科研进展
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  • 秦绍正和陶沙课题组联合发表中国学龄儿童认知与情感发展脑功能定位及映射工具软件1.0(DBFA)

          依托于北京师范大学“中国学龄儿童脑发育项目Children School Functions and Brain Development Project (CBD, Beijing Cohort)”,认知神经科学与学习国家重点实验室秦绍正和陶沙教授课题组联合在《Neuroscience Bulletin》上发表“Mapping Domain- and Age-Specific Functional Brain Activity for Children's Cognitive and Affective Development”研究成果,并开发了一套映射中国学龄儿童认知与情感发展相关脑功能定位的可视化软件工具1.0版(Developmental Brain Functional Activity Mapping, DBFA)。用户可根据需求自定义并下载分年龄和特定任务的全脑功能激活和定位映射图,该工具已获批国家软件著作权保护(授权号:06820978)并在神经影像信息学网站NITRC(http://www.nitrc.org/projects/dbfa)上共享,欢迎下载使用和宝贵建议。
      
          在儿童脑智发育过程中,大脑神经系统经历着长期且复杂的功能性发育过程,以支持各种认知、情感和社会性行为(包括注意、记忆、执行功能、情绪与情感、社会认知等)地不断发展,神经系统的复杂多维度发育特征,为阐明其自身以及彼此间的交互是如何支持儿童认知的发展提出了挑战,在这些复杂的神经发育性变化中探寻通用性的发展特征并且描绘出其发育轨迹也显得尤为重要。为此,解析儿童脑智发育机理,已成为当前国际脑科学与发展心理学领域的前沿课题。其中,学龄儿童期是脑智发育的关键敏感期之一。在此期间儿童正式开始接受基础教育,个体各种认知能力与情感发展开始随年龄不断分化,不仅是神经系统可塑性极高的黄金时期,同时也是受到遗传风险与环境因素不良影响的易感期。这一阶段能否正常健康发展,直接或间接影响后续阶段学业成绩、身心健康甚至毕生发展。为此,本项目以我国7-12岁学龄儿童为研究对象,系统研究和绘制了分年龄和特定认知/情感任务的脑激活模式与功能定位图,对理解中国儿童脑智发育与认知/情感发展关联规律的探索具有重要的基础研究意义。

          目前认知神经科学和发展心理学领域的儿童脑智发育研究,主要是基于结构或静息态磁共振成像(MRI)数据与行为学指标进行关联,而基于多任务状态下功能磁共振成像绘制的儿童认知和情感发展相关的脑激活模式与功能定位,仍然匮乏。为此,实验室从2016年起开始建立基于认知与情感任务的儿童脑智发育样本库,首先通过系统调研和论证,研制了适合学龄儿童脑功能影像的多种认知与情感任务范式,包括注意、执行功能、情绪感知与风险决策等4个任务;然后,本研究作为“学龄儿童脑发育与学校适应追踪研究”的初期成果,选取了250名7-12岁学龄儿童在4个认知与情感任务相关的功能磁共振成像数据进行分析;本项目采用最新的易用和透明化预处理工具包fMRIPrep,创建了一组特异于四个不同认知/情感任务并分年龄段的脑激活和功能定位图;最后,采用PyQt5 + Eric6 + Python 3.7 作为编译和开发环境,生成 GUI组件对象和负载特定功能,然后实现接口与逻辑的分离,结合神经影像数据处理软件包 nistats 和 nilearn 自定义阈值标准并生成自定义图像。该成果为我国学龄儿童脑智发育研究以及同龄临床人群的病理性脑影像学研究,提供了分年龄和特定认知/情感任务的脑激活和功能定位对比参照,为进一步探索学龄儿童期正常与异常脑智发育(如注意力缺陷、冲动与冒险行为和情绪问题等)的脑影像标记提供了科学基础,并有望服务于我国儿童青少年的基础教育与心理健康评估研究。
    图1:学龄儿童发育性脑功能激活图谱
     
          DBFA工具可供研究人员根据不同需求,下载可视化的特定认知/情感任务和7-12岁学龄儿童脑功能激活图,具体功能模块包括以下几个方面:
    (1)用户自定义特定认知/情感任务或不同年龄段下脑功能激活模式;
    (2)用户自定义生成脑功能激活模式所对应的任务、年龄、性别属性;
    (3)用户可根据需求定制不同阈值标准,并可以使用未校正或False Discovery Rate (FDR)、Familywise Error (FWE)等多重比较校正方法。
    (4)用户自定义所需可视化或下载的脑功能区定位坐标;
    (5)用户自定义经过不同阈值标准矫正的脑激活模式和保存路径。
     
    图2:DBFA工具箱的主界面
     
          该研究所包含的数据分析、写作和软件开发由北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室研究生郝磊、李磊(交换生)和陈梦璐等完成,秦绍正和陶沙教授为共同通讯作者,合作者还包括北师大贺永教授、北京大学高家红教授、西南大学陈旭和邱江教授、回龙观医院谭淑平主任和复旦大学蒋林华教授等。该研究得到国家自然基金委、万人科技创新领军人才、北京脑科学先导项目和重点实验室开放课题等基金项目的支持。

    论文信息:
    Hao L., Li L., Chen M., Xu J., Jiang M., Wang Y., Jiang L., Chen X., Qiu J., Tan S., Gao J., He Y., Tao S., Dong Q., Qin S. Mapping Domain- and Age-Specific Functional Brain Activity for Children's Cognitive and Affective Development. Neuroscience Bulletin (2021).
    https://link.springer.com/article/10.1007/s12264-021-00650-7
     
    秦绍正课题组研究方向及链接
    http://icanbrainlab.bnu.edu.cn/en/
     
    陶沙课题组研究方向及链接:
    http://brain.bnu.edu.cn/a/zh/keyantuandui/jiaoshou_yanjiuyuan/2016/0223/616.html