近紅外腦成像：給認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)另一種未來
——記北京師范大學(xué)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與學(xué)習(xí)國家重點實驗室研究員朱朝喆

本刊記者 李明麗

近紅外腦成像：給認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)另一種未來
——記北京師范大學(xué)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與學(xué)習(xí)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(xué)迎來了來自全國各地的心理學(xué)、認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)、醫(yī)學(xué)以及生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域的專家學(xué)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(xué)術(shù)會議。

2015年是全國近紅外光譜腦功能成像學(xué)術(shù)會議舉辦的第二年，會議成立時間雖短，卻聲名遠(yuǎn)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(xué)者以及此項新技術(shù)的積極推動者，在這個新興領(lǐng)域里，從填補(bǔ)國內(nèi)外理論空白到走向應(yīng)用實踐，朱朝喆帶領(lǐng)他的團(tuán)隊一路開拓疆土，讓人們看到了認(rèn)知科學(xué)發(fā)展的另一種未來。

填補(bǔ)靜息態(tài)空白

在進(jìn)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(lǐng)域的工作。2005年，朱朝喆加入認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與學(xué)習(xí)國家重點實驗室，開始利用磁共振成像技術(shù)（fMRI）進(jìn)行個體靜息態(tài)腦網(wǎng)絡(luò)的研究，并在fMRI腦網(wǎng)絡(luò)分析計算方法及其在中風(fēng)康復(fù)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(shè)備成本高、生態(tài)效度低等問題極大限制了腦網(wǎng)絡(luò)成像在實際應(yīng)用中的推廣。

“磁共振設(shè)備都是千萬元級別的，很少有研究機(jī)構(gòu)買得起，大部分研究機(jī)構(gòu)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(yuǎn)不能在自然狀態(tài)下進(jìn)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(shù)瓶頸促使朱朝喆萌生了探索新的成像技術(shù)的想法。

2009年，朱朝喆所在國家重點實驗室購買了一臺fNIRS設(shè)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(shè)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(xué)者發(fā)現(xiàn)與探索的天性也讓他逐漸深入這一領(lǐng)域的研究。

利用自己在fMRI靜息態(tài)腦網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域多年的積累，2009年朱朝喆與美國華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院Joseph Culver實驗室，同期獨(dú)立地利用fNIRS技術(shù)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(jìn)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(chǔ)上，朱朝喆于2012年建立了高生態(tài)效度腦網(wǎng)絡(luò)成像技術(shù)，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(luò)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(guān)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(fù)雜腦網(wǎng)絡(luò)層次，開辟了基于fNIRS的靜息態(tài)腦網(wǎng)絡(luò)研究新領(lǐng)域。此項技術(shù)一方面可能有助于前期基于fMRI中風(fēng)與兒童多動癥成果轉(zhuǎn)化應(yīng)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(guān)的科學(xué)家開展合作研究。

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

研究組合影

大容量、高生態(tài)效度群體腦網(wǎng)絡(luò)成像新概念

在以磁共振成像為主流的腦成像領(lǐng)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(lǐng)域中，近紅外腦成像只是一個小眾的成像技術(shù)。前面的fNIRS靜息態(tài)腦網(wǎng)絡(luò)研究可以說是在傳統(tǒng)的腦成像研究基礎(chǔ)上，拓展了近紅外腦成像的應(yīng)用領(lǐng)域，但近紅外腦成像還能做些什么獨(dú)特的事情？如何最大程度地?fù)P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(zhuǎn)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(jī)制的一個重要特點。在對現(xiàn)有研究進(jìn)行調(diào)研的過程中，朱朝喆發(fā)現(xiàn)，群體認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)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(fù)雜數(shù)據(jù)建模，探索群體腦活動內(nèi)在結(jié)構(gòu)與動態(tài)變化規(guī)律？

近紅外腦成像的獨(dú)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(chǔ)上，朱朝喆團(tuán)隊經(jīng)過技術(shù)攻關(guān)，成功實現(xiàn)了利用2臺近紅外設(shè)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(kuò)展。在此基礎(chǔ)上，朱朝喆團(tuán)隊又提出了基于圖論的群體腦網(wǎng)絡(luò)建模方法。該方法將每個大腦視為一個網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，腦間神經(jīng)活動的同步性作為網(wǎng)絡(luò)的邊。上述群體腦網(wǎng)絡(luò)成像新技術(shù)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(luò)及其拓?fù)鋵傩耘c復(fù)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(jī)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(luò)成像”技術(shù)完成一項群體合作任務(wù)——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(gòu)成的群體根據(jù)指導(dǎo)語完成不同交互程度的合作擊鼓任務(wù)，在交互過程中對9名群體成員進(jìn)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(luò)數(shù)據(jù)分析表明，受試者群體腦網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(luò)連接強(qiáng)度顯著高于低交互條件下的腦網(wǎng)絡(luò)連接強(qiáng)度。目前，該技術(shù)還處于探索階段，朱朝喆希望將來應(yīng)用這一新技術(shù)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(tuán)隊合作）進(jìn)行群體腦網(wǎng)絡(luò)成像，探索群體社會交互行為的神經(jīng)機(jī)制。

2014年9月9日，習(xí)近平主席來到北京師范大學(xué)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(guān)實驗。當(dāng)朱朝喆向習(xí)近平主席介紹了實驗的具體細(xì)節(jié)后，習(xí)近平風(fēng)趣地說：“以后可以用這個技術(shù)來選班長嘛。”受到國家領(lǐng)導(dǎo)人的關(guān)注和認(rèn)可，讓朱朝喆及其團(tuán)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(luò)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(xué)的角度，對豐富多彩的群體交互過程進(jìn)行前所未有的探索?！?/p>

腦間耦合神經(jīng)反饋新技術(shù)

除了群體腦網(wǎng)絡(luò)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(lǐng)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(shù)與群體腦成像技術(shù)相結(jié)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(guān)技術(shù)平臺。在基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)研究方面，利用這一技術(shù)，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(guān)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(xué)研究方面，該技術(shù)提供了一種可以直接干預(yù)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(yù)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(jìn)行了演示。來自荷蘭、英國、美國的國際神經(jīng)反饋領(lǐng)域權(quán)威學(xué)者對研究結(jié)果給予了高度肯定。美國NIH的Yihong Yang教授認(rèn)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(lǐng)域的一個經(jīng)典之作?！贝送?，生物與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域著名國際學(xué)術(shù)網(wǎng)站Faculty of 1000向世界學(xué)術(shù)同行推薦了該成果，認(rèn)為該研究“提出了一種有潛力的研究人類社會關(guān)系的新技術(shù)，可能提供一條揭示社會交互神經(jīng)基礎(chǔ)的新途徑”。

會議合影

讓更多人了解近紅外

一門新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)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(shù)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(shù)，進(jìn)而讓近紅外腦成像技術(shù)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(dǎo)下成立，成為北京師范大學(xué)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與學(xué)習(xí)國家重點實驗室下設(shè)研究機(jī)構(gòu)，致力于fNIRS腦成像研究的新方法與新技術(shù)開發(fā)，及其在基礎(chǔ)與臨床認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)中的應(yīng)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(xué)基金重點項目、國家自然科學(xué)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(shù)與應(yīng)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(quán)3項。憑借靜息態(tài)fNIRS以及雙腦神經(jīng)反饋等先進(jìn)技術(shù)，研究中心在fNIRS領(lǐng)域取得了國際領(lǐng)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(lǐng)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(jìn)我國fNIRS腦成像技術(shù)與應(yīng)用領(lǐng)域的學(xué)術(shù)交流，增進(jìn)國內(nèi)同行科學(xué)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(xué)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(xué)、清華大學(xué)、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(xué)者與相關(guān)領(lǐng)域研究生參加?！半m然近紅外技術(shù)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(jī)構(gòu)、大學(xué)和醫(yī)院都已經(jīng)購買了這一設(shè)備?！毖芯恐行囊幻麜h組織者說。在首屆會議結(jié)束后，主辦方依然會收到參會人員有關(guān)fNIRS的各種學(xué)術(shù)問題。因此，2015年舉辦的第二屆會議特增設(shè)為期兩天的培訓(xùn)模塊，這是國內(nèi)首次fNIRS理論與實踐的系統(tǒng)培訓(xùn)。然而，僅有的50個培訓(xùn)名額顯然不能滿足參會者的需求，培訓(xùn)現(xiàn)場外幾乎每天都有人前來詢問能否多補(bǔ)充一些名額。

為了滿足更多人對近紅外腦成像技術(shù)進(jìn)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(shù)的圖書。該書作為“認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)”書系的一部分，將對朱朝喆和研究中心在近紅外腦成像領(lǐng)域多年的成果進(jìn)行總結(jié)與集成。他希望能夠通過這本書推動近紅外腦成像學(xué)科建設(shè)與人才培養(yǎng)，同時為該技術(shù)在中國的發(fā)展?fàn)幦「玫纳鐣h(huán)境和支撐條件。

身為認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與學(xué)習(xí)國家重點實驗室的方法學(xué)帶頭人，朱朝喆堅定地認(rèn)為：“國家重點實驗室應(yīng)該有自己的責(zé)任，在世界上要有特色，在國際上要有一些話語權(quán)，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。