科研进展
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  • 朱朝喆课题组在《Brain Stimulation》发表学龄儿童与青少年经颅脑图谱
     
          2021年05月23日,神经调控领域国际著名期刊《Brain Stimulation》在线发表了北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室朱朝喆教授课题组工作——“Transcranial brain atlas for school-aged children and adolescents”。


          近年来,以功能近红外光谱成像(Functional near-infrared spectroscopy, fNIRS)和经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation,TMS)为代表的经颅技术,在儿童青少年脑发育研究中发挥着日渐重要的作用。fNIRS具有便携、生态效度高、束缚性小和对头动不敏感的优势,被广泛应用于亲子互动、言语交流、课堂教学等自然场景中脑功能研究;TMS是一种非侵入神经调控技术,近些年逐步被用于发育性疾病(包括自闭症、多动症)治疗。

          经颅装置(例如fNIRS光极和TMS线圈)放置在头壳表面,而目标观测与调控的区域在颅骨下皮层。经颅技术本身不提供脑解剖信息。大多数的fNIRS研究和部分TMS研究,受各种因素影响,也不会进行MRI扫描。在这种无个体结构信息情况下,经颅技术在使用时面临着两个挑战。首先是经颅定位,即如何确定经颅装置观测或调控的皮层区域(例如MNI坐标或脑图谱分区);其次是经颅靶向,即如何在头壳表面放置光极或线圈,实现对目标脑区的准确观测与调控。

          课题组前期工作中,提出了经颅脑图谱(Transcranial brain atlas, TBA)的概念和方法框架。并基于18-26岁成人群体大样本MRI结构像(N=114),绘制了经颅脑图谱。该工作为经颅领域提供了高颅骨分辨率、两种空间尺度(MNI坐标、脑图谱分区)的颅-脑对应知识。在工作记忆、执行运动等多个任务上,课题组前期工作验证了经颅脑图谱指导fNIRS光极放置的有效性。

          然而,发育过程中颅骨大小形状、皮层沟回褶皱都在变化,这些很可能会影响颅-脑对应关系。前期成人群体(18-26岁)构建的经颅脑图谱,能否用于儿童与青少年个体的经颅装置放置?构建儿童与青少年年龄特异的经颅脑图谱是否会提高定位的准确度?如何构建?都是经颅技术领域亟待解决的问题。

          作者提出年龄特异群体经颅脑图谱的构建方法(图1)。考虑到儿童与青少年群体脑解剖结构的特异性,脑数据的空间标准化分为两步进行。第一步是建立年龄特异的脑模板,群组内被试脑数据配准到年龄特异脑模板,建立组内对应;第二步是,考虑到目前脑信息通常表达在MNI标准空间,利用年龄特异脑模板与标准空间脑模板建立的空间变换,将个体脑数据从年龄特异脑模板空间整体标准化到MNI空间。
     
    图1. 年龄特异群体经颅脑图谱构建流程
    (a)     年龄特异的群体颅-脑概率映射。(b) LPBA脑图谱。(c) LPBA经颅脑图谱。
     
          本研究中,基于6-18岁学龄儿童与青少年结构像,以两岁为间隔,构建了学龄儿童与青少年经颅脑图谱,并从经颅定位与经颅靶向两方面应用上进行了评价。结果发现,对儿童与青少年个体,年龄特异TBA的经颅定位准确度明显优于成人群体TBA(图2),尤其是低龄儿童(6-12岁)的双侧颞叶和额叶区域。同样,在经颅靶向上,使用年龄特异TBA指导TMS线圈,与使用成人群体TBA相比,实际影响皮层位置与靶点更接近,即经颅靶向误差小(图3)。
     
     
    图2. 对儿童与青少年个体,使用两类TBA进行经颅定位结果与比较
     
      
    图3. 对儿童与青少年个体,使用两类TBA指导线圈放置的准确性。图中颜色代表,以该点作为TMS目标刺激靶点,使用TBA指导线圈放置时,个体上实际刺激的皮层位置与靶点的距离。距离越小,代表TBA给出的指导越准确。
     

          综上,该研究为经颅脑成像与调控应用提供了年龄特异、两个空间尺度(MNI坐标和图谱脑区)的群体颅-脑概率映射。结果证实,对儿童与青少年个体,使用年龄特异的经颅脑图谱可显著降低空间定位误差,为后续开展儿童发展相关研究提供了经颅定位与靶向支持。

          该论文的第一作者为博士研究生张宗,通讯作者为朱朝喆教授。论文合作者包括来自北京师范大学的李征副研究员、左西年教授,美国NIH的肖翔博士等。该研究MRI数据得到左西年教授“彩巢计划”支持。该研究还得到国家自然科学基金(61431002, 82071999, 31521063,61273287和81220108014),国家973项目(2014CB846100),北京市科委(Z161100002616023),广东省关键领域研发计划(2019B030335001)和北京师范大学人才启动基金的支持。
     
     
    论文信息:
    Zhang, Z., Li, Z., Xiao, X., Zhao, Y., Zuo, X. N., & Zhu, C. (2021). Transcranial brain atlas for school-aged children and adolescents. Brain stimulation, 14(4), 895–905.
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