【智研華章】依瑞德fNIRS自然刺激范式解碼低齡幼兒全面發育遲緩腦網絡特征

全面發育遲緩（Global Developmental Delay, GDD）是5歲以下兒童最常見的神經發育障礙之一，表現為大運動、精細運動、語言、社交互動及適應行為中至少兩個領域的顯著落后。全球GDD/智力障礙患兒數量居高不下，我國5歲以下確診人數位居世界第二，早識別、早干預對改善長期預后至關重要。

然而，當前GDD臨床診斷高度依賴主觀量表評估，缺乏客觀的神經生物學標志物。低齡幼兒（2-4歲）配合度差，傳統fMRI等影像手段因噪音大、約束強難以實施，導致低齡發育障礙兒童的腦功能研究長期處于"數據荒"狀態。

近年來，自然刺激范式（Naturalistic Stimulation Paradigm）在神經科學領域迅速興起：通過播放兒童友好的動畫片引發自然腦活動，既顯著提升低齡被試的依從性，又能有效降低頭動偽影，為嬰幼兒腦功能評估開辟了全新路徑。

基于此，鄭州大學第三附屬醫院朱登納教授團隊，利用武漢依瑞德集團fNIRS設備，于2026年在Cell Press旗下期刊《iScience》（Q1，IF=4.5）上發表了一項研究，首次采用fNIRS自然刺激范式聯合圖論網絡分析與zALFF局部腦活動分析，系統揭示了GDD兒童"前額葉低效-顳葉代償"的腦網絡異常特征，為低齡發育障礙兒童的客觀評估與早期精準干預提供了突破性神經影像證據。

研究方法

1 、研究對象與分組

研究數據來源于鄭州大學第三附屬醫院康復醫學科，共納入94名2-4歲兒童，一共分為兩組，兩組的性別、年齡等基線資料無統計學差異，設置情況如下：

GDD組：n=49，符合DSM-5診斷標準，Gesell 發育量表（GDS）評估，至少有 2 個發育維度的發育商（DQ）低于 75 分。

健康對照組（HC）：n=45，發育篩查正常。

排除標準：存在遺傳代謝性疾病、染色體異常、神經退行性疾病、腦結構損傷；符合ASD、ADHD、精神分裂癥等診斷；未治療的嚴重聽力/視力障礙；近6個月有嚴重感染或顱腦外傷/手術史。

2、fNIRS數據采集

研究采用武漢依瑞德集團BS-3000L多通道連續波近紅外光學成像系統（44通道，雙波長690nm/830nm），基于國際10-10電極定位系統，對稱覆蓋雙側額葉、頂葉和顳葉皮層，精準覆蓋GDD核心異常腦網絡。

受試者就坐于安靜、溫控環境中，觀看6分鐘國產動畫片《萌雞小隊》第一季第15集《新朋友鐵軌》（CCTV首播，面向0-6歲學齡前兒童），講述鐵軌學習交友的故事，旨在提升低齡被試依從性并誘發自然社交行為。視頻通過E-Prime軟件在24英寸顯示器上播放（距屏幕約50cm），監護人全程陪同。同一視頻播放兩次，分兩次采集fNIRS數據以確保高可重復性。

3、數據分析

研究采用MATLAB R2023b聯合HOMER2和NIRS-KIT v3.0進行數據預處理，建立標準化分析流程：

? 運動偽影校正（Spline插值+小波去噪+帶通濾波0.01-0.5Hz）

? 圖論網絡分析：全局效率（Eglobal）、局部效率（Elocal）、聚類系數（CC）

? 局部神經活動分析：低頻振幅標準化值（zALFF），反映特定皮層區域自發活動水平

? 網絡差異識別：Network-Based Statistics（NBS）

? 發育評估：Gesell發育量表（GDS），評估適應行為、大運動、精細運動、語言、個人-社交5個領域

使用GraphPad Prism 9.5.0生成統計可視化，獨立樣本t檢驗/Welch t檢驗/Mann-Whitney U檢驗，FDR/Benjamini-Hochberg多重比較校正，Spearman秩相關分析腦網絡指標與發育評分的關聯。

研究結果

本研究首次通過fNIRS自然刺激范式，系統量化了低齡GDD兒童腦功能網絡的組織異常特征，從網絡拓撲和局部活動兩個維度揭示了"前額葉低效-顳葉代償"的核心病理模式。

1、GDD兒童雙側前額葉腦網絡功能連接強度顯著降低

NBS網絡分析顯示，GDD組在HbR和HbO信號下，雙側前額葉多個核心腦區的功能連接強度均顯著低于HC組：

? HbR信號下，GDD組在ORBmid.L（眶額中回左）、SFGdor.L（額上回背側左）、SFGmed.L/R（額內側回雙側）等功能連接顯著減弱（p<0.025，FWER校正）

? HbO信號下，GDD組在MFG.L（額中回左）、SFGdor.L、SFGmed.R連接強度同樣顯著降低

這些腦區涵蓋背外側前額葉（DLPFC）和內側前額葉（mPFC），分別負責執行功能和社會認知——正是GDD兒童最核心的發育缺陷領域。

圖1 | GDD組與HC組腦網絡功能連接強度差異對比

A：HbR信號下功能連接圈圖+3D腦圖

B：HbO信號下功能連接圈圖+3D腦圖

2、GDD兒童腦網絡全局效率、局部效率、聚類系數全面降低

HbO信號下，GDD組三項核心網絡拓撲指標均顯著低于HC組（p<0.01）

? 全局效率Eglobal：F=3.266，p=0.001—反映全腦信息整合能力下降

? 局部效率Elocal：F=2.676，p=0.007—反映局部信息傳遞效率降低

? 聚類系數CC：F=2.698，p=0.007—反映局部信息交換效率不足

這一發現表明，GDD兒童的大腦網絡并非局部損傷，而是全局性的網絡組織紊亂：信息傳遞慢、整合效率低、局部加工弱，構成了發育遲緩的神經環路基礎。

值得關注的是，HbR信號下僅CC存在顯著差異（p=0.034），Eglobal和Elocal無顯著差異，提示HbO信號對發育障礙相關腦功能變化更為敏感。

圖2 | HbR信號下腦網絡參數比較（Eglobal、Elocal、CC），僅CC存在顯著差異（*p<0.05）

圖3 | HbO信號下腦網絡參數比較，Eglobal、Elocal、CC三項指標均顯著降低（**p<0.01）

3、"前額葉低激活-顳葉代償性高激活"——GDD特異性神經活動模式

低頻振幅標準化值（zALFF）分析揭示了GDD兒童腦局部自發活動的異常模式，呈現顯著的不對稱特征：

? 前額葉低激活： GDD兒童雙側額上回背外側部（SFGdor.L/R）、額上回內側部（SFGmed.R）及眶額上部（ORBsup.R）的自發神經活動顯著低于健康對照（HbO/HbR雙信號驗證）。這直接印證了前額葉皮層在GDD中的功能低覺醒狀態，與前述"低整合"網絡特征形成因果呼應。

? 顳葉代償性高激活： 與此同時，GDD組左側顳上回（STG.L）、右側顳上回（STG.R）及右側眶額下部（ORBinf.R）的zALFF值異常升高。研究推測，這可能是一種神經發育代償機制：當前額葉高級調控網絡發育滯后時，顳葉語言與社會感知區域試圖通過增強自發活動來彌補執行功能與行為抑制缺陷。這種"前低后高"的失衡模式，為理解GDD的跨領域發育延遲提供了全新的神經環路解釋。

圖4 | HbR信號下GDD組與HC組zALFF對比，前額葉通道3、6、8顯著降低，顳葉通道14、30、34顯著升高

圖5 | zALFF腦區分布圖。GDD組（左）vs HC組（右），上排HbR、下排HbO。藍色=低激活，紅色=高激活

4、腦網絡指標與發育評分正相關

相關分析證實，HbO信號下的腦網絡指標與Gesell發育量表評分存在顯著正相關：

? 全局效率Eglobal與適應行為（r=0.307，p=0.032）、大運動（r=0.348，p=0.014）、個人-社交（r=0.283，p=0.049）領域均呈顯著正相關

圖6 | GDD 組中HbO腦網絡參數與Gesell DA的相關性分析

?HbR信號下，左側背外側額上回zALFF與大運動發育商正相關（r=0.332，p=0.020）

? HbO信號下，右側背外側額上回zALFF與適應行為發育商正相關（r=0.295，p=0.040）

圖7 | HbR/HbO狀態下zALFF與GDS DA之間的相關性分析

上述這一關聯模式表明，前額葉網絡效率越低、局部活動越弱，兒童的發育水平越差——為fNIRS腦功能指標作為GDD客觀生物標志物提供了直接證據。

本研究首次采用fNIRS自然刺激范式系統揭示了低齡GDD兒童"前額葉低效-顳葉代償"的腦網絡異常特征，填補了2-4歲發育障礙兒童腦功能研究的"數據荒"，為兒童神經發育障礙的早期客觀評估開辟了全新方向。

未來展望

未來臨床可依托fNIRS自然刺激范式的便捷性和生態效度優勢，建立低齡發育障礙兒童的標準化腦功能評估流程。

同時，基于個體化腦網絡特征定制rTMS/tDCS等神經調控干預方案，針對前額葉低激活區域實施靶向刺激，有望突破當前康復訓練的療效瓶頸，推動低齡發育障礙兒童從"經驗康復"邁向"精準神經康復"，為個性化早期干預策略提供神經科學依據。

撰文：鐘 健

審核：堯利書

編輯：馬睿琦

參考文獻：

Kaili, Shi,Yi, Zhang,Zhichong, Hui et al. Brain network characteristics and behavioral correlations in global developmental delay based on functional near-infrared spectroscopy.[J] .iScience, 2026, 29: 115301.

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