本刊記者 李明麗

近紅外腦成像：給認知神經(jīng)科學另一種未來
——記北京師范大學認知神經(jīng)科學與學習國家重點實驗室研究員朱朝喆

本刊記者 李明麗

金秋十月，北京師范大學迎來了來自全國各地的心理學、認知神經(jīng)科學、醫(yī)學以及生物醫(yī)學工程等領域的專家學者。他們共赴此地，是為了參加第二屆全國近紅外光譜腦功能成像學術會議。

2015年是全國近紅外光譜腦功能成像學術會議舉辦的第二年，會議成立時間雖短，卻聲名遠播。會議發(fā)起者叫朱朝喆，作為國內(nèi)近紅外光譜腦成像研究的學者以及此項新技術的積極推動者，在這個新興領域里，從填補國內(nèi)外理論空白到走向應用實踐，朱朝喆帶領他的團隊一路開拓疆土，讓人們看到了認知科學發(fā)展的另一種未來。

填補靜息態(tài)空白

在進入近紅外光譜腦功能成像（functional near-infrared spectroscopy,以下簡稱fNIRS）研究以前，朱朝喆從事的是另外一個領域的工作。2005年，朱朝喆加入認知神經(jīng)科學與學習國家重點實驗室，開始利用磁共振成像技術（fMRI）進行個體靜息態(tài)腦網(wǎng)絡的研究，并在fMRI腦網(wǎng)絡分析計算方法及其在中風康復和多動癥客觀診斷等方面取得了重要突破。然而，在與醫(yī)院的長期合作中，朱朝喆深深地感到磁共振成像設備成本高、生態(tài)效度低等問題極大限制了腦網(wǎng)絡成像在實際應用中的推廣。

“磁共振設備都是千萬元級別的，很少有研究機構買得起，大部分研究機構只能和醫(yī)院合作。同時，磁共振需要人躺在狹小的掃描腔體內(nèi)長時間紋絲不動，否則會極大影響數(shù)據(jù)質(zhì)量，因而生態(tài)效度很低，遠不能在自然狀態(tài)下進行研究，對低齡兒童腦功能研究更是難上加難?！边@個成像技術瓶頸促使朱朝喆萌生了探索新的成像技術的想法。

2009年，朱朝喆所在國家重點實驗室購買了一臺fNIRS設備。很快他發(fā)現(xiàn)，fNIRS的成像原理和fMRI類似，卻有著更低的成本和超高的生態(tài)效度。fNIRS設備體積小、可移動，可以在自然的交互場景如課堂、會議中使用，掃描過程中受試者可以面對面自由交談、做肢體動作。這些特點一下就吸引了朱朝喆?？蒲袑W者發(fā)現(xiàn)與探索的天性也讓他逐漸深入這一領域的研究。

利用自己在fMRI靜息態(tài)腦網(wǎng)絡領域多年的積累，2009年朱朝喆與美國華盛頓大學醫(yī)學院Joseph Culver實驗室，同期獨立地利用fNIRS技術首次觀測到靜息態(tài)下腦區(qū)之間的神經(jīng)活動同步現(xiàn)象。在隨后短短兩年多的時間里，朱朝喆對fNIRS靜息態(tài)這一新方法的信度、效度進行了充分論證，并針對fNIRS所特有的噪聲與定位問題提出了全新的解決方法，從而建立起了一套較完整的基于fNIRS的靜息態(tài)腦功能連接計算方法體系。同時在此重要發(fā)現(xiàn)基礎上，朱朝喆于2012年建立了高生態(tài)效度腦網(wǎng)絡成像技術，并采用fNIRS與fMRI同步記錄的方法，通過定量比較驗證了高生態(tài)效度腦網(wǎng)絡成像的可靠性。這一成果得到國際專家的高度評價：“這是一項頗有啟發(fā)性的重要研究”，“這項研究超越了前人的工作，為證明（fNIRS與fMRI）兩種信號高度相關提供了堅實證據(jù)”。這項工作將靜息態(tài)fNIRS腦研究從腦連接水平，推廣到了復雜腦網(wǎng)絡層次，開辟了基于fNIRS的靜息態(tài)腦網(wǎng)絡研究新領域。此項技術一方面可能有助于前期基于fMRI中風與兒童多動癥成果轉化應用，另一方面也很有可能成為兒童腦功能發(fā)育研究的突破性手段。在這兩個重要的方向上，朱朝喆正在與相關的科學家開展合作研究。

fNIRS靜息態(tài)技術如同在近紅外腦成像技術領域里播撒下一片種子，在填補了這項空白之后，朱朝喆開始向更深處進發(fā)。

研究組合影

大容量、高生態(tài)效度群體腦網(wǎng)絡成像新概念

在以磁共振成像為主流的腦成像領域，近紅外腦成像的空間分辨率尚可，但不如磁共振；而且由于成像原理的限制，近紅外腦成像無法觀測深部腦區(qū)，所以在傳統(tǒng)腦研究領域中，近紅外腦成像只是一個小眾的成像技術。前面的fNIRS靜息態(tài)腦網(wǎng)絡研究可以說是在傳統(tǒng)的腦成像研究基礎上，拓展了近紅外腦成像的應用領域，但近紅外腦成像還能做些什么獨特的事情？如何最大程度地揚長避短，把近紅外腦成像的優(yōu)勢發(fā)揮到極致呢？從磁共振成像轉向近紅外成像的第一天開始，朱朝喆就沒有停止過對這些問題的思考。

對高生態(tài)效度的需求，是研究人類社會行為與神經(jīng)機制的一個重要特點。在對現(xiàn)有研究進行調(diào)研的過程中，朱朝喆發(fā)現(xiàn)，群體認知神經(jīng)科學的研究在國際上還基本上是一片空白。挑戰(zhàn)主要來自于兩個方面。首先，如何在自然環(huán)境條件下同時觀測群體中多個大腦的實時交互過程？其次，如何對群體神經(jīng)—行為復雜數(shù)據(jù)建模，探索群體腦活動內(nèi)在結構與動態(tài)變化規(guī)律？

近紅外腦成像的獨特之處恰恰在于，它能夠在自然的狀態(tài)下掃描腦活動，具有非常高的生態(tài)效度。在此優(yōu)勢基礎上，朱朝喆團隊經(jīng)過技術攻關，成功實現(xiàn)了利用2臺近紅外設備同時掃描9個大腦的集群成像，并且掃描容量可以靈活擴展。在此基礎上，朱朝喆團隊又提出了基于圖論的群體腦網(wǎng)絡建模方法。該方法將每個大腦視為一個網(wǎng)絡的節(jié)點，腦間神經(jīng)活動的同步性作為網(wǎng)絡的邊。上述群體腦網(wǎng)絡成像新技術的提出和建立解決了前面的兩個挑戰(zhàn)，使人類能夠從神經(jīng)層面上揭示群體腦網(wǎng)絡及其拓撲屬性與復雜群體行為之間的內(nèi)在聯(lián)系，打開了群體行為神經(jīng)機制研究的大門。

目前，朱朝喆已經(jīng)使用“高生態(tài)效度群體腦網(wǎng)絡成像”技術完成一項群體合作任務——擊鼓實驗，取得了令人振奮的新發(fā)現(xiàn)。在接近自然的場景中，9名受試者構成的群體根據(jù)指導語完成不同交互程度的合作擊鼓任務，在交互過程中對9名群體成員進行同時的腦活動掃描。該實驗共采集了22組群體的數(shù)據(jù)。對全部群體的腦網(wǎng)絡數(shù)據(jù)分析表明，受試者群體腦網(wǎng)絡結構在高、低交互條件下存在明顯的差別，且高交互條件下的腦網(wǎng)絡連接強度顯著高于低交互條件下的腦網(wǎng)絡連接強度。目前，該技術還處于探索階段，朱朝喆希望將來應用這一新技術對接近自然環(huán)境下的多人社會交互行為（如數(shù)人至數(shù)十人的團隊合作）進行群體腦網(wǎng)絡成像，探索群體社會交互行為的神經(jīng)機制。

2014年9月9日，習近平主席來到北京師范大學調(diào)研期間，參觀了這一國際上最大容量的高生態(tài)效度腦成像平臺與相關實驗。當朱朝喆向習近平主席介紹了實驗的具體細節(jié)后，習近平風趣地說：“以后可以用這個技術來選班長嘛?！笔艿絿翌I導人的關注和認可，讓朱朝喆及其團隊備受鼓舞。對于自己未來的研究，朱朝喆信心滿滿：“群體腦網(wǎng)絡成像在國際上是一個全新的方法。有了它，我們就可以從神經(jīng)科學的角度，對豐富多彩的群體交互過程進行前所未有的探索?！?/p>

腦間耦合神經(jīng)反饋新技術

除了群體腦網(wǎng)絡成像，基于fNIRS的腦間耦合神經(jīng)反饋是朱朝喆近年來開辟的另一研究領域。已有研究發(fā)現(xiàn)，在合作、面對面交談等社會交互過程中，交互主體間的特定腦區(qū)上存在腦活動同步的現(xiàn)象（即腦間連接），疾病人群在社會交互中的腦間連接存在異常。朱朝喆將神經(jīng)反饋技術與群體腦成像技術相結合，在國際上首次提出腦間耦合神經(jīng)反饋概念，并建立相關技術平臺。在基礎神經(jīng)科學研究方面，利用這一技術，研究者可以操控受試者們的腦間連接，同時觀測受試者的社會行為表現(xiàn)，從而能以更因果的方式研究腦間連接與行為之間的關聯(lián)，這為理解腦間連接的功能意義提供了全新的途徑。在臨床神經(jīng)科學研究方面，該技術提供了一種可以直接干預腦間連接的方法，并可能通過調(diào)節(jié)腦間連接改善交互行為，為研究社交障礙干預新方法提供有潛力的途徑。

2013年，朱朝喆將這一研究成果在腦功能成像研究國際前沿論壇上進行了演示。來自荷蘭、英國、美國的國際神經(jīng)反饋領域權威學者對研究結果給予了高度肯定。美國NIH的Yihong Yang教授認為：“這是一項真正具有創(chuàng)新意義的工作……可能會成為腦成像領域的一個經(jīng)典之作。”此外，生物與醫(yī)學領域著名國際學術網(wǎng)站Faculty of 1000向世界學術同行推薦了該成果，認為該研究“提出了一種有潛力的研究人類社會關系的新技術，可能提供一條揭示社會交互神經(jīng)基礎的新途徑”。

會議合影

讓更多人了解近紅外

一門新技術的發(fā)展與應用總要有人去推廣。近年來，在繁忙的科研工作之余，朱朝喆將全部精力都花在了近紅外腦成像技術的發(fā)展與推廣上。他希望，更多國內(nèi)同行能了解這一具有價值和潛力的新技術，進而讓近紅外腦成像技術在國內(nèi)迅速發(fā)展起來。

2013年，近紅外腦成像研究中心（http://fnirs.bnu.edu.cn）在朱朝喆的籌備和主導下成立，成為北京師范大學認知神經(jīng)科學與學習國家重點實驗室下設研究機構，致力于fNIRS腦成像研究的新方法與新技術開發(fā)，及其在基礎與臨床認知神經(jīng)科學中的應用。研究中心在“973”課題、國家重大儀器專項課題、國家自然科學基金重點項目、國家自然科學基金創(chuàng)新群體等項目資助下，在fNIRS靜息態(tài)腦成像、fNIRS雙腦神經(jīng)反饋以及fNIRS雙人與群體腦成像技術與應用等方面發(fā)表了系列高水平論文15篇，申報國家發(fā)明專利6項，獲批國家軟件著作權3項。憑借靜息態(tài)fNIRS以及雙腦神經(jīng)反饋等先進技術，研究中心在fNIRS領域取得了國際領先地位。目前，中心正與國內(nèi)多家單位開展合作，為推動中國的fNIRS腦成像領域發(fā)展發(fā)揮著積極作用。

與此同時，朱朝喆希望國內(nèi)外能有更多同行參與到這項事業(yè)中。為促進我國fNIRS腦成像技術與應用領域的學術交流，增進國內(nèi)同行科學家間密切合作，他于2014年發(fā)起并主辦了首屆全國近紅外光學腦功能成像會議。首屆會議獲得極大成功，會議共吸引包括北京大學、清華大學、中科院、北醫(yī)六院、首都兒科研究所、上海瑞金醫(yī)院等全國34家高校、科研院所以及醫(yī)院的共計150余名學者與相關領域研究生參加?！半m然近紅外技術還處于發(fā)展初期，國內(nèi)外文章數(shù)量也不多，但由于會議的影響，國內(nèi)幾十家科研機構、大學和醫(yī)院都已經(jīng)購買了這一設備?！毖芯恐行囊幻麜h組織者說。在首屆會議結束后，主辦方依然會收到參會人員有關fNIRS的各種學術問題。因此，2015年舉辦的第二屆會議特增設為期兩天的培訓模塊，這是國內(nèi)首次fNIRS理論與實踐的系統(tǒng)培訓。然而，僅有的50個培訓名額顯然不能滿足參會者的需求，培訓現(xiàn)場外幾乎每天都有人前來詢問能否多補充一些名額。

為了滿足更多人對近紅外腦成像技術進一步了解及教育的需求，朱朝喆正在編撰國內(nèi)首部系統(tǒng)介紹該技術的圖書。該書作為“認知神經(jīng)科學”書系的一部分，將對朱朝喆和研究中心在近紅外腦成像領域多年的成果進行總結與集成。他希望能夠通過這本書推動近紅外腦成像學科建設與人才培養(yǎng)，同時為該技術在中國的發(fā)展爭取更好的社會環(huán)境和支撐條件。

身為認知神經(jīng)科學與學習國家重點實驗室的方法學帶頭人，朱朝喆堅定地認為：“國家重點實驗室應該有自己的責任，在世界上要有特色，在國際上要有一些話語權，不能一直跟在別人后面。我們希望有原創(chuàng)性的成果，讓別人跟著我們?！边@樣的決心給了他繼續(xù)前行的動力。