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神秘大脑的早期发育,新技术可以让科学家看到和改变什么?

已有 1183 次阅读 2022-6-28 11:38 |系统分类:科研笔记

在硅谷,一种一直在缓慢发酵的警觉正在变成地区性共识:屏幕作为学习工具的好处被夸大了,反而是上瘾和阻碍孩子发育的风险似乎很高。比尔·盖茨、蒂姆·库克等硅谷精英们纷纷让自己的孩子远离电子产品。日前,在由上海科技大学举办的主题为“揭秘神秘的大脑早期发育”的线上科普讲座中,中国脑计划(婴幼儿脑发育大队列)项目负责人、上科大婴幼儿脑发育影像实验室主任、上科大研究员张寒也指出,在上海,76%的孩子2岁前就开始接触屏幕,24%的孩子在1岁前就开始接触屏幕。以3岁的幼儿园儿童为例,其每日屏幕暴露时间高达近3小时,78.6%的儿童每日屏幕暴露时间超过1小时,而根据WHO关于5岁以下儿童身体活动、静坐行为和睡眠的指南(英文版),04岁婴幼儿一次束缚静坐时间一般不应超过一小时,1岁和1岁以下儿童不建议静坐看屏幕,2岁—4岁儿童每天静坐看屏幕时间不应超过1小时,越少越好。言语对婴儿认知和社会性发展过程非常重要,父母应多和宝宝面对面说话。此外,睡眠、记忆、语言、执行功能和整体认知发展之间存在正相关,睡眠对身体成长有积极作用,儿童睡眠障碍会对其社会和情感发展产生不良影响。1岁以上儿童需要有规律的睡眠和起床时间。

如何在早期检测到脑发育异常?

早期脑智发育异常是我国重要的公共卫生问题。据《柳叶刀》上发表的世界疾病负担组织的调查,5岁以下儿童平均每49.5人中有1人患病。其中,患孤独症的比例为1172,患多动症的比例为1182,存在发育障碍的比例为1213,患癫痫的比例为1385,焦虑症的比例为1625。中国新生儿神经重症联盟的脑电波(EEG)筛查结果中,异常率高达18%。目前已知影响婴幼儿脑发育的风险基因包括Val66Met基因、CUX1基因、 COMT基因和 GPRSMDD基因,影响婴幼儿脑发育的环境因素包括孕产妇情绪障碍、药物滥用、妊娠并发症、家庭因素。

胎儿期、婴幼儿期的大脑在发育中发生着结构、连接和功能的改变。今天的为人父母者经常会问自己:如何才能更好地在早期开发孩子的脑智,让孩子的大脑发育好?自己的孩子是不是社交能力比别的孩子差?情绪表达是不是不太正常?保姆(老人)带的时间长了的孩子将来会不会性格不好?孩子性格会像妈妈还是像爸爸多一些,或者是两人的平均?如何改善孩子的性格?孩子喜欢画画(唱歌、跳舞、算术等),将来该如何培养?……大家普遍疑惑的问题是:如何评价孩子大脑发育的快慢?如何在早期检测到脑发育异常?

由于人的情绪、语言、认知在生命很早期就开始发展,对其进行密切跟踪,有望及早发现青春期和成年期的各种疾病。科学家们正通过脑成像等技术和方法探索婴幼儿脑发育、进行发育大数据的构建及发育水平的估计和预测,从而挑战发育疾病。新生儿从出生到学龄前,传统看脑发育好坏的方法是测头围;显微镜下可以看到大脑发育的微观表现,还可以像记录心率一样记录脑电波;此外,还可以基于磁共振无创研究大脑的结构,通过静息态脑功能成像和功能网络研究脑功能。大脑皮层表面积、沟回曲折程度、内皮层曲率等,使科学家们现在对大脑的研究已经非常透彻,通过计算机,可以把大脑内在功能进行刻画。目前,根据婴儿69个月时的运动区发育水平,可预测其618个月时的精细运动能力;根据婴儿69个月时的视觉区发育水平,可预测其1226个月时的视觉理解能力;根据婴儿1岁左右右脑皮层过度增长,可预测其2岁时的自闭症风险;通过脑影像,可在异常行为出现前1年帮助早筛自闭症。除了影像学、脑记录手段,还有一系列行为学量表可以帮助进行研究。

“因材施教”将获得更大可能

据张寒介绍,上海科技大学生物医学工程学院创始院长、上海联影智能医疗有限公司CEO沈定刚教授的研究团队领导了世界上几大婴幼儿脑计划项目;上科大生物医学工程学院Idea Lab的婴幼儿脑影像分析和发育轨迹研究在同行中拥有高度评价。在近期我国将部署的重大婴幼儿脑发育和儿童脑发育项目中,上科大生物医学工程学院将发挥重要作用。

张寒负责的“基于新一代人工智能技术的婴幼儿动态脑图谱绘制及语言和社会情绪的发育机制研究”项目属于科技创新2030——“脑科学与类脑研究”重大项目。科技创新2030——“脑科学与类脑研究”重大项目的目标是建设中国首个聚合交叉设计下的06岁正常婴幼儿“基因-环境-影像-行为”大队列,开发中国婴幼儿发育评估工具和影像分析工具,构建早期发育图谱并刻画发育轨迹,研究遗传和环境交互作用下的发育机制。上科大已建设了集行为观察实验室、行为学测评室、脑电实验室、磁共振模拟室、母婴室、游戏区、宣教区于一体的一体化儿童发育研究实验室。

现有的研究表明,婴幼儿大脑功能网络在出生时就已经成型,但那时前额叶还没有特别强壮,负责高级认知的脑区连接还不很成熟,在慢慢成长。大脑从仅能进行简单的信息处理慢慢变成可进行复杂信息融合。随着年龄的增长,功能网络相对分离,持续强化,到网络之间出现“交叉混叠”时,代表了高级和复杂认知能力的形成。婴幼儿大脑在出生后仍快速发育,从新生儿(成人大脑的1/3)开始,在1年内迅速达到成人大脑的约85%,且在02岁时高度动态变化,大脑的灵活性越来越好,每个婴幼儿的大脑越来越不一样。

从婴幼儿脑图谱、脑皮层发育厚度变化来看,其视觉区和运动区皮层都比较薄,听觉皮层比较厚,情绪、语言等高级感觉脑区皮层在2岁后还在不断发展,与其他初级感觉脑区不太一样。负责视空间感知的脑区发育最快,个体差异最大;负责记忆和自我认知的脑区发育快,个体差异大;视觉和奖赏相关的脑区发育慢,个体差异小。

1岁婴儿虽然没有什么高级的认知,看起来笨笨的、什么都不会,但情感已经很丰富了,而且有自我意识、会交流、非常好奇新事物、热爱学习,脑功能网络已经发展得非常好,但前额叶连接还没有非常强,负责高级认知功能的脑区连接还不是很成熟,随着慢慢成长,功能网络数目和功能联系都不断增强,脑功能网络的hub点渐渐出现,大脑灵活性越来越好。02岁的时候,有些脑区发育快,差异大;有些则发育慢,差异小。长期研究表明,早期精细运动、语言理解和视觉加工发展与孩子将来的智力、学习能力正相关。张寒特别强调,注意力是认知能力中非常重要的因素。它很大程度上关系到控制能力、注意的保持、注意的转换和学习。

据介绍,在未来,对每个婴幼儿基于脑影像进行个体化评估和预测将成为可能,由此可指导因材施教、科学养育,提升儿童学习能力和综合素质的发展。

  但人类在获得更大的天赋发挥可能性的同时,是否也会因更多的“设计”而增加不公平的可能性,这也许是另一个值得探讨的话题了。




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