彩巢計劃：中國兒童腦科學
導讀：
「三歲看大，七歲看老」這句古語道出了早期發育對人類終身發展的重要性。中國已進入老齡化社會，人口生育政策逐步放開，揭示「腦與行為畢生發展一般規律和常規模式(常模) 」正成為公共衛生和人口健康領域的重大基礎需求。國家應及早部署大規模腦科學研究計劃，建立中國兒童青少年腦與認知生長曲線常模，為中國兒童青少年教育和學習提供客觀科學依據，促進真實反映人腦發展規律的人造智能的產生，推動革新腦疾病臨床實踐，提升中國在腦科學與醫療健康領域的國際競爭力。
《科學通報》第26期以封面文章的形式發表了左西年研究員團隊的「彩巢計劃——成長在中國」一文，敬請關注！
左西年，應用數學博士，博導，中國科學院「百人計 劃」入選者，中國科學院心理研究所磁共振成像研究中心主任，曾發起國際「信度與可重複性聯盟 (CoRR)」、中國「彩巢計劃(CCNP)」，主要研究人腦功能連接組及其畢生發展規律，曾獲首屆中源協和生命醫學創新突破獎(2016)，應邀為Trends in Cognitive Sciences等撰寫畢生發展綜述。 更多詳細信息請參見實驗室網站: http://zuolab.psych.ac.cn
封面
01
生長發育曲線：兒童成長保護傘
生長發育是嬰幼兒及青少年期所特有的生理現象。但生長發育不是簡單的身體由小增大的過程，而是一個十分複雜的生命現象，牽涉到個體細胞的增加、分化，器官結構及功能的完善。常用兒童生長發育指標有：體重、身高、頭圍、胸圍。身高體重是反映兒童生長發育的最重要也是最靈敏的指標，反映孩子的營養狀況，尤其是近期的營養狀況和潛在疾病等因素的影響。兒童上述發育指標有一套衡量的國家標準，名為「生長發育曲線」，按照這套標準，對照孩子過去和現在的情況，就能對孩子的生長發育做出科學的判斷。簡單來說，如下圖所示，生長發育曲線就是一條一條的線，它根據孩子在不同月／年齡段，正常發育的指標（體重值和身高值）繪製而成。
世界衛生組織（WHO）和美國疾控中心（CDC）發布生長發育曲線，這些生長發育參照標準包括身高、體重、身體質量指數、頭圍、胸圍等等人體測量數據，除了輔助評估兒童發育的營養狀態，很多國家還依據發育曲線測量國民幸福感評價，並據此制定相關的教育、公共健康與衛生政策。在國家衛生部支持的全國人口普查大力推動下，國內公共健康和兒科臨床實踐已經基於WHO和CDC的生長發育常模方法，建立了完備的中國兒童青少年身高、體重、頭圍、微量元素等的生長發育曲線，為中國兒童青少年的生長發育及其臨床監護做出了巨大的貢獻。
心理疾患與腦疾病給各國帶來了巨大的社會與經濟負擔，這類疾病可在人類生命周期的任何節點發生，其中精神障礙類患者50%在14歲前發病，而此年齡放寬至24歲則會覆蓋75%患者。研究表明：可以識別這類疾病易感性出現的時間窗，比如幼兒時期易感性表現為破壞性行為、衝動和焦慮，青春期易出現情緒化行為、精神疾病和藥物濫用。在腦和行為科學領域，科學發現需要特別注意構繪大腦結構功能和心理認知的畢生發展軌線，為指定的大腦迴路繪製統計常模，將能夠幫助在終身發展的視角下解讀各類心理疾患與腦疾病的病理機制及其生理基礎。
人腦磁共振成像技術已在腦發育基礎研究領域廣泛應用，被用來探索兒童青少年腦與行為發展軌線，有望為各類腦功能發育疾病的客觀診斷和早期檢測以及病程監測提供客觀輔助工具。然而在全世界範圍內，兒童青少年腦認知與行為的生長發育曲線仍然缺乏，究其原因是腦科學相關基礎研究尚未給予生長發育曲線足夠的重視。近來，隨著各國腦計劃的提出和推進，人腦發育及其與心理行為之間關係越來越受到關注，並逐步成為當前腦科學研究的核心內容之一，比如美國提出並完成的「人類連接組計劃」，聚焦探索宏觀尺度上人腦連接組與心理行為關聯，取得了一系列進展，並推進衛生健康領域進一步部署嬰兒連接組、青少年腦與認知發育和人腦畢生發展三大項目。
02
彩巢計劃——成長在中國：中國學齡兒童腦與認知生長發育曲線
聚焦腦科學領域國際前沿，我國科學家在國家自然科學基金委、中國科學院、國家科技部和北京市科委的資助下，相比美國得以更早地開展人腦生長發育曲線研究，並提出了「中國彩巢計劃Chinese Color Nest Project（CCNP：2013~2022）」，在全國範圍內分期分步地開展畢生發展各年齡段的心理行為與腦影像樣本積累，CCNP將在未來10年內建立中國人腦畢生發展的常模軌線。作為「彩巢」計劃的腦發育曲線部分的預研工作，「彩巢計劃—成長在中國」已經初步完成了對重慶192名健康兒童青少年（6~18歲）的5年追蹤，驗證了腦與認知生長曲線項目可行性。
為精準建模大腦生長發育曲線，採用多隊列結構化縱向實驗設計，建立一套規範多模態腦成像與認知行為的大樣本縱向資料庫。該設計的優點包括：
（1）多隊列縱向設計可以系統地追蹤被試個體大腦結構和行為的發育變化，可以有效控制季節、氣候等外界環境因素對被試生理和心理發育過程中的影響，同時還可以保證縱向追蹤的多次測量覆蓋所有年齡階段；
（2）隊列內結構化設計保證了每次測量都能涵蓋各個年齡階段，收集足夠的橫向數據用以研究不同年齡階段的年齡特徵及個體差異；
（3）混合設計不僅能系統地縱向追蹤個體的大腦及行為發育變化，還能擴充橫向樣本，使擬合的發育常模軌線更具有代表性並在一定程度上迴避縱向追蹤脫落率高的缺陷。如下圖所示，所有志願者要求是在校學齡兒童（6.0至17.9歲），每間隔1年為一個年齡段（共12個年齡段），每15個月為一個隊列（這裡採用1年一個季節的設計來規避季節效應），期間每一個隊列每一個年齡段中採樣16人（8名男性和8名女性），對每一名志願者，追蹤時間為接下來的30個月，包含三個隊列（基線、追蹤1、追蹤2），即三次磁共振成像掃描和認知行為測查，後兩次追蹤分別在第15個月和第30個月進行。
彩巢計劃示意圖
在這一生長發育監測項目中，參與兒童和家庭將會收穫一套完整的孩子生長發育專業報告，包括孩子生長發育的生理指標（身高、體重、頭圍、血壓、脈搏）、智商、情緒（社會焦慮、抑鬱、壓力知覺和行為問題）、人格和腦。具體到腦發育，包括了腦容積、皮質下灰質容積、灰質容積、皮層白質容積和腦脊液體積，以及七大腦功能網路（視覺網路、體感運動網路、背側注意網路、腹側注意網路、邊緣網路、控制網路和默認網路）的皮層厚度和表面積的生長發育測評。參考WHO身高體重生長曲線常模的建模方法，針對上述每一個測驗內容，基於測量數據繪製了群體水平的常模曲線，然後把個體的數據繪製到常模圖中，下圖是某孩子腦網路皮層表面積發育情況。
腦網路皮層面積發育曲線
03
兒童腦科學：希望和挑戰
「孩子就是未來」，當前我國已推出全面開展和重視心理健康建設的具體指導方針，結合國內老齡化日趨明顯的現狀，隨著「兩孩」政策的全面放開實施，呵護每一個兒童青少年都能夠健康快樂的成長，如何科學地開展兒童青少年教育和學習，變得極為關鍵，成為事關國家未來的核心競爭力。舉例來講：
精神和心理障礙具有明顯的發育驅動機制，發達國家都已經將其列入基礎研究、臨床應用以及公共衛生健康領域的重大內容，然而目前我國對兒童精神和心理障礙的重視遠遠不夠，特別是在臨床診斷和提前預防方面非常薄弱，在未來需要對「兒童腦科學」足夠重視和大力投入。
中國兒童青少年腦與認知數據的共享開放亟需推進。生長曲線常模的建立通常需要大樣本和大數據的支持，我國兒童青少年發育項目「2005年中國九市7歲以下兒童體格發育調查研究」和「2005年中國學生體質與健康調查研究」分別由衛生部、教育部組織實施，共普查69760名兒童和24542名兒童青少年。在未來，依託大型的國家級腦發育計劃，將不同地區、不同研究組收集的兒童青少年腦與認知數據共享，將極大地推進我國在兒童腦發育科學領域的研究進展，加深我們對中國兒童青少年大腦一般發育規律和與之相關的腦功能疾病的病因學機制的了解。
針對於目前國家總體發展情況，由國家部委（如衛生部、教育部、科技部）等部署開展的兒童青少年項目一般能大範圍覆蓋被試人群，同時具有很好的安全性和組織性。例如，上述我國兒童青少年身體（身高和體重）發育項目的推動開展，就得力於衛生部和教育部的組織規劃和高效部署。腦生長發育曲線項目由於其測量手段的特殊性，更需要來自國家部委層面的重視和支持，這是未來本領域的一大挑戰和機遇，挑戰來自於多省市大規模開展的實施困難度，一旦能夠解決，不僅能夠推進我國大腦發育領域的研究進展，同時對於中國整個腦科學領域的研究也具有深遠的推動促進作用。
彩巢計劃初步驗證了區域性開展人腦發育曲線常模數據採集的可行性，回顧美國著名的「腦十年」計劃，其最大的成果在於繪製了大腦形態學發育曲線。在當前世界各地紛紛大力推進腦計劃的氛圍下，我國應抓住機遇，結合我國「迅速步入老齡化社會」和「生育鼓勵導向政策」的現實，發揮世界第一人口大國的資源優勢，及早部署開展兒童青少年的腦與認知生長曲線常模研究計劃，提升中國在相關研究領域的國際實力和影響。
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