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彩巢计划:中国儿童脑科学
作者: 转载自科学通报 ║ 日期: 2017/09/21 

  导读:

  “三岁看大,七岁看老”这句古语道出了早期发育对人类终身发展的重要性。中国已进入老龄化社会,人口生育政策逐步放开,揭示“脑与行为毕生发展一般规律和常规模式(常模) ”正成为公共卫生和人口健康领域的重大基础需求。国家应及早部署大规模脑科学研究计划,建立中国儿童青少年脑与认知生长曲线常模,为中国儿童青少年教育和学习提供客观科学依据,促进真实反映人脑发展规律的人造智能的产生,推动革新脑疾病临床实践,提升中国在脑科学与医疗健康领域的国际竞争力。  

  《科学通报》第26期以封面文章的形式发表了左西年研究员团队的“彩巢计划——成长在中国”一文。

  左西年,应用数学博士,博导,中国科学院“百人计 划”入选者,中国科学院心理研究所磁共振成像研究中心主任,曾发起国际“信度与可重复性联盟 (CoRR)”、中国“彩巢计划(CCNP)”,主要研究人脑功能连接组及其毕生发展规律,曾获首届中源协和生命医学创新突破奖(2016),应邀为Trends in Cognitive Sciences 等撰写毕生发展综述。 更多详细信息请参见实验室网站: http://zuolab.psych.ac.cn

  

《科学通报》封面

  

1. 生长发育曲线:儿童成长保护伞 

  生长发育是婴幼儿及青少年期所特有的生理现象。但生长发育不是简单的身体由小增大的过程,而是一个十分复杂的生命现象,牵涉到个体细胞的增加、分化,器官结构及功能的完善。常用儿童生长发育指标有:体重、身高、头围、胸围。身高体重是反映儿童生长发育的最重要也是最灵敏的指标,反映孩子的营养状况,尤其是近期的营养状况和潜在疾病等因素的影响。儿童上述发育指标有一套衡量的国家标准,名为“生长发育曲线”,按照这套标准,对照孩子过去和现在的情况,就能对孩子的生长发育做出科学的判断。简单来说,如下图所示,生长发育曲线就是一条一条的线,它根据孩子在不同月/年龄段,正常发育的指标(体重值和身高值)绘制而成。

  世界卫生组织(WHO)和美国疾控中心(CDC)发布生长发育曲线,这些生长发育参照标准包括身高、体重、身体质量指数、头围、胸围等等人体测量数据,除了辅助评估儿童发育的营养状态,很多国家还依据发育曲线测量国民幸福感评价,并据此制定相关的教育、公共健康与卫生政策。在国家卫生部支持的全国人口普查大力推动下,国内公共健康和儿科临床实践已经基于WHO和CDC的生长发育常模方法,建立了完备的中国儿童青少年身高、体重、头围、微量元素等的生长发育曲线,为中国儿童青少年的生长发育及其临床监护做出了巨大的贡献。

  心理疾患与脑疾病给各国带来了巨大的社会与经济负担,这类疾病可在人类生命周期的任何节点发生,其中精神障碍类患者50%在14岁前发病,而此年龄放宽至24岁则会覆盖75%患者。研究表明:可以识别这类疾病易感性出现的时间窗,比如幼儿时期易感性表现为破坏性行为、冲动和焦虑,青春期易出现情绪化行为、精神疾病和药物滥用。在脑和行为科学领域,科学发现需要特别注意构绘大脑结构功能和心理认知的毕生发展轨线,为指定的大脑回路绘制统计常模,将能够帮助在终身发展的视角下解读各类心理疾患与脑疾病的病理机制及其生理基础。

  人脑磁共振成像技术已在脑发育基础研究领域广泛应用,被用来探索儿童青少年脑与行为发展轨线,有望为各类脑功能发育疾病的客观诊断和早期检测以及病程监测提供客观辅助工具。然而在全世界范围内,儿童青少年脑认知与行为的生长发育曲线仍然缺乏,究其原因是脑科学相关基础研究尚未给予生长发育曲线足够的重视。近来,随着各国脑计划的提出和推进,人脑发育及其与心理行为之间关系越来越受到关注,并逐步成为当前脑科学研究的核心内容之一,比如美国提出并完成的“人类连接组计划”,聚焦探索宏观尺度上人脑连接组与心理行为关联,取得了一系列进展,并推进卫生健康领域进一步部署婴儿连接组、青少年脑与认知发育和人脑毕生发展三大项目。

  

2. 彩巢计划——成长在中国:中国学龄儿童脑与认知生长发育曲线

  聚焦脑科学领域国际前沿,我国科学家在国家自然科学基金委、中国科学院、国家科技部和北京市科委的资助下,相比美国得以更早地开展人脑生长发育曲线研究,并提出了“中国彩巢计划Chinese Color Nest Project (CCNP:2013~2022)”,在全国范围内分期分步地开展毕生发展各年龄段的心理行为与脑影像样本积累,CCNP将在未来10年内建立中国人脑毕生发展的常模轨线。作为“彩巢”计划的脑发育曲线部分的预研工作,“彩巢计划—成长在中国”已经初步完成了对重庆192名健康儿童青少年(6~18岁)的5年追踪,验证了脑与认知生长曲线项目可行性。 

  为精准建模大脑生长发育曲线,采用多队列结构化纵向实验设计,建立一套规范多模态脑成像与认知行为的大样本纵向数据库。该设计的优点包括:

  (1)多队列纵向设计可以系统地追踪被试个体大脑结构和行为的发育变化,可以有效控制季节、气候等外界环境因素对被试生理和心理发育过程中的影响,同时还可以保证纵向追踪的多次测量覆盖所有年龄阶段;

  (2)队列内结构化设计保证了每次测量都能涵盖各个年龄阶段,收集足够的横向数据用以研究不同年龄阶段的年龄特征及个体差异;

  (3)混合设计不仅能系统地纵向追踪个体的大脑及行为发育变化,还能扩充横向样本,使拟合的发育常模轨线更具有代表性并在一定程度上回避纵向追踪脱落率高的缺陷。如下图所示,所有志愿者要求是在校学龄儿童(6.0至17.9岁),每间隔1年为一个年龄段(共12个年龄段),每15个月为一个队列(这里采用1年一个季节的设计来规避季节效应),期间每一个队列每一个年龄段中采样16人(8名男性和8名女性),对每一名志愿者,追踪时间为接下来的30个月,包含三个队列(基线、追踪1、追踪2),即三次磁共振成像扫描和认知行为测查,后两次追踪分别在第15个月和第30个月进行。

  

  彩巢计划示意图

 

  在这一生长发育监测项目中,参与儿童和家庭将会收获一套完整的孩子生长发育专业报告,包括孩子生长发育的生理指标(身高、体重、头围、血压、脉搏)、智商、情绪(社会焦虑、抑郁、压力知觉和行为问题)、人格和脑。具体到脑发育,包括了脑容积、皮质下灰质容积、灰质容积、皮层白质容积和脑脊液体积,以及七大脑功能网络(视觉网络、体感运动网络、背侧注意网络、腹侧注意网络、边缘网络、控制网络和默认网络)的皮层厚度和表面积的生长发育测评。参考WHO身高体重生长曲线常模的建模方法,针对上述每一个测验内容,基于测量数据绘制了群体水平的常模曲线,然后把个体的数据绘制到常模图中,下图是某孩子脑网络皮层表面积发育情况。

  脑网络皮层面积发育曲线

 

  

3. 儿童脑科学:希望和挑战

  “孩子就是未来”,当前我国已推出全面开展和重视心理健康建设的具体指导方针,结合国内老龄化日趋明显的现状,随着“两孩”政策的全面放开实施,呵护每一个儿童青少年都能够健康快乐的成长,如何科学地开展儿童青少年教育和学习,变得极为关键,成为事关国家未来的核心竞争力。举例来讲:精神和心理障碍具有明显的发育驱动机制,发达国家都已经将其列入基础研究、临床应用以及公共卫生健康领域的重大内容,然而目前我国对儿童精神和心理障碍的重视远远不够,特别是在临床诊断和提前预防方面非常薄弱,在未来需要对“儿童脑科学”足够重视和大力投入。

  中国儿童青少年脑与认知数据的共享开放亟需推进。生长曲线常模的建立通常需要大样本和大数据的支持,我国儿童青少年发育项目“2005年中国九市7岁以下儿童体格发育调查研究”和“2005年中国学生体质与健康调查研究”分别由卫生部、教育部组织实施,共普查69760名儿童和24542名儿童青少年。在未来,依托大型的国家级脑发育计划,将不同地区、不同研究组收集的儿童青少年脑与认知数据共享,将极大地推进我国在儿童脑发育科学领域的研究进展,加深我们对中国儿童青少年大脑一般发育规律和与之相关的脑功能疾病的病因学机制的了解。

  针对于目前国家总体发展情况,由国家部委(如卫生部、教育部、科技部)等部署开展的儿童青少年项目一般能大范围覆盖被试人群,同时具有很好的安全性和组织性。例如,上述我国儿童青少年身体(身高和体重)发育项目的推动开展,就得力于卫生部和教育部的组织规划和高效部署。脑生长发育曲线项目由于其测量手段的特殊性,更需要来自国家部委层面的重视和支持,这是未来本领域的一大挑战和机遇,挑战来自于多省市大规模开展的实施困难度,一旦能够解决,不仅能够推进我国大脑发育领域的研究进展,同时对于中国整个脑科学领域的研究也具有深远的推动促进作用。

  彩巢计划初步验证了区域性开展人脑发育曲线常模数据采集的可行性,回顾美国著名的“脑十年”计划,其最大的成果在于绘制了大脑形态学发育曲线。在当前世界各地纷纷大力推进脑计划的氛围下,我国应抓住机遇,结合我国“迅速步入老龄化社会”和“生育鼓励导向政策”的现实,发挥世界第一人口大国的资源优势,及早部署开展儿童青少年的脑与认知生长曲线常模研究计划,提升中国在相关研究领域的国际实力和影响。

  

  杨宁, 何叶, 张喆, 等. 彩巢计划——“成长在中国”. 科学通报, 2017, 62: 3008–3022

    http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/CSB/62/26/10.1360/N972017-00362?slug=abstract

 

  

  

  

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