【智研华章】依瑞德fNIRS自然刺激范式解码低龄幼儿全面发育迟缓脑网络特征

全面发育迟缓（Global Developmental Delay, GDD）是5岁以下儿童最常见的神经发育障碍之一，表现为大运动、精细运动、语言、社交互动及适应行为中至少两个领域的显著落后。全球GDD/智力障碍患儿数量居高不下，我国5岁以下确诊人数位居世界第二，早识别、早干预对改善长期预后至关重要。

然而，当前GDD临床诊断高度依赖主观量表评估，缺乏客观的神经生物学标志物。低龄幼儿（2-4岁）配合度差，传统fMRI等影像手段因噪音大、约束强难以实施，导致低龄发育障碍儿童的脑功能研究长期处于"数据荒"状态。

近年来，自然刺激范式（Naturalistic Stimulation Paradigm）在神经科学领域迅速兴起：通过播放儿童友好的动画片引发自然脑活动，既显著提升低龄被试的依从性，又能有效降低头动伪影，为婴幼儿脑功能评估开辟了全新路径。

基于此，郑州大学第三附属医院朱登纳教授团队，利用武汉依瑞德集团fNIRS设备，于2026年在Cell Press旗下期刊《iScience》（Q1，IF=4.5）上发表了一项研究，首次采用fNIRS自然刺激范式联合图论网络分析与zALFF局部脑活动分析，系统揭示了GDD儿童"前额叶低效-颞叶代偿"的脑网络异常特征，为低龄发育障碍儿童的客观评估与早期精准干预提供了突破性神经影像证据。

研究方法

1 、研究对象与分组

研究数据来源于郑州大学第三附属医院康复医学科，共纳入94名2-4岁儿童，一共分为两组，两组的性别、年龄等基线资料无统计学差异，设置情况如下：

GDD组：n=49，符合DSM-5诊断标准，Gesell 发育量表（GDS）评估，至少有 2 个发育维度的发育商（DQ）低于 75 分。

健康对照组（HC）：n=45，发育筛查正常。

排除标准：存在遗传代谢性疾病、染色体异常、神经退行性疾病、脑结构损伤；符合ASD、ADHD、精神分裂症等诊断；未治疗的严重听力/视力障碍；近6个月有严重感染或颅脑外伤/手术史。

2、fNIRS数据采集

研究采用武汉依瑞德集团BS-3000L多通道连续波近红外光学成像系统（44通道，双波长690nm/830nm），基于国际10-10电极定位系统，对称覆盖双侧额叶、顶叶和颞叶皮层，精准覆盖GDD核心异常脑网络。

受试者就坐于安静、温控环境中，观看6分钟国产动画片《萌鸡小队》第一季第15集《新朋友铁轨》（CCTV首播，面向0-6岁学龄前儿童），讲述铁轨学习交友的故事，旨在提升低龄被试依从性并诱发自然社交行为。视频通过E-Prime软件在24英寸显示器上播放（距屏幕约50cm），监护人全程陪同。同一视频播放两次，分两次采集fNIRS数据以确保高可重复性。

3、数据分析

研究采用MATLAB R2023b联合HOMER2和NIRS-KIT v3.0进行数据预处理，建立标准化分析流程：

• 运动伪影校正（Spline插值+小波去噪+带通滤波0.01-0.5Hz）

• 图论网络分析：全局效率（Eglobal）、局部效率（Elocal）、聚类系数（CC）

• 局部神经活动分析：低频振幅标准化值（zALFF），反映特定皮层区域自发活动水平

• 网络差异识别：Network-Based Statistics（NBS）

• 发育评估：Gesell发育量表（GDS），评估适应行为、大运动、精细运动、语言、个人-社交5个领域

使用GraphPad Prism 9.5.0生成统计可视化，独立样本t检验/Welch t检验/Mann-Whitney U检验，FDR/Benjamini-Hochberg多重比较校正，Spearman秩相关分析脑网络指标与发育评分的关联。

研究结果

本研究首次通过fNIRS自然刺激范式，系统量化了低龄GDD儿童脑功能网络的组织异常特征，从网络拓扑和局部活动两个维度揭示了"前额叶低效-颞叶代偿"的核心病理模式。

1、GDD儿童双侧前额叶脑网络功能连接强度显著降低

NBS网络分析显示，GDD组在HbR和HbO信号下，双侧前额叶多个核心脑区的功能连接强度均显著低于HC组：

▸ HbR信号下，GDD组在ORBmid.L（眶额中回左）、SFGdor.L（额上回背侧左）、SFGmed.L/R（额内侧回双侧）等功能连接显著减弱（p<0.025，FWER校正）

▸ HbO信号下，GDD组在MFG.L（额中回左）、SFGdor.L、SFGmed.R连接强度同样显著降低

这些脑区涵盖背外侧前额叶（DLPFC）和内侧前额叶（mPFC），分别负责执行功能和社会认知——正是GDD儿童最核心的发育缺陷领域。

图1 | GDD组与HC组脑网络功能连接强度差异对比

A：HbR信号下功能连接圈图+3D脑图

B：HbO信号下功能连接圈图+3D脑图

2、GDD儿童脑网络全局效率、局部效率、聚类系数全面降低

HbO信号下，GDD组三项核心网络拓扑指标均显著低于HC组（p<0.01）

▸ 全局效率Eglobal：F=3.266，p=0.001—反映全脑信息整合能力下降

▸ 局部效率Elocal：F=2.676，p=0.007—反映局部信息传递效率降低

▸ 聚类系数CC：F=2.698，p=0.007—反映局部信息交换效率不足

这一发现表明，GDD儿童的大脑网络并非局部损伤，而是全局性的网络组织紊乱：信息传递慢、整合效率低、局部加工弱，构成了发育迟缓的神经环路基础。

值得关注的是，HbR信号下仅CC存在显著差异（p=0.034），Eglobal和Elocal无显著差异，提示HbO信号对发育障碍相关脑功能变化更为敏感。

图2 | HbR信号下脑网络参数比较（Eglobal、Elocal、CC），仅CC存在显著差异（*p<0.05）

图3 | HbO信号下脑网络参数比较，Eglobal、Elocal、CC三项指标均显著降低（**p<0.01）

3、"前额叶低激活-颞叶代偿性高激活"——GDD特异性神经活动模式

低频振幅标准化值（zALFF）分析揭示了GDD儿童脑局部自发活动的异常模式，呈现显著的不对称特征：

• 前额叶低激活： GDD儿童双侧额上回背外侧部（SFGdor.L/R）、额上回内侧部（SFGmed.R）及眶额上部（ORBsup.R）的自发神经活动显著低于健康对照（HbO/HbR双信号验证）。这直接印证了前额叶皮层在GDD中的功能低觉醒状态，与前述"低整合"网络特征形成因果呼应。

• 颞叶代偿性高激活： 与此同时，GDD组左侧颞上回（STG.L）、右侧颞上回（STG.R）及右侧眶额下部（ORBinf.R）的zALFF值异常升高。研究推测，这可能是一种神经发育代偿机制：当前额叶高级调控网络发育滞后时，颞叶语言与社会感知区域试图通过增强自发活动来弥补执行功能与行为抑制缺陷。这种"前低后高"的失衡模式，为理解GDD的跨领域发育延迟提供了全新的神经环路解释。

图4 | HbR信号下GDD组与HC组zALFF对比，前额叶通道3、6、8显著降低，颞叶通道14、30、34显著升高

图5 | zALFF脑区分布图。GDD组（左）vs HC组（右），上排HbR、下排HbO。蓝色=低激活，红色=高激活

4、脑网络指标与发育评分正相关

相关分析证实，HbO信号下的脑网络指标与Gesell发育量表评分存在显著正相关：

▸ 全局效率Eglobal与适应行为（r=0.307，p=0.032）、大运动（r=0.348，p=0.014）、个人-社交（r=0.283，p=0.049）领域均呈显著正相关

图6 | GDD 组中HbO脑网络参数与Gesell DA的相关性分析

▸HbR信号下，左侧背外侧额上回zALFF与大运动发育商正相关（r=0.332，p=0.020）

▸ HbO信号下，右侧背外侧额上回zALFF与适应行为发育商正相关（r=0.295，p=0.040）

图7 | HbR/HbO状态下zALFF与GDS DA之间的相关性分析

上述这一关联模式表明，前额叶网络效率越低、局部活动越弱，儿童的发育水平越差——为fNIRS脑功能指标作为GDD客观生物标志物提供了直接证据。

本研究首次采用fNIRS自然刺激范式系统揭示了低龄GDD儿童"前额叶低效-颞叶代偿"的脑网络异常特征，填补了2-4岁发育障碍儿童脑功能研究的"数据荒"，为儿童神经发育障碍的早期客观评估开辟了全新方向。

未来展望

未来临床可依托fNIRS自然刺激范式的便捷性和生态效度优势，建立低龄发育障碍儿童的标准化脑功能评估流程。

同时，基于个体化脑网络特征定制rTMS/tDCS等神经调控干预方案，针对前额叶低激活区域实施靶向刺激，有望突破当前康复训练的疗效瓶颈，推动低龄发育障碍儿童从"经验康复"迈向"精准神经康复"，为个性化早期干预策略提供神经科学依据。

撰文：钟 健

审核：尧利书

编辑：马睿琦

参考文献：

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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