本刊記者　范國軒

近紅外腦成像兒童腦發(fā)育的探測針
——記北京師范大學腦與認知科學研究院“985”研究員牛海晶

本刊記者范國軒

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(xiàn)不一樣的認知行為？

……

群體效應(yīng)、個體差異，在兒童青少年身上表現(xiàn)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(guān)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(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，牛海晶從天津大學光學專業(yè)碩士畢業(yè)。碩士所學雖然不與近紅外腦成像研究直接相關(guān)，但是期間導師的科研工作已經(jīng)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(yè)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(cè)重于一些基礎(chǔ)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(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(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(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，堅信這臺設(shè)備會幫助到她以后的實驗。

那段時間的研究經(jīng)歷大大鍛煉了牛海晶的心志?！爱敃r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(yǎng)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(fā)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”。

“離家五年了，現(xiàn)在明顯感到父親老了，看著他揉腿時的樣子，我在一邊直想流淚。讓他老人家去看孫主任，他說去看過?？赡苡行┤扁}或者是風濕。吃了一些藥喝了一些藥酒也不見好。聽媽媽說，前段時間，父親聽說用蜜蜂蜇一下會好點，他就去拿蜜蜂往自己身上蜇。結(jié)果一下子暈倒了?！被氐轿?，曉麗撥通了男朋友的電話傾訴，哭的泣不成聲。男朋友詳細詢問了病癥后，建議她帶著父親去黑龍江遠東心腦血管醫(yī)院，查查下肢血管。

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(yīng)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(jīng)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(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)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(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成像技術(shù)?！爱斀t外光入射到大腦皮層組織時，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)測光強度的變化，進而推測大腦組織內(nèi)部的腦活動”。“我們可以通過監(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，因而就可以探究兒童大腦發(fā)育特點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踐支撐。其中，2011年創(chuàng)新性地將數(shù)學圖論方法引入到全腦靜息態(tài)fNIRS領(lǐng)域，構(gòu)建了首個全腦靜息態(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(qū)間的信息交互與合作，給深入窺探大腦內(nèi)部的神經(jīng)活動規(guī)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(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，牛海晶認為這是兒童研究的最好利器。

那么，如何全面地刻畫兒童大腦功能網(wǎng)絡(luò)拓撲屬性；如何評價不同的腦網(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)特征進行刻畫，進而獲取反映兒童不同腦活動特征的網(wǎng)絡(luò)指標。

為確保網(wǎng)絡(luò)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(gòu)建框架方法，對可能出現(xiàn)的偏差進行評估與預(yù)測，為兒童靜態(tài)和動態(tài)腦網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及網(wǎng)絡(luò)屬性的可靠性評價建立起優(yōu)化的方法學框架。同時，牛海晶為了進一步驗證優(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，牛海晶認為，基于fNIRS數(shù)據(jù)的兒童腦網(wǎng)絡(luò)計算方法和評價體系將會系統(tǒng)化、規(guī)范化、科學化。并且在此基礎(chǔ)上，可以在兒童腦網(wǎng)絡(luò)拓撲組織的靜態(tài)與動態(tài)特征之下，建立探索與認知能力相關(guān)的腦網(wǎng)絡(luò)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(yǎng)研究生時，她的要求甚為嚴格?！爱厴I(yè)時，我的碩士生都能發(fā)表至少兩篇SCI論文”，牛海晶自信地說。通過對學生設(shè)定高目標，一是可以培養(yǎng)學生勤奮努力、刻苦認真的做事態(tài)度；二是將會為學生畢業(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(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成像的兒童腦網(wǎng)絡(luò)分析平臺，從數(shù)據(jù)處理到質(zhì)量檢驗、再到功能連接構(gòu)建以及大腦網(wǎng)絡(luò)分析等，都能夠在這個平臺上完成。此舉得到了國內(nèi)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(shù)開展兒童青少年腦發(fā)育研究只是冰山一角，更多有社會價值的課題亟待發(fā)掘。接下來，她將繼續(xù)沿著以往科研方向進行縱向深入，同時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。