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近红外脑成像:给认知神经科学另一种未来

来源:  发布时间:2016-06-06

  
——记北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室研究员朱朝喆
  
本刊记者 李明丽

  
  
  金秋十月,北京师范大学迎来了来自全国各地的心理学、认知神经科学、医学以及生物医学工程等领域的专家学者。他们共赴此地,是为了参加第二届全国近红外光谱脑功能成像学术会议。
  2015年是全国近红外光谱脑功能成像学术会议举办的第二年,会议成立时间虽短,却声名远播。会议发起者叫朱朝喆,作为国内近红外光谱脑成像研究的学者以及此项新技术的积极推动者,在这个新兴领域里,从填补国内外理论空白到走向应用实践,朱朝喆带领他的团队一路开拓疆土,让人们看到了认知科学发展的另一种未来。
  
填补静息态空白
  
  在进入近红外光谱脑功能成像(functional near-infrared spectroscopy,以下简称fNIRS)研究以前,朱朝喆从事的是另外一个领域的工作。2005年,朱朝喆加入认知神经科学与学习国家重点实验室,开始利用磁共振成像技术(fMRI)进行个体静息态脑网络的研究,并在fMRI脑网络分析计算方法及其在中风康复和多动症客观诊断等方面取得了重要突破。然而,在与医院的长期合作中,朱朝喆深深地感到磁共振成像设备成本高、生态效度低等问题极大限制了脑网络成像在实际应用中的推广。
  “磁共振设备都是千万元级别的,很少有研究机构买得起,大部分研究机构只能和医院合作。同时,磁共振需要人躺在狭小的扫描腔体内长时间纹丝不动,否则会极大影响数据质量,因而生态效度很低,远不能在自然状态下进行研究,对低龄儿童脑功能研究更是难上加难。”这个成像技术瓶颈促使朱朝喆萌生了探索新的成像技术的想法。
  2009年,朱朝喆所在国家重点实验室购买了一台fNIRS设备。很快他发现,fNIRS的成像原理和fMRI类似,却有着更低的成本和超高的生态效度。fNIRS设备体积小、可移动,可以在自然的交互场景如课堂、会议中使用,扫描过程中受试者可以面对面自由交谈、做肢体动作。这些特点一下就吸引了朱朝喆。科研学者发现与探索的天性也让他逐渐深入这一领域的研究。
  利用自己在fMRI静息态脑网络领域多年的积累,2009年朱朝喆与美国华盛顿大学医学院Joseph Culver实验室,同期独立地利用fNIRS技术首次观测到静息态下脑区之间的神经活动同步现象。在随后短短两年多的时间里,朱朝喆对fNIRS静息态这一新方法的信度、效度进行了充分论证,并针对fNIRS所特有的噪声与定位问题提出了全新的解决方法,从而建立起了一套较完整的基于fNIRS的静息态脑功能连接计算方法体系。同时在此重要发现基础上,朱朝喆于2012年建立了高生态效度脑网络成像技术,并采用fNIRS与fMRI同步记录的方法,通过定量比较验证了高生态效度脑网络成像的可靠性。这一成果得到国际专家的高度评价:“这是一项颇有启发性的重要研究”,“这项研究超越了前人的工作,为证明(fNIRS与fMRI)两种信号高度相关提供了坚实证据”。这项工作将静息态fNIRS脑研究从脑连接水平,推广到了复杂脑网络层次,开辟了基于fNIRS的静息态脑网络研究新领域。此项技术一方面可能有助于前期基于fMRI中风与儿童多动症成果转化应用,另一方面也很有可能成为儿童脑功能发育研究的突破性手段。在这两个重要的方向上,朱朝喆正在与相关的科学家开展合作研究。
  fNIRS静息态技术如同在近红外脑成像技术领域里播撒下一片种子,在填补了这项空白之后,朱朝喆开始向更深处进发。
  
大容量、高生态效度群体脑网络成像新概念
  
  在以磁共振成像为主流的脑成像领域,近红外脑成像的空间分辨率尚可,但不如磁共振;而且由于成像原理的限制,近红外脑成像无法观测深部脑区,所以在传统脑研究领域中,近红外脑成像只是一个小众的成像技术。前面的fNIRS静息态脑网络研究可以说是在传统的脑成像研究基础上,拓展了近红外脑成像的应用领域,但近红外脑成像还能做些什么独特的事情?如何最大程度地扬长避短,把近红外脑成像的优势发挥到极致呢?从磁共振成像转向近红外成像的第一天开始,朱朝喆就没有停止过对这些问题的思考。
  对高生态效度的需求,是研究人类社会行为与神经机制的一个重要特点。在对现有研究进行调研的过程中,朱朝喆发现,群体认知神经科学的研究在国际上还基本上是一片空白。挑战主要来自于两个方面。首先,如何在自然环境条件下同时观测群体中多个大脑的实时交互过程?其次,如何对群体神经—行为复杂数据建模,探索群体脑活动内在结构与动态变化规律?
  近红外脑成像的独特之处恰恰在于,它能够在自然的状态下扫描脑活动,具有非常高的生态效度。在此优势基础上,朱朝喆团队经过技术攻关,成功实现了利用2台近红外设备同时扫描9个大脑的集群成像,并且扫描容量可以灵活扩展。在此基础上,朱朝喆团队又提出了基于图论的群体脑网络建模方法。该方法将每个大脑视为一个网络的节点,脑间神经活动的同步性作为网络的边。上述群体脑网络成像新技术的提出和建立解决了前面的两个挑战,使人类能够从神经层面上揭示群体脑网络及其拓扑属性与复杂群体行为之间的内在联系,打开了群体行为神经机制研究的大门。
  目前,朱朝喆已经使用“高生态效度群体脑网络成像”技术完成一项群体合作任务——击鼓实验,取得了令人振奋的新发现。在接近自然的场景中,9名受试者构成的群体根据指导语完成不同交互程度的合作击鼓任务,在交互过程中对9名群体成员进行同时的脑活动扫描。该实验共采集了22组群体的数据。对全部群体的脑网络数据分析表明,受试者群体脑网络结构在高、低交互条件下存在明显的差别,且高交互条件下的脑网络连接强度显著高于低交互条件下的脑网络连接强度。目前,该技术还处于探索阶段,朱朝喆希望将来应用这一新技术对接近自然环境下的多人社会交互行为(如数人至数十人的团队合作)进行群体脑网络成像,探索群体社会交互行为的神经机制。
  2014年9月9日,习近平主席来到北京师范大学调研期间,参观了这一国际上最大容量的高生态效度脑成像平台与相关实验。当朱朝喆向习近平主席介绍了实验的具体细节后,习近平风趣地说:“以后可以用这个技术来选班长嘛。”受到国家领导人的关注和认可,让朱朝喆及其团队备受鼓舞。对于自己未来的研究,朱朝喆信心满满:“群体脑网络成像在国际上是一个全新的方法。有了它,我们就可以从神经科学的角度,对丰富多彩的群体交互过程进行前所未有的探索。”
  
脑间耦合神经反馈新技术
  
  除了群体脑网络成像,基于fNIRS的脑间耦合神经反馈是朱朝喆近年来开辟的另一研究领域。已有研究发现,在合作、面对面交谈等社会交互过程中,交互主体间的特定脑区上存在脑活动同步的现象(即脑间连接),疾病人群在社会交互中的脑间连接存在异常。朱朝喆将神经反馈技术与群体脑成像技术相结合,在国际上首次提出脑间耦合神经反馈概念,并建立相关技术平台。在基础神经科学研究方面,利用这一技术,研究者可以操控受试者们的脑间连接,同时观测受试者的社会行为表现,从而能以更因果的方式研究脑间连接与行为之间的关联,这为理解脑间连接的功能意义提供了全新的途径。在临床神经科学研究方面,该技术提供了一种可以直接干预脑间连接的方法,并可能通过调节脑间连接改善交互行为,为研究社交障碍干预新方法提供有潜力的途径。
  2013年,朱朝喆将这一研究成果在脑功能成像研究国际前沿论坛上进行了演示。来自荷兰、英国、美国的国际神经反馈领域权威学者对研究结果给予了高度肯定。美国NIH的Yihong Yang教授认为:“这是一项真正具有创新意义的工作……可能会成为脑成像领域的一个经典之作。”此外,生物与医学领域著名国际学术网站Faculty of 1000向世界学术同行推荐了该成果,认为该研究“提出了一种有潜力的研究人类社会关系的新技术,可能提供一条揭示社会交互神经基础的新途径”。
  
让更多人了解近红外
  
  一门新技术的发展与应用总要有人去推广。近年来,在繁忙的科研工作之余,朱朝喆将全部精力都花在了近红外脑成像技术的发展与推广上。他希望,更多国内同行能了解这一具有价值和潜力的新技术,进而让近红外脑成像技术在国内迅速发展起来。
  2013年,近红外脑成像研究中心(http://fnirs.bnu.edu.cn)在朱朝喆的筹备和主导下成立,成为北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室下设研究机构,致力于fNIRS脑成像研究的新方法与新技术开发,及其在基础与临床认知神经科学中的应用。研究中心在“973”课题、国家重大仪器专项课题、国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金创新群体等项目资助下,在fNIRS静息态脑成像、fNIRS双脑神经反馈以及fNIRS双人与群体脑成像技术与应用等方面发表了系列高水平论文15篇,申报国家发明专利6项,获批国家软件著作权3项。凭借静息态fNIRS以及双脑神经反馈等先进技术,研究中心在fNIRS领域取得了国际领先地位。目前,中心正与国内多家单位开展合作,为推动中国的fNIRS脑成像领域发展发挥着积极作用。
  与此同时,朱朝喆希望国内外能有更多同行参与到这项事业中。为促进我国fNIRS脑成像技术与应用领域的学术交流,增进国内同行科学家间密切合作,他于2014年发起并主办了首届全国近红外光学脑功能成像会议。首届会议获得极大成功,会议共吸引包括北京大学、清华大学、中科院、北医六院、首都儿科研究所、上海瑞金医院等全国34家高校、科研院所以及医院的共计150余名学者与相关领域研究生参加。“虽然近红外技术还处于发展初期,国内外文章数量也不多,但由于会议的影响,国内几十家科研机构、大学和医院都已经购买了这一设备。”研究中心一名会议组织者说。在首届会议结束后,主办方依然会收到参会人员有关fNIRS的各种学术问题。因此,2015年举办的第二届会议特增设为期两天的培训模块,这是国内首次fNIRS理论与实践的系统培训。然而,仅有的50个培训名额显然不能满足参会者的需求,培训现场外几乎每天都有人前来询问能否多补充一些名额。
  为了满足更多人对近红外脑成像技术进一步了解及教育的需求,朱朝喆正在编撰国内首部系统介绍该技术的图书。该书作为“认知神经科学”书系的一部分,将对朱朝喆和研究中心在近红外脑成像领域多年的成果进行总结与集成。他希望能够通过这本书推动近红外脑成像学科建设与人才培养,同时为该技术在中国的发展争取更好的社会环境和支撑条件。
  身为认知神经科学与学习国家重点实验室的方法学带头人,朱朝喆坚定地认为:“国家重点实验室应该有自己的责任,在世界上要有特色,在国际上要有一些话语权,不能一直跟在别人后面。我们希望有原创性的成果,让别人跟着我们。”这样的决心给了他继续前行的动力。
  

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2024年5月

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