如果你是一位神经科学家，你该如何去研究一位不会说话、不听指挥，还总爱打断实验的被试？
这正是科学家们在“婴幼儿实验室”受到的挑战。
出生后的头两年是大脑发育最快的时期，也是一些神经发育问题初步显露的阶段。但是，这也是最难研究的时期，很多标准的研究手段都不再适用，你无法指望宝宝既安静又清醒地躺在磁共振扫描仪里，也不能让他们认真回答问题，或者接受指令。
以往，研究者大多用追踪眼动的方式研究婴幼儿的注意活动，但由于提供的数据有限，仅仅采用这样的方式是远远不够的。“很多研究试图证明婴儿能理解目标、因果和数字——但其中99%的实验只测量了注视时间的变化。”哈佛大学心理学家杰罗姆·凯根（Jerome Kagan）这样说道。
关于婴儿的眼动研究
而今，世界领先的婴儿研究中心——伦敦大学伯贝克学院婴儿实验室（Babylab）的科学家们正在努力改变这一现状。他们率先使用了很多新技术，例如可以通过分析血氧含量判断大脑活跃程度的近红外光谱分析法（near-infrared spectrometry，NIRS）。
随着实验室的不断成长，2014年，Birkbeck建立了新的ToddlerLab实验室，作为BabyLab的补充。实验室使研究人员能够无缝跟踪婴儿出生后5年的发育情况，并提供无线脑电图(EEG)、fNIRS和眼动追踪技术等前沿的行为分析技术，以希望像自闭症和多动症这样的神经疾病能更早被发现。
近日，ToddlerLab便开展了一项利用功能性近红外光谱成像技术（fNIRS）探索幼儿行为发展变化的研究。
我们都知道即使是婴儿也可以抓起一个物体再扔掉它，这不需要学习，也并不需要思考。但在日常生活中，我们常常会计划更为复杂的事情。
想象一下，当我们早上喝一杯咖啡，喝咖啡是我们的主要目标，要达成这个主要目标，还需要完成几个子目标，如添加糖或添加牛奶，每个子目标包含几个动作步骤，例如操纵勺子、倒牛奶等，这种复杂的行为被认为这是在学龄前阶段发展起来的。
因此，在这项研究中，研究人员试图了解多目标的复杂行为在这个阶段是如何发展起来的。
在这项测试中，建造房子是受试儿童的主要目标，其中包含着多个子目标，例如每个积木的取出，不同形态积木的辨别和搭建，这其中又会经历几个不同的动作。
整个过程中研究人员将通过动作捕捉来捕捉他们的动作，同时利用近红外光谱成像系统来测量大脑活动。
在谈到为什么选择fNIRS进行婴幼儿大脑活动监测时，ToddlerLab的研究人员这样认为：“如果你做过核磁共振检查，你就知道，它是非常密闭的，基本上你不能移动，你被推到一个密闭空间里。如果你是一个三岁的孩子，你会很不舒服，因此，我们喜欢让孩子在自然环境中自由移动，通过可穿戴式的fNIRS来测量。”
fNIRS 是一种新兴的脑功能成像技术，近红外光通过头皮、颅骨射入大脑，记录红外线散射光的强度。由刺激诱发的神经活动会使激活脑区的血流量增加，从而导致血容量增加，该现象可通过局部氧合血红蛋白（HbO）、脱氧血红蛋白（HbR）或总血红蛋白（HbT）的浓度来评估。
通常在皮层激活期间，局部HbO浓度增加，HbR浓度降低，我们使用650~950nm的近红外光进行测量，测量到光强度后，将刺激呈现期间与无刺激、控制刺激（基线）期间的光强进行比较。相对于基线的脑区激活变化称为血液动力学反应。血液动力学函数（理想状态下激活后的血液动力学反应，HRF）和测量到的神经活动存在线性关系。
fNIRS成像原理
通过实验观察，说明了HbO（fNIRS）和HbR-BOLD（fMRI）两者存在相关性，从而验证了fNIRS在测量脑部数据的有效性。
上图为HbO（fNIRS）和HbR-BOLD（fMRI）两者相关性的结果图像，显著性相关的(p<0.05)的发光团显示在图像中。Ravg表示来自所有受试者的数据，这些数据是通过对头部所有发光团的r值（相关系数指标）进行平均而获得的。（引用Wijeakumar，2016）
由于儿童，特别是婴幼儿的自我控制能力较差，因此对儿童进行脑功能成像的研究往往较为困难，而fNIRS由于其便携性及较高的抗运动干扰能力，为婴幼儿及儿童脑功能发育、脑疾病诊断等研究提供了一种新的途径。
在这个实验中，一位名叫Serena的六岁小女孩虽不是蹒跚学步的孩子，但她也是这群幼儿中的一员。从三岁起她就被伯贝克研究人员观察记录，以更好地了解执行功能的发展，如心理技能的发展，包括计划、工作记忆、灵活思考和自我控制等一系列子目标。
“孩子们身体素质很好，他们经常做手势，经常指点，有时这些动作会泄露他们的思维过程，”实验室成员柯卡姆教授说道。
研究人员将手部动作捕捉设备和fNIRS设备佩戴在Serena身上，并让她坐在实验室的一张桌子旁，这张桌子事前被布置得像一个学前班教室。接着，她看到了一段短视频，其中一位成年人演示了如何按下按钮，从她前面的一组盒子中拿出单个积木，并使用它们来建造房屋，当视频停止时，Serena被告知需要复制她刚刚观察到的内容。
Serena与上一次执行这项任务时的表现不同，那时她还是3、4岁的孩子，这个年龄段的孩子还不太能够遵循复杂的指令，她们的精细运动技能发展也不充分，而现在，她巧妙地建造了一座坚固的彩色房子，并且花园里种满了鲜艳的塑料花。
实验过程中，研究人员可以通过配套的数据分析软件实时查看大脑活动数据，并能将数据进行比较分析。
近红外脑成像系统软件分析界面 | 截自New Scientist官方YouTube
这不是单纯的大脑训练，它在一定程度上可以了解大脑在这个过程中是如何发展的，如果患有神经发散性疾病（如自闭症）的儿童可能在某些技能方面存在问题，而通过这些测试可以将其识别出来，这也是这项研究的重点。
fNIRS应用于自闭症研究并不是“空穴来风”，早在2013年，Kikuchi等[1]便使用fNIRS对自闭症患儿大脑皮质功能连接状态进行了研究，他们检测了15例自闭症患儿与15例健康对照组儿童在将注意力集中于一种图片卡游戏时的脑皮质HbO2与Hb水平变化情况，然后对左右两侧大脑aPFC的功能连接状态与儿童的社交能力进行相关性分析。结果显示自闭症患儿左右大脑半球间HbO2水平变化同步性更显著，即半球间的功能连接程度更高，且这种异常增高的功能连接程度与自闭症患儿的社会交往障碍严重程度呈正相关。
此研究证明了fNIRS在自闭症的发现方面具有重要作用。
与此同时，幼儿期也是孩子们开始发现社交互动的时候，逐渐从一起玩耍发展到在玩耍中分享和与合作，通过fNIRS等前沿技术对婴儿幼儿进行实验观察，可以更好地了解神经发散儿童的大脑和行为在早期不同的差异，帮助更早地发现潜在问题，并能够提供更早的发展干预空间。
在看完了关于fNIRS技术在婴幼儿认知行为方面的应用后，我们来看看那些帮助技术落地的先进设备。
作为fNIRS领域的领先专家，也是上述研究中所使用的Brite MKII近红外脑成像系统的开发公司Artinis，很早便开始了适用于婴幼儿领域的fNIRS设备的开发和生产。
图为Artinis推出适用于婴幼儿研究的OCTAMON MINI和PortaLite MINI近红外脑成像系统
不仅生产出体积小巧、质量轻，适用于婴幼儿脑科学研究的脑成像设备，还于2021年正式推出专为婴儿研究开发的便携式近红外脑成像系统BabyBrite。
作为Brite MKII的优化版本，BabyBrite提供了许多创新功能，为研究提供了更高的可靠性。
专为婴儿研究开发的便携式近红外脑成像系统BabyBrite
例如多功率增益调节和环境光屏蔽有助于确保高质量数据的获取，光极和光极支架由柔软的材质制成，十分舒适，仅300克的重量，适用于自由活动或睡眠中的婴儿，为研究增加灵活性。
总的来说，近红外功能成像在儿童及婴幼儿中的研究具有重大的意义，近年国内也有很多高校及研究所开始使用fNIRS设备进行新生儿或者幼儿方面的实验研究，主要集中于新生儿的语言感知、韵律等以及儿童说谎及相应的社会行为方面，可以预见在未来近红外功能成像将会成为研究儿童和新生儿脑功能的重要技术。
为了帮助研究，我们为大家整理了近两年Artinis近红外脑成像系统应用于婴幼儿行为研究的科研论文成果，以供参考。
01.《An fNIRS examination of executive function in bilingual young children》
作者：Sha Xie，Dandan Wu el at
关键词：双语；执行功能；fNIRS；前额叶皮质；双语优势
DOI：10.1177/1367006920952881
02.《An optical window into brain function in children and adolescents: A systematic review of functional near-infrared spectroscopy studies》
作者：Michael K. Yeung
关键词：成长发育
DOI：10.1016/.neuroimage.2020.117672
03.《Determining Whether T ennis Benefits the Updating Function in Young Children: A Functional Near-Infrared Spectroscopy Study》
作者：Yinghui Lai 1 , Zhipeng Wang 1, Guang H. Yue 2,3 and Changhao Jiang
关键词：更新能力；协调运动；工作记忆；fNIRS；幼儿
DOI：10.3390/app10010407
04.《Effects of continuous and intermittent exercise on executive function in children aged 8–10 years》
作者：DANIELLE LAMBRICK,a LEE STONER,b REBECCA GRIGG,b AND JAMES FAULKNERc
关键词：婴儿/儿童；执行功能；锻炼
DOI：10.1111/psyp.12688
05.《Neural Correlates of Mental Rotation in Preschoolers With High or Low Working Memory Capacity: An fNIRS》
作者：Jinfeng Yang1†, Dandan Wu2†, Jiutong Luo3, Sha Xie3, Chunqi Chang1* and Hui Li2*
关键词：神经网络；心理旋转；工作记忆；中国学龄前儿童；功能性近红外光谱
DOI：10.3389/fpsyg.2020.568382
06.《Tablet Use Affects Preschoolers’ Executive Function: fNIRS Evidence from the Dimensional Change Card Sort Task》
作者：Hui Li 1,* , Dandan Wu 1, Jinfeng Yang 2, Jiutong Luo 3, Sha Xie 4 and Chunqi Chang
关键词：PAD使用；执行功能；fNIRS证据；维度变化卡片分类(DCCS)任务；学龄前儿童
DOI：10.3390/brainsci11050567
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