fNIRS超掃描技術的發展及研究熱點

劉小龍, 劉華芳

(四川師范大學 腦與心理科學研究院, 四川 成都 610066)

1 研究背景

神經成像技術的出現使得研究者可以從更科學的角度探索人類的腦神經機制,也為諸多心理疾病的干預和治療提供了重要依據.神經影像技術既有廣闊的發展潛力,但也存在諸多弊端.例如先前的神經影像學在研究社會互動的相關神經機制時存在2個局限性:第一,每次只能研究一個參與者的腦神經活動,無法同時評估2個大腦的動態互動,但人類社會互動多是2人及以上同時產生行為交互;第二,單腦研究生態效度較低,大多數研究在封閉實驗室中進行,任務由計算機指導,然而實際社會互動是在更自然的情況下進行.有研究發現[1],與人-機互動相比,人-人互動具有更高的生態效度,在活動中可以激活更多腦區.

這些局限性在一定程度上阻礙了心理與腦科學的進展,因此,在腦成像技術的快速發展以及科研需求的催生下,超掃描技術(hyperscanning)應運而生.超掃描技術這一概念最早是由是Montague等[2]在fMRI研究中提出,是指依托不同腦成像技術,對2個或多個社會互動個體同時進行神經記錄,可用于分析大腦信號間的相似性、相關性、相干性以及因果關系等;主要有基于腦電、腦磁圖、功能性磁共振成像和功能性近紅外光譜成像的超掃描技術等.近年來,超掃描技術發展迅速,很快成為主流認知神經科學研究手段之一,現已涉及多個研究領域,包括:模仿任務、協調任務、眼神交流任務、經濟游戲、合作和競爭、自然情景下的互動等多方面.

本文首先介紹了4種依托不同腦成像技術的超掃描技術及其優缺點,隨后依據合作和競爭、模仿任務、眼神交流任務、自然情景下的互動、協調任務和經濟游戲6大類分別對超掃描研究的實驗范式以及結論進行總結分析.文末,提出了超掃描發展面臨的挑戰及相關建議.

本文數據來源主要基于知網、PubMed和Web of Science文獻數據庫獲取文獻數據信息,時間為2022年9月—2023年2月.以“hyper scanning”“inter-brain coherence”“inter-brain connectivity”“inter-brain correlation”“inter-brain synchronization”“brain-to-brain coupling”“inter-brain phase synchronization”“between-brain connectivity”“inter-individual neural synchronization”等作為英文文獻數據庫檢索的主題詞[3],英文文獻類型不限定,發表時間限定2000年1月1日—2023年5月1日.

進一步篩選條件主要包括使用“fMRI”“EEG”“MEG”“fNIRS”等腦成像實驗設備,同時符合模仿任務、協調任務、眼神交流任務、經濟游戲、合作和競爭、自然情景下的互動等6大方面,并且盡量選取2000年以來的1～3區主流雜志期刊文章,最終整理文獻為82篇.

2 超掃描腦成像技術與分類

根據超掃描依托的神經影像學技術的不同,可以分為功能性磁共振成像超掃描(functional magnetic resonance imaging, fMRI)、腦電圖超掃描(electroencephalography, EEG)、腦磁圖超掃描(magnetoencephalography, MEG)、功能性近紅外光譜技術超掃描(functional near-infrared spectroscopy, fNIRS)等[4].以下針對幾類腦成像技術及其優缺點進行簡要介紹(見圖1和表1).

表1 腦成像技術優缺點

圖 1 腦成像技術時間/空間及侵入性對比

2.1 EEG超掃描EEG超掃描技術是指應用多臺EEG儀器測量記錄2人或多人的大腦神經電活動.EEG超掃描具有時間分辨率可達毫秒級并且可記錄全腦信號的特點.但EEG不同機器敏感度差別和局域網波動等易對數據產生影響,并且其只能對頭皮的微電流進行記錄,無法準確定位信號來源,導致空間分辨率比較差[5-7].

2.2 fMRI超掃描fMRI超掃描技術是指同時使用多臺fMRI儀器對2個或多個被試同時進行掃描.fMRI具有空間分辨率高、較高的結構準確性和較好的成像深度等優點.但因磁共振儀器體型巨大,所以很難將2臺甚至多臺儀器放置在同一實驗室中使用,也導致生態效度較低[5],并且磁共振儀器價格昂貴,并非適用于所有實驗室.另外,文獻[2]的研究發現,磁共振儀器的微小差異,如梯度磁場、頭部線圈敏感度以及主磁場的差異等,都可能會對掃描結果產生顯著影響.

2.3 MEG超掃描MEG超掃描和以上3種超掃描技術一樣,也是運用多臺儀器對多人同時進行大腦活動記錄.MEG具有較高的空間分辨率,并且信號傳遞不受腦內組織影響.但因MEG價格極其昂貴,很大程度上限制了MEG超掃描技術的應用[5].

2.4 fNIRS超掃描fNIRS超掃描技術是指同時用多個近紅外儀器測量2人或多人的頭部含氧血紅蛋白以及脫氧血紅蛋白的濃度改變,以此探知大腦的活動變化.fNIRS超掃描與fMRI超掃描、EEG超掃描、MEG超掃描相比,具有應用場景廣、對受試者要求低等諸多方面的優勢:

1) 在購買方面,fNIRS的價格相對中等,通常在數十萬至數百萬元之間,比fMRI更為便宜,因此大多數實驗室都能夠負擔得起這項費用;價格方面的優勢也為近年來fNIRS超掃描的蓬勃發展提供了前提條件.

2) 在應用場景方面,超掃描技術致力于探索互動中個體的神經激活,而fNIRS具有便攜可靈活移動這一大優點,實驗場景并不局限于實驗室內,可以在更為自然的情境(如演奏和睡眠)中開展,因此在生態情境適用性方面,fNIRS超掃描較其他研究方法具有很強的優勢[5,8].

3) 在受試者要求方面,fNIRS對被試要求較低,允許參與者在實驗過程產生肢體活動,因此特別適用于以低齡兒童、老人以及特殊人群為研究對象的腦功能成像研究.

4) 在參與者實驗感受方面,fNIRS具有良好的參與體驗,具有無創性的特點,并且在實驗過程無噪聲產生,也允許參與者在實驗過程中有部分身體活動.

5) 在技術層面,fNIRS時間分辨率較高,能夠敏銳捕捉到不同時間段的神經變化,并且對實驗過程中被試產生的動作不是特別敏感,比其他神經成像技術對運動偽影更有耐受性.

但fNIRS也具有一些缺點,例如空間分辨率較低,以及探測深度只能達到皮質表面,因此若要探究大腦內部深部結構問題,還需使用fMRI等設備進行研究.

3 fNIRS超掃描技術主要研究領域

fNIRS技術是一種無創的腦功能成像技術,通過測量腦部皮質區域的血氧含量變化來反映腦區活動的變化[9].該技術基于光學原理,利用近紅外光(NIR)穿透頭皮和顱骨,被血紅蛋白和氧合血紅蛋白吸收,測量其反射和散射的光強度,從而推斷出血紅蛋白和氧合血紅蛋白的含量及其比值,進而反映腦血流量和腦氧合水平的變化[9-10].fNIRS技術具有響應速度快、無創、便攜、適用于嬰幼兒和運動狀態下的腦功能成像等優點[11].

fNIRS超掃描技術就是基于以上原理,同時用多個近紅外儀器測量2人或多人的頭部含氧血紅蛋白以及脫氧血紅蛋白的濃度改變,對2個或多個社會互動個體同時進行神經記錄,進而分析參與者大腦信號間的相似性、相關性以及因果關系等.

fNIRS技術的應用范圍廣泛,包括神經科學、心理學、運動科學、康復醫學和人機交互等領域.在神經科學中,fNIRS技術可以用于研究腦區活動的時空特征、功能連接、注意力、記憶和情緒等方面[12-13];在心理學中,fNIRS技術可以用于研究決策、認知控制和情緒調節等方面[14];在運動科學中,fNIRS技術可以用于研究運動控制和運動學習等方面[15];在康復醫學中,fNIRS技術可以用于評估和干預腦損傷后的恢復情況[16-17];在人機交互中,fNIRS技術可以用于研究人機交互的認知和情感過程[11,18].此外,fNIRS技術應用場景也較為寬泛,例如可以在實驗室中探索被試在合作任務中的決策反應[19],也可以在音樂廳記錄2位小提琴手在演奏時的大腦激活[20],還可以在醫院中探索新生兒情感韻律加工的神經機制[21].

社會互動主要涉及社會決策和社會交流兩方面[22].社會決策重點關注人們在互動情境中所做出的與博弈有關的行為,例如合作與競爭、經濟游戲等;社會交流又可以劃分為表情交流(如眼神交流)和動作交流(如模仿與協調)等.因當前關于表情交流以及動作交流的超掃描研究范式多使用研究者預先設定的程序進行,可能與真實場景存在差異,所以本文將自然情景下的互動作為社會交流中單獨的部分進行說明.

在超掃描研究中,fNIRS可以用于探究多個個體之間的腦活動同步性、交互作用以及群體決策等問題.近年來,隨著科研設備的完善和發展以及研究者們對互動情境下神經機制的深入探索,關于fNIRS超掃描研究的文章越來越多,涉及的領域也不斷拓寬.本文已經覆蓋了大多數fNIRS超掃描研究領域,但并非全部涵蓋.例如,社會交流除表情交流和動作交流外,還包括言語交流等方面.但由于目前對該方面的研究不多,因此本文關于言語交流方面的超掃描表述相對較少.

綜上,本文將fNIRS超掃描應用劃分為以下6種,即:合作與競爭、模仿任務、眼神接觸、自然情景下的互動、協調聯合任務和經濟游戲.

3.1 合作與競爭合作和競爭是人際交往的2種基本形式.合作是指通過與他人的互動,從而達到共同目的,實現特定共同利益的行為.合作能夠支持群體感,并可能增加自我效能表現、人際凝聚力和一般社會幸福感.競爭是指個體在群體活動中試圖壓倒對方、戰勝對方的心理需求和行為活動.在競爭中,個體努力維護自身利益,不惜犧牲他人利益.

近年來,研究者通過按鍵反應[19,23-24]、聯合繪圖任務[25-26]、非目標刺激中識別目標刺激[27-29]和磁盤游戲[30]等實驗范式,對合作與競爭活動進行了諸多研究,也發現了很多一致性的成果(見圖2).

文獻[19]在一項實驗中設置了合作、競爭、單獨被試1和單獨被試2共4種實驗任務,在合作條件下,要求被試在綠色圓圈出現后按下應答鍵,當2名被試的反應時間之差小于給定閾值時,可得一分,反之丟一分.隨后屏幕會出現反饋信息告知2名被試反應快慢,以供被試調整按鍵時間,以便獲得高分.研究結果表明,在合作中,右側上額葉皮層的腦間一致性(INS)顯著增強,并且腦間一致性的提高也伴隨著合作績效的提升.文獻[23]的研究同樣運用fNIRS超掃描進行相同的實驗范式,結果發現情侶之間的合作行為比朋友和陌生人組之間的合作行為更好,并且和文獻[19]研究結果類似,都在右側上額葉皮層識別到腦間一致性的顯著增加.

圖 2 合作與競爭實驗操作[24]

已有眾多研究表明,在合作過程中,同伴之間的大腦活動會出現同步,這種神經同步是否會受制于性別的影響,值得研究者們探討.目前,已有眾多研究揭示了男性與女性合作行為的差異.文獻[31]運用按鍵反應研究伴侶為異性或同性時的合作差異,結果證實在異性伴侶合作中,額葉區域出現顯著的腦間一致性激活,而同性合作中,則沒有這種激活.文獻[32]的研究也證實了這一觀點,他們運用fNIRS超掃描對按鍵中的被試進行記錄,結果表明異性在合作過程中,右額極和右下前額葉皮層表現出明顯的激活.此外,文獻[31-32]也都發現合作任務中,組合中有一名男性或者2名都是男性時的合作程度顯著高于2名女性的組合.與文獻[31]的研究相比,文獻[32]還發現了同性在合作任務中的激活差異,具體表現為:2名女性合作時,右側顳葉皮層腦間一致性顯著增加;而2名男性合作時,腦間一致性顯著增加的位置位于右下額葉.但不同的是,另外一項研究[33]卻發現只有在2名男性合作中才能觀察到左下額區明顯的腦間一致性激活,并且2名男性組合在合作和競爭中的腦間一致性差異明顯大于其他性別組合.關于性別影響合作和競爭狀態的研究,既有助于深入了解在自然情境中的人際合作與競爭中,性別構成對腦間一致性激活的影響,也可以為使用超掃描技術理解人類互動提供多方位見解.

不僅內在特征性格和性別組成等會影響合作中的互動,有研究證明外界反饋也會影響合作中的大腦激活.文獻[27-29]使用fNIRS超掃描記錄主試給予被試虛假反饋后被試的行為與大腦反應.文獻[29]的研究采用正向反饋,即告訴被試“有良好的合作”,結果發現反饋操作后,被試反應速度加快,背外側前額葉皮層的腦間連通性增強.而在文獻[27]的研究中,采用相反的方式,向被試呈現負向反饋,即告訴被試“糟糕的合作”,結果發現負反饋誘發了背外側前額葉皮層部位腦間連通性減少.由此可知,外部反饋可以調節行為和大腦的反應,具體來說:正向反饋增加背外側前額葉的腦間連通性,反之降低.

總的來說,諸多學者使用超掃描技術為探索合作與競爭過程中的神經激活做出了巨大貢獻,并且形成的諸多實驗范式也為后人所借鑒使用.縱覽前人的研究,大部分學者表明:在合作活動中,被試雙方往往會在額葉區域出現較為顯著的腦間一致性激活.此外,也確定這種同步性的激活會受到反饋條件以及性別和成員組成等因素的影響.現已形成的關于合作任務較為統一的研究結論,為后人在此領域的探索提供了充分借鑒和依據.

然而,對于競爭活動的探究卻不如合作任務充分,因此對于競爭任務所激活的腦區目前存在較多爭議,分析來看,這或許與競爭情境的復雜性以及實驗設計的差異有關.此外,當前研究普遍采用性別(例如男男、女女和男女)以及人際關系(例如朋友、情侶和陌生人)進行分組,未有研究探討不同人格特質等內在因素會為合作與競爭活動帶來怎樣的神經激活差異.

在今后的研究中,一方面可以致力于完善與競爭活動有關的實驗范式,加強該領域的探索,早日形成較為統一的結論.另一方面,也需要跨越普通分組的范圍,探索不同人格特質和社會價值取向等內在因素對合作與競爭任務的影響.

3.2 模仿任務人類模仿行為是指在觀看一次或幾次之后,模仿他人一系列動作或行為的能力.模仿已被證明在嬰兒發育[34]和社會認知[35]等方面發揮著至關重要的作用.在日常生活中,模仿是我們學習知識、與他人進行社會互動和交流的重要基礎,不僅可以促進我們對信息的理解和行為的習得,也可以更好地了解世界[36].

已有研究[7,37-38]表明,在社會互動中的情緒感知和運動協調主要與鏡像神經元(MNS)和心智化系統(MS)有關.鏡像神經元系統由初級運動皮層、顳上回、額下回和頂下小葉等區域組成,通常涉及動作的協調和模仿;心智化系統主要由前額皮層和顳頂聯合區等區域組成,通常在推斷和理解他人意圖中發揮作用,例如自然社會中的互動和經濟游戲等.

超掃描技術的眾多優點使得研究者可以更深刻地探查鏡像神經元系統是如何在模仿與動作協調中起作用的[22].文獻[39]以即時模仿面部表情為任務進行了超掃描功能磁共振成像,在實驗中被試模仿3種面部表情,分別為快樂、悲傷和中立情緒.研究結果證實,右頂下小葉通過相互模仿作用,在分享動作表征中起著關鍵作用,并且被試間模仿交互過程中,增強了右頂下小葉的腦間同步.同樣的,文獻[40]的研究也表明頂葉區域在互動模仿中的重要性.他們在被試手部模仿過程中運用EEG超掃描記錄腦神經活動,發現互動同步狀態與右側中央頂葉之間的alpha-mu帶的腦間同步網絡出現相關,這些區域被認為在社會互動中起著關鍵的作用.此外,文獻[40]還指出2個頂葉區之間存在功能不對稱性.文獻[41]的研究也充分證實了在模仿互動學習中,鏡像神經元系統所發揮的重要作用(見圖3).研究者通過fNIRS超掃描記錄被試模仿唱歌時的大腦活動狀態,發現在互動學習任務中,從雙側下額皮層記錄到的大腦活動在模仿者和被模仿者之間同步進行.此外,當模仿者觀察被模仿者以及進行更積極的互動模式時,此皮層的大腦激活尤其明顯.文獻[41]還發現這種腦間一致性的激活,還可以預測模仿者的行為表現.

圖 3 模仿任務實驗操作[41]

但并非所有研究者的結論均指向鏡像神經元系統所涉及的腦區.例如一項關于腦磁圖超掃描的研究[42]發現,當母親和孩子之間進行輪流口頭模仿任務時,母親和孩子之間的社會互動顯著增強了頂葉和額葉區域的腦間活動.

總體來看,大多數研究結果都表明:在模仿過程中,主要激活鏡像神經元系統,包括額下回和頂下小葉等區域.這也肯定了前人關于鏡像神經元系統的組成以及作用的探索和結論.

模仿是我們日常生活中非常重要的一種能力,也是我們可能會無意識表現出來的行為.模仿貫穿于我們學習生活的方方面面,但當前研究十分不足,僅局限于表情模仿和動作模仿等.在檢索超掃描文獻的過程中也發現,該領域已發表文獻量甚至不足合作與競爭領域的三分之一.另一方面,現有研究肯定了鏡像神經元系統在模仿行為中的重要作用.但模仿涵蓋表情模仿、動作模仿和言語模仿等,當進行不同方面的模仿行為時,是否會顯著激活鏡像神經元系統的某一個腦區是非常值得探討的問題.但由于文獻量的限制,當前無法對此做出完整總結.

展望未來,學者們可以開拓模仿行為的其他范疇,將在模仿行為中發揮重要作用的鏡像神經元系統進一步進行功能細分,并早日形成一致性結論,幫助大家更好地認識到不同模仿行為所帶來的大腦激活差異.

3.3 眼神接觸眼神接觸是人類非語言交流的重要渠道,有學者表示,嬰兒會根據凝視交流經驗調整對成年人目光注視的使用,并且眼睛接觸的早期發展也是后來社交技能發展的重要基礎[43-44].超掃描的誕生,使得研究者可以深入探討眼神接觸的腦神經機制.

眼神接觸可以分為雙方眼神的直接接觸和眼神對于圖畫等的間接接觸.已有研究者證實,2種不同的眼神接觸方式,激活的大腦區域也有差異.Hirsch等[44]運用fNIRS超掃描將2名參與者之間直接眼神接觸的神經效應和注視面部靜態眼睛圖像的神經效應相比較,結果證實眼-眼接觸相關的腦內神經活動大于眼-圖凝視相關的神經活動,并且與眼-圖凝視相比,眼-眼接觸中左額葉區域功能連接更敏感.相似的一項研究[45]也發現,相對于直接注視動態人臉視頻,眼對眼真實接觸時配對腦間一致性激活更顯著.但與文獻[44]的結論不同的是,文獻[45]認為腦間一致性顯著增加的區域在于角回,而非額葉.

不僅直接眼神接觸和間接眼神接觸會造成不同皮層區域的激活,有研究表明眼神接觸的不同距離和方向也會產生激活差異.文獻[46]通過fNIRS超掃描探討不同空間距離和注視方向等非語言因素對人際溝通的影響以及對腦間神經的影響的研究發現,更近的空間距離和更直接的凝視角度可以增強腦間神經同步,優化大腦間的信息傳遞,改善交流結果(見圖4).文獻[47]的研究也發現在社交游戲中配對的直接凝視在臉部暴露時明顯增強背內側前額葉的血液動力學反應.

圖 4 眼神接觸/眼神交流實驗操作[46]

關于眼神交流任務檢索到的文獻量和上一部分模仿任務類似,都較少,但也可以看出作為新興研究領域,這2個方面的研究前景非常廣闊.文獻量雖少,但現有研究較為完善地涵蓋了眼神活動的控制變量,即直接與間接和距離與方向的問題;并且現有實驗范式以及相關結論對于后人在此領域的探索都是很有價值的借鑒.

由于目前針對眼神接觸的超掃描研究并未開展很多,因此關于激活腦區也未形成統一定論.這也啟示我們,未形成一致結論的原因可能與實驗范式、注視時間以及實驗材料等方面緊密相關,這對于學者日后開展類似研究是極其重要的參考.

在后續的科研中,研究者們可以致力于開發更多的眼神交流實驗范式,完善實驗手段.此外,大家或許都有與陌生人眼神接觸會躲閃以及害羞的人更容易不敢直視他人眼睛的體驗,所以未來研究可以嘗試從熟悉度(如情侶、朋友或陌生人)以及人格特征(如內向和外向)的角度進行分組,探求不同人際關系以及不同人格特質的神經激活差異,不斷推進與眼神接觸相關的跨腦神經耦合功能和機制的理解.

3.4 自然情景下的互動在“模仿任務”部分已經提出,社會互動中的運動協調以及情緒感知主要與我們的2個系統有關,分別是鏡像神經元系統和心智化系統.鏡像神經元系統包括額下回和頂下小葉等腦區,主要在動作協調以及模仿中起作用;心智化系統包括前額皮層和顳頂聯合區等腦區,在推斷和理解他人語言意圖等方面發揮作用.在自然情景下的互動,既需要理解他人語言或行為,也需要及時作出動作或心理的協調,因此,在人際互動中,鏡像神經元系統以及心智化系統都有可能被激活,以下研究也充分證實了這一點.

文獻[48]運用fNIRS超掃描測量2個大腦的神經活動,檢驗面對面交流和其他類型交流之間的神經差異,結果證實在面對面交流時,左下額葉的神經同步顯著增加(見圖5).類似研究[49]也發現當配對在合作唱歌或者哼唱的時候,左下額葉皮層也出現了腦間一致性激活.這可能是因為在面對面交流或者一起唱歌時,我們需要對他人的行為做出反應,進而調整自己的動作狀態,從而激活了鏡像神經元系統.

圖 5 自然情景下的互動實驗操作[48]

在自然情景互動中,領導者角色具有重要的作用,可以引導活動的走向甚至影響工作的最終結果.文獻[20]運用fNIRS超掃描同時測量一對小提琴手合奏或獨奏古典音樂時的大腦活動,研究者通過音樂作品的選擇,誘導分出領導者(第一小提琴手)和追隨者(第二小提琴手)的角色.結果發現扮演追隨者的音樂家在合奏條件下在顳頂葉有更大的氧合血紅蛋白激活.文獻[50]的研究也發現在左側顳頂交界處,存在領導者小組的腦間一致性激活高于無領導者小組;并且還發現,在特定時期基于腦間一致性激活和溝通頻率,可以成功預測領導力.以上研究通過針對領導者角色的探索證實了心智化系統的顳頂葉區域在自然互動中的重要機能.

日常生活中,我們或許都遇到過“雞尾酒會效應”,例如在嘈雜的環境中準確捕捉到他人呼喚自己名字的聲音.針對這一奇特現象,諸多研究運用fNIRS超掃描進行了探索.文獻[51]通過錄制演講者音頻,隨后添加不同等級噪聲后播放給聽眾進行研究.在音頻播放中,聽者左側額下回、右側顳中回和角回的神經耦合明顯高于基線.隨后,文獻[52]進一步探索人們如何適應在噪聲中理解非母語語音信息,結果發現對非母語語音的處理也與基于聽者-說話者的神經耦合有關.另外,文獻[53]的研究也證實在多說話者情境中,聽者與被關注的說話者在左側顳頂交界處的腦間一致性有選擇性地增強,并且進一步指出,言語反應發生之前,這種聽者與說話者的腦間一致性就已經出現了顯著增加.

另外,在學校日常教學活動中,超掃描研究在監控教學過程、預測教學效果以及識別教學影響因素等方面都發揮著重要的作用,也有學者[4,54]建議未來的研究者可以更多地關注不同學習水平的學生大腦的互動機制及人際神經科學方法應用于技能教學及線上教學評估的巨大潛力.而在日常生活中,文獻[55]的研究表明大多數的親子互動會激活大腦前額葉皮層,同時因互動任務和父母性別等的不同有所差異,并提議未來可以充分挖掘fNIRS超掃描技術在親子共讀、親子依戀和特殊兒童的親子互動等方面的研究潛力.

此外,還有研究證明了心智化系統的其他腦區在情景互動中的作用.例如文獻[56]觀察到被試在面對面玩積木時,前額葉出現腦間一致性的顯著增加.還有學者進行了一項有趣的研究,主試邀請76名單身異性戀大學生進行了19次快速約會,結果表明在快速約會(而不是閱讀任務)中,背外側前額葉皮層的人際神經同步預測了是否發展成情侶的結果.同時,文獻[57]指明社會吸引力(而不是身體吸引力)會影響快速約會期間的人際神經同步,并且顯著預測背外側前額葉的腦間一致性激活.

關于自然情景下的互動,已有大量文獻發表并取得豐碩的研究成果.目前研究領域已經擴展至生活互動、學校學習和日常交流等多個方面.這些研究證實了鏡像神經元系統和心智化系統在自然情景互動中扮演著重要角色,并為我們的實踐活動提供了諸多指導,例如指導教學、預測教學成果等.

盡管目前的研究已經在日常生活的許多方面對自然情景下的互動進行了探究,但互動的范圍非常廣泛,既可以是簡單的人際交流,也可以是彼此通過努力達成共同目標的過程,因此,在未來還可以進一步探究其他領域的互動研究.

此外,雖然之前的研究已證實自然情景互動主要涉及鏡像神經元系統和心智化系統,但這2個系統涉及較多腦區,而現有研究并沒有明確具體腦區.通過日后的大量研究,可能會幫助我們更準確地定位某類活動所激活的代表性區域.

相比于其他按照預先設定程序進行的實驗室研究,自然情景下的互動探究具有更大的實踐內涵.因此,研究者可以更多地探討結果的實踐意義,并將實驗結論推廣至實踐中,更好地指導我們的日?；顒?

3.5 協調聯合任務協調任務需要2人或多人共同進行,他們在相同目標下一起行動,這類任務主要是探討行為同步和腦活動同步的關聯性.在日常生活中,很多活動都和協調任務有關,例如文獻[58]發現母子合作中右側背外側前額葉和額極PFC的腦間一致性顯著提高.文獻[25]發現籃球運動員在協作任務中在背外側前額葉區域也被觀察到有顯著的人際神經同步.

聯合行動可以使個體在時間和空間上相互協調,以實現共同結果.這種互動通常包括2個關鍵要素:共同目標和行動協調.針對這2個成分在聯合協調行動中所起的作用機制尚不明確的問題,文獻[59]采用fNIRS超掃描進行了研究(見圖6).實驗中他們將共享目標作為互補型聯合行動,行動協調作為模仿型聯合行動.通過讓被試進行聯合繪圖任務發現,下額葉在聯合行動中具有重要作用,且其子成分在腦區上有明顯的偏側化,具體表現為右下額葉皮層的腦間一致性激活更多對應共享目標,而左下額葉皮層的腦間一致性激活更多對應行動協調.

圖 6 協調/聯合任務實驗設計[59]

團隊創造力的提升與團隊成員的協調方式也密切相關.文獻[60]在被試運用不同交流模式進行創造性替代使用任務時,使用fNIRS超掃描進行記錄.結果證實輪流創造條件下的獨特性顯著更好;并且fNIRS生理數據顯示,在輪流創造條件下,右腦角回的人際大腦同步增量也顯著高于其他條件.文獻[61]利用fNIRS超掃描探討不同反饋對群體創造性表現的影響,結果發現在積極反饋條件下,額極和雙側背外側前額葉的腦間一致性增量與群體創造性表現一致,證實了積極反饋比消極反饋更有利于群體創造性發展的觀點.此外,文獻[62]的研究還表明性別也會影響群體創意的產生.研究發現女性-女性組在創造性替代使用任務過程中右側后頂葉皮層腦間一致性激活增量高于其他性別組合,這與她們較高的創造性表現相一致.

群體內的不良協調方式還可能產生群體極化.文獻[63]證實群體極化伴隨著雙側前額葉區和左顳頂葉交界處平均腦間同步性的增強,并且右側前額葉在群體極化的風險性轉變中平均腦間同步性增強更加顯著.

總體而言,大多數學者認為在協調聯合任務中,主要激活額葉區域,這與合作活動的神經激活相似.這可能是因為這2類活動都與行動協調有關,并需要觀察他人的行為同時調節自身反應.在該領域檢索到的文獻量比模仿行為稍多,但與合作和競爭領域相比,文獻量仍然存在較大差距.這可能與實驗范式較為復雜,不易開展有關.

未來的研究可以專注于開發一些簡單實用的實驗范式,以進一步豐富與協調聯合有關的實驗研究.此外,已知協調聯合行為與合作行為存在諸多聯系,后續的研究可以進一步深入探討這2種活動在行為改變和神經激活方面的異同.

3.6 經濟游戲信任游戲是經濟交換游戲的一個重要實驗范式,其中參與者1會給參與者2部分錢款,隨后參與者2決定是否返還以及返還多少給參與者1.文獻[64]的研究發現一個玩家所表達的互惠性強烈地預測了他們伙伴所表達的未來信任,并且這一行為發現反映在背側紋狀體的神經上.文獻[65]關于fMRI超掃描的研究發現副扣帶皮層在建立可信關系中起著重要作用,文獻[66]的研究也證明了經濟交流中扣帶皮層的因子特異性反應.

囚徒困境游戲[67-69]逐漸成為經濟游戲常用的實驗范式,其需要2個參與者在游戲中同時做出自己的決定,通常包含3種實驗條件:雙贏、雙輸和以牙還牙.文獻[67]關于EEG超掃描的研究發現,與玩合作或針鋒相對策略的配對相比,背叛者配對的超腦網絡的腦間聯系明顯較少.此外,文獻[70]的研究創新性地將囚徒困境應用于抑郁傾向與社會合作的研究,結果表明高抑郁傾向被試比低抑郁傾向被試的合作率更低,同時雙側背外側前額葉的激活也更弱.該研究為理解抑郁癥患者與他人合作意愿的降低提供了新的腦成像證據.

最后,通牒實驗范式[71-72]也被經常使用,該范式涉及2個角色:提議者與接受者.實驗中2人對一筆金錢進行分配,提議者分配后要求接受者決定是否接受對方的提議.若接受,則按照提議者提出的方案進行金錢分配;若不接受,則雙方均無收益.文獻[71]的研究發現在面對面的經濟交流中,右側顳頂聯合區有較強的腦間同步,且隨游戲雙方共享意愿的增加而增加.文獻[14]采用修訂版的最后通牒任務[73],也就是“若接受者認為金錢分配不合理,可以對提議者采取懲罰措施,接受者每拿出1元,提議者相應減少5元”,同時結合fNIRS超掃描技術對社會互動視角下人際公平形成的腦機制進行探索.結果表明懲罰條件下右側背外側前額葉皮層、頂下小葉和顳-頂聯合區的腦間活動同步性都要顯著強于無懲罰條件,而且修訂條件的分配金額差異越大,右側頂下小葉的腦間活動同步性差異也越大.文獻[14]的研究擴展了修訂版的最后通牒任務應用,也為探討人際公平的內在機制提供了新的研究視角.

文獻[74]探索性地將經濟游戲與實際生活相結合,運用fNIRS超掃描對獨生子女如何影響信任互動中的人際大腦同步性進行探索,行為結果表明獨生子女組比非獨生子女組產生較少的合作決定,腦成像結果表明獨生子女組的內側前額葉皮層的人際同步性明顯弱于非獨生子女組.文獻[75]的研究還發現博弈策略中的虛張聲勢與右角回有一定的關系.此外,文獻[76]的研究還證實經濟游戲欺騙中存在性別差異(見圖7).

圖 7 經濟游戲類別的實驗設計[76]

總體來看,關于經濟游戲的超掃描研究已經形成了諸多較為統一的實驗范式,而且這些實驗范式非常有趣,能夠牢牢抓住實驗者的注意力.該領域成熟的研究,不僅為后人開展類似實驗提供了優秀的樣例,并且這些實驗范式也為其他學者在實驗范式上進行個性化修改提供了借鑒和幫助.

但是由于實驗范式不同,研究程序會有較大差異,所以關于經濟游戲所激活的腦區目前還未有一致性結論.除此之外,現有研究多用性別作為分組條件,但已有研究[77]表明不同人際關系(如情侶、朋友和陌生人)在經濟游戲中的欺騙行為會有顯著差異.因此,期待未來會有更多的研究者從事此類研究,并且探索不同人際關系在其中的影響,早日發現激活顯著的代表性腦區.

4 總結與展望

超掃描研究可以同時對多人大腦活動進行記錄的特點使得這一研究技術快速發展并廣泛運用.研究者們針對合作與競爭、模仿任務、眼神交流任務、自然情景下的互動、協調任務和經濟游戲等各方面進行了深入研究,產生了諸多卓越的研究成果,不僅豐富擴展了超掃描研究領域,也為指導社會實踐提供了重要經驗.

雖然超掃描研究的發展前景較好,但在設備的使用、選擇和實驗設計等方面仍然存在一些問題,可以在未來的研究中逐步完善這些方面,以更好地推動超掃描技術的研究發展和實際應用.

1) 在設備選擇方面,根據超掃描依托的不同腦成像技術而言,不同設備各自存在弊端,研究者可以根據不同神經成像技術的特點選擇合適的研究設備.例如fMRI超掃描具有空間分辨率較高、可探索大腦深部結構的優點;EEG超掃描具有時間分辨率高等特點.研究人員選擇性地使用超掃描設備,可充分避免某一神經成像技術的弊端對實驗過程及結果產生不良影響.另外,在檢索fNIRS超掃描文獻的過程中,并未發現大量將fNIRS超掃描技術與其他研究技術(例如tDCS和TMS)相融合的文獻,這為未來研究提供了一個很好的探索方向.其一,不同的腦成像技術測量不同的生理信號,多技術的融合可以增加數據豐富性,更全面地了解腦部結構和激活差異;另外結合多種技術也可以更好地規避單一技術的缺點,結合多技術優點,提升信號的可靠性與測量精度.其二,結合tDCS、TMS等非侵入性神經刺激技術進行研究,還可以對比刺激前后的神經激活差異.如果針對特殊人群(例如精神疾病患者)進行研究,或許可以為實際臨床應用提供具有價值的神經生理信息,以指導將來的疾病治療.因此將fNIRS超掃描技術與其他研究技術相融合具有極大的發展潛力和重要的研究意義.

2) 在實驗設計方面,可能受制于實驗設備的限制,目前超掃描研究多圍繞雙人實驗展開,未來或可嘗試開展多人活動的研究,以更好地探索互動個體的行為及大腦活動變化.

3) 在通道選擇方面,已有研究多針對感興趣腦區進行記錄,這也導致可能忽略其他腦區的激活,因此后續研究可以嘗試覆蓋更廣泛的腦區,也許會有一些意外的發現.

4) 在被試人數方面,目前大多數超掃描研究被試數量在50人以下,僅有少數研究被試量為60～80人.不充分的被試量,可能會對研究結果準確性以及外部效度產生影響.因此在未來的超掃描研究中,可適當擴大被試量,提升研究結果可靠性.

5) 在被試群體選擇方面,研究者通常選擇健康被試,而以特殊群體(例如精神障礙和自閉癥)為研究對象的超掃描文獻屈指可數.這可能與特殊群體招募困難、實驗數據采集不便以及潛在的倫理道德風險等因素有關.然而,特殊群體已經成為現代社會中不可忽視的一部分,因此針對這一部分的研究急需完善.通過對特殊群體的研究,可以幫助我們更好地理解與某類疾病有關的神經基礎,為開發治療這些疾病的方法提供幫助.此外,通過探索異常群體與正常人之間的差異,還可以對人類認知和行為的機制進行更深入的研究.最重要的是,精神疾病會對患者、家庭和社會帶來諸多負面影響.通過研究異常人群,可以改進診斷和治療的方法,提高疾病的預防和控制能力,為患者、家庭和社會提供更好的支持.這不僅可以為精神衛生領域帶來實際益處,也可以為神經科學和行為科學等領域的研究提供重要支撐,進一步推動相關領域的發展.

6) 在被試分組方面,當前研究者主要關注性別和人際關系等因素,并未針對內在特質(如人格)進行詳細分組研究.未來也可以探討不同人格特質等內在因素在神經激活方面的異同,并結合其他因素進行更為全面細致的分組研究.

7) 在參與者年齡段方面,身心發展及大腦可塑性可貫穿人的一生,但縱觀超掃描研究,大多數研究聚焦于18～40歲群體,極少有人針對老年人進行探索.因此,未來可針對老年人的認知發展及腦機制進行研究,為提升老年人的幸福生活水平提供理論依據.

8) 在實驗環境方面,目前研究大多局限在實驗室中進行,但實際生活是在自然社會中與他人實時互動,實驗室中產生的結果推廣至現實生活可能會暗含一些問題.因此,未來研究可以嘗試在自然場景中進行操作,提升生態效度.

致謝四川師范大學校級實驗設備科研項目(SYJS2021010)對本文給予了資助,謹致謝意.