近红外脑成像儿童脑发育的探测针

范国轩

六岁以前的儿童，为什么多动？注意力难以集中？

六岁至十五岁的儿童青少年，为什么信息处理能力日益提升？

同年龄段的孩子，为什么会出现不一样的认知行为？

……

群体效应、个体差异，在儿童青少年身上表现明显，如何更好地认识他们的行为？采取合适的教育手段，是确保孩子健康成长的关键。

北京师范大学脑与认知科学研究院研究员牛海晶认为，无论是青少年的信息接收与处理能力，还是他们的发育状态等，都能够通过对其大脑网络的研究给与一定的解释。除利用磁共振进行人体组织的“穿越”探测外，近红外脑成像技术尚不能小觑。

走近近红外光谱脑成像

人生的际遇很奇妙。2006年，牛海晶从天津大学光学专业硕士毕业。硕士所学虽然不与近红外脑成像研究直接相关，但是期间导师的科研工作已经让她对近红外光谱——这个被称为生物组织的探测窗，有了一定的认识和了解。之后她有幸考入北京师范大学光学专业攻读博士学位。巧合的是，她的博士导师为她指定的研究方向就是近红外光谱成像，但更侧重于一些基础理论及算法的研究。通过仔细阅读导师安排的每一篇参考文献，认真推导每一个计算公式，短短一个学期她就对这个领域从最初的几乎不懂发展成略知一二，慢慢有了兴趣。

2006年春，牛海晶被派到中国科学院自动化所蒋田仔研究员的课题组，迎来了人生中第一次科研抉择。当时蒋老师的实验室只有两个硕士在开展近红外研究，其余20多人都是从事磁共振相关方向，近红外成像在那儿属于冷门。是选择大众化的研究方向（如核磁共振成像），还是继续开展近红外脑成像研究？牛海晶决定选择后者。促使她做出这个决定的原因之一，与中科院研究室一台引自国外的高端先进设备——国内唯一的近红外脑成像设备有关。她像发现新大陆一般惊喜，坚信这台设备会帮助到她以后的实验。

那段时间的研究经历大大锻炼了牛海晶的心志。“当时这个方向的人很少，研究室就我一个”“没人交流、讨论，只能自己一点一点地摸索”，也正是这样培养她成为一名合格的、不惧怕孤独的科研工作者。

拓展近红外光谱脑成像到儿童脑发育研究

分子生物学奠基人之一、诺贝尔奖获得者沃森曾宣称：“20世纪是基因的世纪，21世纪是脑的世界”。

2009年博士毕业的牛海晶深知，唯有站在国际最前沿，才能找准自己未来的科研方向。于是她来到美国德州大学阿灵顿分校，开始了博士后研究生涯。在这期间，她跟随导师一直从事近红外光谱脑成像的计算方法学及应用研究。

科研无国界，科学家却有自己的国家。每个海外学子心中都有一个“中国梦”。为了圆梦报效祖国，2010年7月，牛海晶回到祖国，在母校北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室开启了新的科研旅程，跟随在脑网络研究领域成果斐然的贺永老师一起做研究。这时的她，又迎来了科研路途上的第二个抉择——究竟该采用哪种方法进行脑组织网络研究？是单纯开展近红外成像研究，还是应该涉猎一些功能磁共振成像，做到双模态同时研究？权衡再三后，牛海晶决定遵循内心，依然选择自己做了近十年的近红外成像。

近红外脑成像是一种无损的光学成像技术。“当近红外光入射到大脑皮层组织时，由于组织内含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白对光的吸收相对较小，因此有部分光子将有幸从组织出射。这样我们就可以通过监测光强度的变化，进而推测大脑组织内部的脑活动”。“我们可以通过监测儿童青少年脑组织对光的吸收来判定其内部大脑活动，因而就可以探究儿童大脑发育特点以及大脑与行为之间的内在联系了”。牛海晶向记者展现了近红外成像的“神奇”，这样一种神奇的科技还有待于发展：“它需要有熟悉它的人来进行深入拓展。”牛海晶告诉记者。

于是近年来，牛海晶在近红外脑成像（fNIRS）领域开展了一系列前沿工作。她从fNIRS三维脑图像重构、fNIRS脑网络构建以及脑网络属性的重测可靠性评价等多方面出发，在国际权威期刊中共发表20多篇SCI论文，为儿童青少年脑网络研究提供了诸多理论及实践支撑。其中，2011年创新性地将数学图论方法引入到全脑静息态fNIRS领域，构建了首个全脑静息态fNIRS脑功能网络，并发现fNIRS脑网络具有“小世界”属性，证明了静息态fNIRS与图论方法相结合开展脑功能网络研究的可行性。2013年，牛海晶把在静息态fNIRS领域多年来的研究结果形成首篇脑网络研究综述论文，发表在the Neuroscientist杂志，在当期最多阅读量排名中位居第九。

随着“人脑连接组学”概念的提出，科学家们开始试图从功能整合的角度，来考察不同脑区间的信息交互与合作，给深入窥探大脑内部的神经活动规律及揭示儿童大脑认知能力差异提供了全新的视角。

有了概念，还要有手段。fNIRS作为一种新兴的非侵入式脑功能成像技术，更易于被家长及儿童所接受，加之仪器设备操作简单，便携性能好等优势，牛海晶认为这是儿童研究的最好利器。

2015年，她申请主持国家自然科学基金面上科学基金项目“基于静息态fNIRS的儿童脑功能连接组学研究”，尝试从静态脑网络和动态脑网络两个不同的视角，建立具有儿童特异性的脑网络构建与分析方法学框架，进而获得大样本低龄健康儿童（7?9岁）脑网络拓扑属性特征量，为病理条件下的儿童脑网络研究提供评价和对照依据。多年来，牛海晶已经采集整理了足够引以为傲的近200名儿童脑发育数据集，这将会为她今后的研究带来诸多便利。

那么，如何全面地刻画儿童大脑功能网络拓扑属性；如何评价不同的脑网络构建方法对儿童大脑功能网络的影响；如何评价儿童大脑功能网络属性的可靠性……为解决上述各种复杂问题，牛海晶决定把传统的静态脑网络分析和新兴的动态脑网络分析相结合，对儿童大脑网络特征进行刻画，进而获取反映儿童不同脑活动特征的网络指标。

为确保网络拓扑属性计算及其可靠性评价，她通过整合多种不同的脑功能连接构建框架方法，对可能出现的偏差进行评估与预测，为儿童静态和动态脑网络构建及网络属性的可靠性评价建立起优化的方法学框架。同时，牛海晶为了进一步验证优化后的方法框架对儿童这一特殊群体是否具备针对性，还引入成人数据进行全方位、多角度对比分析。

一系列问题的提出与技术手段的应用，牛海晶认为，基于fNIRS数据的儿童脑网络计算方法和评价体系将会系统化、规范化、科学化。并且在此基础上，可以在儿童脑网络拓扑组织的静态与动态特征之下，建立探索与认知能力相关的脑网络指标。

坚守本心，铿锵前行

科研，是牛海晶最感兴趣的事情。而教学，同样是她倾注很大精力的部分。

在培养研究生时，她的要求甚为严格。“毕业时，我的硕士生都能发表至少两篇SCI论文”，牛海晶自信地说。通过对学生设定高目标，一是可以培养学生勤奋努力、刻苦认真的做事态度；二是将会为学生毕业后的去向增添筹码；三是可以筛选出真正对科研有兴趣的学生，这样的学生才能够接手科研的“衣钵”，推动着未来科研走得更远。

为了扩大本研究领域的影响力，提高广大科研工作者的交流效率，牛海晶课题组基于多年fNIRS的研究成果，开发了一套完整的基于光学成像的儿童脑网络分析平台，从数据处理到质量检验、再到功能连接构建以及大脑网络分析等，都能够在这个平台上完成。此举得到了国内外同行的高度认可。

纵使千帆过尽，牛海晶仍认为这在使用近红外成像技术开展儿童青少年脑发育研究只是冰山一角，更多有社会价值的课题亟待发掘。接下来，她将继续沿着以往科研方向进行纵向深入，同时把自闭症儿童的脑网络研究划定为未来科研范畴，为此类家庭提供一些解决途径。