，牛海晶已經采集整理了足夠引以為傲的近200名兒童腦發育數據集，這將會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絡拓撲屬性；如何評價不同的腦網絡構建方法對兒童大腦功能網絡的影響；如何評價兒童大腦功能網絡屬性的可靠性……為解決上述各種復雜問題，牛海晶決定把傳統的靜態腦網絡分析和新興的動態腦網絡分析相結合，對兒童大腦網絡特征進行刻畫，進而獲取反映兒童不同腦活動特征的網絡指標。

為確保網絡拓撲屬性計算及其可靠性評價，她通過整合多種不同的腦功能連接構建框架方法，對可能出現的偏差進行評估與預測，為兒童靜態和動態腦網絡構建及網絡屬性的可靠性評價建立起優化的方法學框架。同時，牛海晶為了進一步驗證優化后的方法框架對兒童這一特殊群體是否具備針對性，還引入成人數據進行全方位、多角度對比分析。

一系列問題的提出與技術手段的應用，牛海晶認為，基于fNIRS數據的兒童腦網絡計算方法和評價體系將會系統化、規范化、科學化。并且在此基礎上，可以在兒童腦網絡拓撲組織的靜態與動態特征之下，建立探索與認知能力相關的腦網絡指標。

堅守本心，鏗鏘前行

科研，是牛海晶最感興趣的事情。而教學，同樣是她傾注很大精力的部分。

在培養研究生時，她的要求甚為嚴格。“畢業時，我的碩士生都能發表至少兩篇SCI論文”，牛海晶自信地說。通過對學生設定高目標，一是可以培養學生勤奮努力、刻苦認真的做事態度；二是將會為學生畢業后的去向增添籌碼；三是可以篩選出真正對科研有興趣的學生，這樣的學生才能夠接手科研的“衣缽”，推動著未來科研走得更遠。

為了擴大本研究領域的影響力，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，開發了一套完整的基于光學成像的兒童腦網絡分析平臺，從數據處理到質量檢驗、再到功能連接構建以及大腦網絡分析等，都能夠在這個平臺上完成。此舉得到了國內外同行的高度認可。

縱使千帆過盡，牛海晶仍認為這在使用近紅外成像技術開展兒童青少年腦發育研究只是冰山一角，更多有社會價值的課題亟待發掘。接下來，她將繼續沿著以往科研方向進行縱向深入，同時把自閉癥兒童的腦網絡研究劃定為未來科研范疇，為此類家庭提供一些解決途徑。