fNIRS超扫描技术的发展及研究热点

刘小龙, 刘华芳

(四川师范大学 脑与心理科学研究院, 四川 成都 610066)

1 研究背景

神经成像技术的出现使得研究者可以从更科学的角度探索人类的脑神经机制,也为诸多心理疾病的干预和治疗提供了重要依据.神经影像技术既有广阔的发展潜力,但也存在诸多弊端.例如先前的神经影像学在研究社会互动的相关神经机制时存在2个局限性:第一,每次只能研究一个参与者的脑神经活动,无法同时评估2个大脑的动态互动,但人类社会互动多是2人及以上同时产生行为交互;第二,单脑研究生态效度较低,大多数研究在封闭实验室中进行,任务由计算机指导,然而实际社会互动是在更自然的情况下进行.有研究发现[1],与人-机互动相比,人-人互动具有更高的生态效度,在活动中可以激活更多脑区.

这些局限性在一定程度上阻碍了心理与脑科学的进展,因此,在脑成像技术的快速发展以及科研需求的催生下,超扫描技术(hyperscanning)应运而生.超扫描技术这一概念最早是由是Montague等[2]在fMRI研究中提出,是指依托不同脑成像技术,对2个或多个社会互动个体同时进行神经记录,可用于分析大脑信号间的相似性、相关性、相干性以及因果关系等;主要有基于脑电、脑磁图、功能性磁共振成像和功能性近红外光谱成像的超扫描技术等.近年来,超扫描技术发展迅速,很快成为主流认知神经科学研究手段之一,现已涉及多个研究领域,包括:模仿任务、协调任务、眼神交流任务、经济游戏、合作和竞争、自然情景下的互动等多方面.

本文首先介绍了4种依托不同脑成像技术的超扫描技术及其优缺点,随后依据合作和竞争、模仿任务、眼神交流任务、自然情景下的互动、协调任务和经济游戏6大类分别对超扫描研究的实验范式以及结论进行总结分析.文末,提出了超扫描发展面临的挑战及相关建议.

本文数据来源主要基于知网、PubMed和Web of Science文献数据库获取文献数据信息,时间为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”等作为英文文献数据库检索的主题词[3],英文文献类型不限定,发表时间限定2000年1月1日—2023年5月1日.

进一步筛选条件主要包括使用“fMRI”“EEG”“MEG”“fNIRS”等脑成像实验设备,同时符合模仿任务、协调任务、眼神交流任务、经济游戏、合作和竞争、自然情景下的互动等6大方面,并且尽量选取2000年以来的1～3区主流杂志期刊文章,最终整理文献为82篇.

2 超扫描脑成像技术与分类

根据超扫描依托的神经影像学技术的不同,可以分为功能性磁共振成像超扫描(functional magnetic resonance imaging, fMRI)、脑电图超扫描(electroencephalography, EEG)、脑磁图超扫描(magnetoencephalography, MEG)、功能性近红外光谱技术超扫描(functional near-infrared spectroscopy, fNIRS)等[4].以下针对几类脑成像技术及其优缺点进行简要介绍(见图1和表1).

表1 脑成像技术优缺点

图 1 脑成像技术时间/空间及侵入性对比

2.1 EEG超扫描EEG超扫描技术是指应用多台EEG仪器测量记录2人或多人的大脑神经电活动.EEG超扫描具有时间分辨率可达毫秒级并且可记录全脑信号的特点.但EEG不同机器敏感度差别和局域网波动等易对数据产生影响,并且其只能对头皮的微电流进行记录,无法准确定位信号来源,导致空间分辨率比较差[5-7].

2.2 fMRI超扫描fMRI超扫描技术是指同时使用多台fMRI仪器对2个或多个被试同时进行扫描.fMRI具有空间分辨率高、较高的结构准确性和较好的成像深度等优点.但因磁共振仪器体型巨大,所以很难将2台甚至多台仪器放置在同一实验室中使用,也导致生态效度较低[5],并且磁共振仪器价格昂贵,并非适用于所有实验室.另外,文献[2]的研究发现,磁共振仪器的微小差异,如梯度磁场、头部线圈敏感度以及主磁场的差异等,都可能会对扫描结果产生显著影响.

2.3 MEG超扫描MEG超扫描和以上3种超扫描技术一样,也是运用多台仪器对多人同时进行大脑活动记录.MEG具有较高的空间分辨率,并且信号传递不受脑内组织影响.但因MEG价格极其昂贵,很大程度上限制了MEG超扫描技术的应用[5].

2.4 fNIRS超扫描fNIRS超扫描技术是指同时用多个近红外仪器测量2人或多人的头部含氧血红蛋白以及脱氧血红蛋白的浓度改变,以此探知大脑的活动变化.fNIRS超扫描与fMRI超扫描、EEG超扫描、MEG超扫描相比,具有应用场景广、对受试者要求低等诸多方面的优势:

1) 在购买方面,fNIRS的价格相对中等,通常在数十万至数百万元之间,比fMRI更为便宜,因此大多数实验室都能够负担得起这项费用;价格方面的优势也为近年来fNIRS超扫描的蓬勃发展提供了前提条件.

2) 在应用场景方面,超扫描技术致力于探索互动中个体的神经激活,而fNIRS具有便携可灵活移动这一大优点,实验场景并不局限于实验室内,可以在更为自然的情境(如演奏和睡眠)中开展,因此在生态情境适用性方面,fNIRS超扫描较其他研究方法具有很强的优势[5,8].

3) 在受试者要求方面,fNIRS对被试要求较低,允许参与者在实验过程产生肢体活动,因此特别适用于以低龄儿童、老人以及特殊人群为研究对象的脑功能成像研究.

4) 在参与者实验感受方面,fNIRS具有良好的参与体验,具有无创性的特点,并且在实验过程无噪声产生,也允许参与者在实验过程中有部分身体活动.

5) 在技术层面,fNIRS时间分辨率较高,能够敏锐捕捉到不同时间段的神经变化,并且对实验过程中被试产生的动作不是特别敏感,比其他神经成像技术对运动伪影更有耐受性.

但fNIRS也具有一些缺点,例如空间分辨率较低,以及探测深度只能达到皮质表面,因此若要探究大脑内部深部结构问题,还需使用fMRI等设备进行研究.

3 fNIRS超扫描技术主要研究领域

fNIRS技术是一种无创的脑功能成像技术,通过测量脑部皮质区域的血氧含量变化来反映脑区活动的变化[9].该技术基于光学原理,利用近红外光(NIR)穿透头皮和颅骨,被血红蛋白和氧合血红蛋白吸收,测量其反射和散射的光强度,从而推断出血红蛋白和氧合血红蛋白的含量及其比值,进而反映脑血流量和脑氧合水平的变化[9-10].fNIRS技术具有响应速度快、无创、便携、适用于婴幼儿和运动状态下的脑功能成像等优点[11].

fNIRS超扫描技术就是基于以上原理,同时用多个近红外仪器测量2人或多人的头部含氧血红蛋白以及脱氧血红蛋白的浓度改变,对2个或多个社会互动个体同时进行神经记录,进而分析参与者大脑信号间的相似性、相关性以及因果关系等.

fNIRS技术的应用范围广泛,包括神经科学、心理学、运动科学、康复医学和人机交互等领域.在神经科学中,fNIRS技术可以用于研究脑区活动的时空特征、功能连接、注意力、记忆和情绪等方面[12-13];在心理学中,fNIRS技术可以用于研究决策、认知控制和情绪调节等方面[14];在运动科学中,fNIRS技术可以用于研究运动控制和运动学习等方面[15];在康复医学中,fNIRS技术可以用于评估和干预脑损伤后的恢复情况[16-17];在人机交互中,fNIRS技术可以用于研究人机交互的认知和情感过程[11,18].此外,fNIRS技术应用场景也较为宽泛,例如可以在实验室中探索被试在合作任务中的决策反应[19],也可以在音乐厅记录2位小提琴手在演奏时的大脑激活[20],还可以在医院中探索新生儿情感韵律加工的神经机制[21].

社会互动主要涉及社会决策和社会交流两方面[22].社会决策重点关注人们在互动情境中所做出的与博弈有关的行为,例如合作与竞争、经济游戏等;社会交流又可以划分为表情交流(如眼神交流)和动作交流(如模仿与协调)等.因当前关于表情交流以及动作交流的超扫描研究范式多使用研究者预先设定的程序进行,可能与真实场景存在差异,所以本文将自然情景下的互动作为社会交流中单独的部分进行说明.

在超扫描研究中,fNIRS可以用于探究多个个体之间的脑活动同步性、交互作用以及群体决策等问题.近年来,随着科研设备的完善和发展以及研究者们对互动情境下神经机制的深入探索,关于fNIRS超扫描研究的文章越来越多,涉及的领域也不断拓宽.本文已经覆盖了大多数fNIRS超扫描研究领域,但并非全部涵盖.例如,社会交流除表情交流和动作交流外,还包括言语交流等方面.但由于目前对该方面的研究不多,因此本文关于言语交流方面的超扫描表述相对较少.

综上,本文将fNIRS超扫描应用划分为以下6种,即:合作与竞争、模仿任务、眼神接触、自然情景下的互动、协调联合任务和经济游戏.

3.1 合作与竞争合作和竞争是人际交往的2种基本形式.合作是指通过与他人的互动,从而达到共同目的,实现特定共同利益的行为.合作能够支持群体感,并可能增加自我效能表现、人际凝聚力和一般社会幸福感.竞争是指个体在群体活动中试图压倒对方、战胜对方的心理需求和行为活动.在竞争中,个体努力维护自身利益,不惜牺牲他人利益.

近年来,研究者通过按键反应[19,23-24]、联合绘图任务[25-26]、非目标刺激中识别目标刺激[27-29]和磁盘游戏[30]等实验范式,对合作与竞争活动进行了诸多研究,也发现了很多一致性的成果(见图2).

文献[19]在一项实验中设置了合作、竞争、单独被试1和单独被试2共4种实验任务,在合作条件下,要求被试在绿色圆圈出现后按下应答键,当2名被试的反应时间之差小于给定阈值时,可得一分,反之丢一分.随后屏幕会出现反馈信息告知2名被试反应快慢,以供被试调整按键时间,以便获得高分.研究结果表明,在合作中,右侧上额叶皮层的脑间一致性(INS)显著增强,并且脑间一致性的提高也伴随着合作绩效的提升.文献[23]的研究同样运用fNIRS超扫描进行相同的实验范式,结果发现情侣之间的合作行为比朋友和陌生人组之间的合作行为更好,并且和文献[19]研究结果类似,都在右侧上额叶皮层识别到脑间一致性的显著增加.

图 2 合作与竞争实验操作[24]

已有众多研究表明,在合作过程中,同伴之间的大脑活动会出现同步,这种神经同步是否会受制于性别的影响,值得研究者们探讨.目前,已有众多研究揭示了男性与女性合作行为的差异.文献[31]运用按键反应研究伴侣为异性或同性时的合作差异,结果证实在异性伴侣合作中,额叶区域出现显著的脑间一致性激活,而同性合作中,则没有这种激活.文献[32]的研究也证实了这一观点,他们运用fNIRS超扫描对按键中的被试进行记录,结果表明异性在合作过程中,右额极和右下前额叶皮层表现出明显的激活.此外,文献[31-32]也都发现合作任务中,组合中有一名男性或者2名都是男性时的合作程度显著高于2名女性的组合.与文献[31]的研究相比,文献[32]还发现了同性在合作任务中的激活差异,具体表现为:2名女性合作时,右侧颞叶皮层脑间一致性显著增加;而2名男性合作时,脑间一致性显著增加的位置位于右下额叶.但不同的是,另外一项研究[33]却发现只有在2名男性合作中才能观察到左下额区明显的脑间一致性激活,并且2名男性组合在合作和竞争中的脑间一致性差异明显大于其他性别组合.关于性别影响合作和竞争状态的研究,既有助于深入了解在自然情境中的人际合作与竞争中,性别构成对脑间一致性激活的影响,也可以为使用超扫描技术理解人类互动提供多方位见解.

不仅内在特征性格和性别组成等会影响合作中的互动,有研究证明外界反馈也会影响合作中的大脑激活.文献[27-29]使用fNIRS超扫描记录主试给予被试虚假反馈后被试的行为与大脑反应.文献[29]的研究采用正向反馈,即告诉被试“有良好的合作”,结果发现反馈操作后,被试反应速度加快,背外侧前额叶皮层的脑间连通性增强.而在文献[27]的研究中,采用相反的方式,向被试呈现负向反馈,即告诉被试“糟糕的合作”,结果发现负反馈诱发了背外侧前额叶皮层部位脑间连通性减少.由此可知,外部反馈可以调节行为和大脑的反应,具体来说:正向反馈增加背外侧前额叶的脑间连通性,反之降低.

总的来说,诸多学者使用超扫描技术为探索合作与竞争过程中的神经激活做出了巨大贡献,并且形成的诸多实验范式也为后人所借鉴使用.纵览前人的研究,大部分学者表明:在合作活动中,被试双方往往会在额叶区域出现较为显著的脑间一致性激活.此外,也确定这种同步性的激活会受到反馈条件以及性别和成员组成等因素的影响.现已形成的关于合作任务较为统一的研究结论,为后人在此领域的探索提供了充分借鉴和依据.

然而,对于竞争活动的探究却不如合作任务充分,因此对于竞争任务所激活的脑区目前存在较多争议,分析来看,这或许与竞争情境的复杂性以及实验设计的差异有关.此外,当前研究普遍采用性别(例如男男、女女和男女)以及人际关系(例如朋友、情侣和陌生人)进行分组,未有研究探讨不同人格特质等内在因素会为合作与竞争活动带来怎样的神经激活差异.

在今后的研究中,一方面可以致力于完善与竞争活动有关的实验范式,加强该领域的探索,早日形成较为统一的结论.另一方面,也需要跨越普通分组的范围,探索不同人格特质和社会价值取向等内在因素对合作与竞争任务的影响.

3.2 模仿任务人类模仿行为是指在观看一次或几次之后,模仿他人一系列动作或行为的能力.模仿已被证明在婴儿发育[34]和社会认知[35]等方面发挥着至关重要的作用.在日常生活中,模仿是我们学习知识、与他人进行社会互动和交流的重要基础,不仅可以促进我们对信息的理解和行为的习得,也可以更好地了解世界[36].

已有研究[7,37-38]表明,在社会互动中的情绪感知和运动协调主要与镜像神经元(MNS)和心智化系统(MS)有关.镜像神经元系统由初级运动皮层、颞上回、额下回和顶下小叶等区域组成,通常涉及动作的协调和模仿;心智化系统主要由前额皮层和颞顶联合区等区域组成,通常在推断和理解他人意图中发挥作用,例如自然社会中的互动和经济游戏等.

超扫描技术的众多优点使得研究者可以更深刻地探查镜像神经元系统是如何在模仿与动作协调中起作用的[22].文献[39]以即时模仿面部表情为任务进行了超扫描功能磁共振成像,在实验中被试模仿3种面部表情,分别为快乐、悲伤和中立情绪.研究结果证实,右顶下小叶通过相互模仿作用,在分享动作表征中起着关键作用,并且被试间模仿交互过程中,增强了右顶下小叶的脑间同步.同样的,文献[40]的研究也表明顶叶区域在互动模仿中的重要性.他们在被试手部模仿过程中运用EEG超扫描记录脑神经活动,发现互动同步状态与右侧中央顶叶之间的alpha-mu带的脑间同步网络出现相关,这些区域被认为在社会互动中起着关键的作用.此外,文献[40]还指出2个顶叶区之间存在功能不对称性.文献[41]的研究也充分证实了在模仿互动学习中,镜像神经元系统所发挥的重要作用(见图3).研究者通过fNIRS超扫描记录被试模仿唱歌时的大脑活动状态,发现在互动学习任务中,从双侧下额皮层记录到的大脑活动在模仿者和被模仿者之间同步进行.此外,当模仿者观察被模仿者以及进行更积极的互动模式时,此皮层的大脑激活尤其明显.文献[41]还发现这种脑间一致性的激活,还可以预测模仿者的行为表现.

图 3 模仿任务实验操作[41]

但并非所有研究者的结论均指向镜像神经元系统所涉及的脑区.例如一项关于脑磁图超扫描的研究[42]发现,当母亲和孩子之间进行轮流口头模仿任务时,母亲和孩子之间的社会互动显著增强了顶叶和额叶区域的脑间活动.

总体来看,大多数研究结果都表明:在模仿过程中,主要激活镜像神经元系统,包括额下回和顶下小叶等区域.这也肯定了前人关于镜像神经元系统的组成以及作用的探索和结论.

模仿是我们日常生活中非常重要的一种能力,也是我们可能会无意识表现出来的行为.模仿贯穿于我们学习生活的方方面面,但当前研究十分不足,仅局限于表情模仿和动作模仿等.在检索超扫描文献的过程中也发现,该领域已发表文献量甚至不足合作与竞争领域的三分之一.另一方面,现有研究肯定了镜像神经元系统在模仿行为中的重要作用.但模仿涵盖表情模仿、动作模仿和言语模仿等,当进行不同方面的模仿行为时,是否会显著激活镜像神经元系统的某一个脑区是非常值得探讨的问题.但由于文献量的限制,当前无法对此做出完整总结.

展望未来,学者们可以开拓模仿行为的其他范畴,将在模仿行为中发挥重要作用的镜像神经元系统进一步进行功能细分,并早日形成一致性结论,帮助大家更好地认识到不同模仿行为所带来的大脑激活差异.

3.3 眼神接触眼神接触是人类非语言交流的重要渠道,有学者表示,婴儿会根据凝视交流经验调整对成年人目光注视的使用,并且眼睛接触的早期发展也是后来社交技能发展的重要基础[43-44].超扫描的诞生,使得研究者可以深入探讨眼神接触的脑神经机制.

眼神接触可以分为双方眼神的直接接触和眼神对于图画等的间接接触.已有研究者证实,2种不同的眼神接触方式,激活的大脑区域也有差异.Hirsch等[44]运用fNIRS超扫描将2名参与者之间直接眼神接触的神经效应和注视面部静态眼睛图像的神经效应相比较,结果证实眼-眼接触相关的脑内神经活动大于眼-图凝视相关的神经活动,并且与眼-图凝视相比,眼-眼接触中左额叶区域功能连接更敏感.相似的一项研究[45]也发现,相对于直接注视动态人脸视频,眼对眼真实接触时配对脑间一致性激活更显著.但与文献[44]的结论不同的是,文献[45]认为脑间一致性显著增加的区域在于角回,而非额叶.

不仅直接眼神接触和间接眼神接触会造成不同皮层区域的激活,有研究表明眼神接触的不同距离和方向也会产生激活差异.文献[46]通过fNIRS超扫描探讨不同空间距离和注视方向等非语言因素对人际沟通的影响以及对脑间神经的影响的研究发现,更近的空间距离和更直接的凝视角度可以增强脑间神经同步,优化大脑间的信息传递,改善交流结果(见图4).文献[47]的研究也发现在社交游戏中配对的直接凝视在脸部暴露时明显增强背内侧前额叶的血液动力学反应.

图 4 眼神接触/眼神交流实验操作[46]

关于眼神交流任务检索到的文献量和上一部分模仿任务类似,都较少,但也可以看出作为新兴研究领域,这2个方面的研究前景非常广阔.文献量虽少,但现有研究较为完善地涵盖了眼神活动的控制变量,即直接与间接和距离与方向的问题;并且现有实验范式以及相关结论对于后人在此领域的探索都是很有价值的借鉴.

由于目前针对眼神接触的超扫描研究并未开展很多,因此关于激活脑区也未形成统一定论.这也启示我们,未形成一致结论的原因可能与实验范式、注视时间以及实验材料等方面紧密相关,这对于学者日后开展类似研究是极其重要的参考.

在后续的科研中,研究者们可以致力于开发更多的眼神交流实验范式,完善实验手段.此外,大家或许都有与陌生人眼神接触会躲闪以及害羞的人更容易不敢直视他人眼睛的体验,所以未来研究可以尝试从熟悉度(如情侣、朋友或陌生人)以及人格特征(如内向和外向)的角度进行分组,探求不同人际关系以及不同人格特质的神经激活差异,不断推进与眼神接触相关的跨脑神经耦合功能和机制的理解.

3.4 自然情景下的互动在“模仿任务”部分已经提出,社会互动中的运动协调以及情绪感知主要与我们的2个系统有关,分别是镜像神经元系统和心智化系统.镜像神经元系统包括额下回和顶下小叶等脑区,主要在动作协调以及模仿中起作用;心智化系统包括前额皮层和颞顶联合区等脑区,在推断和理解他人语言意图等方面发挥作用.在自然情景下的互动,既需要理解他人语言或行为,也需要及时作出动作或心理的协调,因此,在人际互动中,镜像神经元系统以及心智化系统都有可能被激活,以下研究也充分证实了这一点.

文献[48]运用fNIRS超扫描测量2个大脑的神经活动,检验面对面交流和其他类型交流之间的神经差异,结果证实在面对面交流时,左下额叶的神经同步显著增加(见图5).类似研究[49]也发现当配对在合作唱歌或者哼唱的时候,左下额叶皮层也出现了脑间一致性激活.这可能是因为在面对面交流或者一起唱歌时,我们需要对他人的行为做出反应,进而调整自己的动作状态,从而激活了镜像神经元系统.

图 5 自然情景下的互动实验操作[48]

在自然情景互动中,领导者角色具有重要的作用,可以引导活动的走向甚至影响工作的最终结果.文献[20]运用fNIRS超扫描同时测量一对小提琴手合奏或独奏古典音乐时的大脑活动,研究者通过音乐作品的选择,诱导分出领导者(第一小提琴手)和追随者(第二小提琴手)的角色.结果发现扮演追随者的音乐家在合奏条件下在颞顶叶有更大的氧合血红蛋白激活.文献[50]的研究也发现在左侧颞顶交界处,存在领导者小组的脑间一致性激活高于无领导者小组;并且还发现,在特定时期基于脑间一致性激活和沟通频率,可以成功预测领导力.以上研究通过针对领导者角色的探索证实了心智化系统的颞顶叶区域在自然互动中的重要机能.

日常生活中,我们或许都遇到过“鸡尾酒会效应”,例如在嘈杂的环境中准确捕捉到他人呼唤自己名字的声音.针对这一奇特现象,诸多研究运用fNIRS超扫描进行了探索.文献[51]通过录制演讲者音频,随后添加不同等级噪声后播放给听众进行研究.在音频播放中,听者左侧额下回、右侧颞中回和角回的神经耦合明显高于基线.随后,文献[52]进一步探索人们如何适应在噪声中理解非母语语音信息,结果发现对非母语语音的处理也与基于听者-说话者的神经耦合有关.另外,文献[53]的研究也证实在多说话者情境中,听者与被关注的说话者在左侧颞顶交界处的脑间一致性有选择性地增强,并且进一步指出,言语反应发生之前,这种听者与说话者的脑间一致性就已经出现了显著增加.

另外,在学校日常教学活动中,超扫描研究在监控教学过程、预测教学效果以及识别教学影响因素等方面都发挥着重要的作用,也有学者[4,54]建议未来的研究者可以更多地关注不同学习水平的学生大脑的互动机制及人际神经科学方法应用于技能教学及线上教学评估的巨大潜力.而在日常生活中,文献[55]的研究表明大多数的亲子互动会激活大脑前额叶皮层,同时因互动任务和父母性别等的不同有所差异,并提议未来可以充分挖掘fNIRS超扫描技术在亲子共读、亲子依恋和特殊儿童的亲子互动等方面的研究潜力.

此外,还有研究证明了心智化系统的其他脑区在情景互动中的作用.例如文献[56]观察到被试在面对面玩积木时,前额叶出现脑间一致性的显著增加.还有学者进行了一项有趣的研究,主试邀请76名单身异性恋大学生进行了19次快速约会,结果表明在快速约会(而不是阅读任务)中,背外侧前额叶皮层的人际神经同步预测了是否发展成情侣的结果.同时,文献[57]指明社会吸引力(而不是身体吸引力)会影响快速约会期间的人际神经同步,并且显著预测背外侧前额叶的脑间一致性激活.

关于自然情景下的互动,已有大量文献发表并取得丰硕的研究成果.目前研究领域已经扩展至生活互动、学校学习和日常交流等多个方面.这些研究证实了镜像神经元系统和心智化系统在自然情景互动中扮演着重要角色,并为我们的实践活动提供了诸多指导,例如指导教学、预测教学成果等.

尽管目前的研究已经在日常生活的许多方面对自然情景下的互动进行了探究,但互动的范围非常广泛,既可以是简单的人际交流,也可以是彼此通过努力达成共同目标的过程,因此,在未来还可以进一步探究其他领域的互动研究.

此外,虽然之前的研究已证实自然情景互动主要涉及镜像神经元系统和心智化系统,但这2个系统涉及较多脑区,而现有研究并没有明确具体脑区.通过日后的大量研究,可能会帮助我们更准确地定位某类活动所激活的代表性区域.

相比于其他按照预先设定程序进行的实验室研究,自然情景下的互动探究具有更大的实践内涵.因此,研究者可以更多地探讨结果的实践意义,并将实验结论推广至实践中,更好地指导我们的日常活动.

3.5 协调联合任务协调任务需要2人或多人共同进行,他们在相同目标下一起行动,这类任务主要是探讨行为同步和脑活动同步的关联性.在日常生活中,很多活动都和协调任务有关,例如文献[58]发现母子合作中右侧背外侧前额叶和额极PFC的脑间一致性显著提高.文献[25]发现篮球运动员在协作任务中在背外侧前额叶区域也被观察到有显著的人际神经同步.

联合行动可以使个体在时间和空间上相互协调,以实现共同结果.这种互动通常包括2个关键要素:共同目标和行动协调.针对这2个成分在联合协调行动中所起的作用机制尚不明确的问题,文献[59]采用fNIRS超扫描进行了研究(见图6).实验中他们将共享目标作为互补型联合行动,行动协调作为模仿型联合行动.通过让被试进行联合绘图任务发现,下额叶在联合行动中具有重要作用,且其子成分在脑区上有明显的偏侧化,具体表现为右下额叶皮层的脑间一致性激活更多对应共享目标,而左下额叶皮层的脑间一致性激活更多对应行动协调.

图 6 协调/联合任务实验设计[59]

团队创造力的提升与团队成员的协调方式也密切相关.文献[60]在被试运用不同交流模式进行创造性替代使用任务时,使用fNIRS超扫描进行记录.结果证实轮流创造条件下的独特性显著更好;并且fNIRS生理数据显示,在轮流创造条件下,右脑角回的人际大脑同步增量也显著高于其他条件.文献[61]利用fNIRS超扫描探讨不同反馈对群体创造性表现的影响,结果发现在积极反馈条件下,额极和双侧背外侧前额叶的脑间一致性增量与群体创造性表现一致,证实了积极反馈比消极反馈更有利于群体创造性发展的观点.此外,文献[62]的研究还表明性别也会影响群体创意的产生.研究发现女性-女性组在创造性替代使用任务过程中右侧后顶叶皮层脑间一致性激活增量高于其他性别组合,这与她们较高的创造性表现相一致.

群体内的不良协调方式还可能产生群体极化.文献[63]证实群体极化伴随着双侧前额叶区和左颞顶叶交界处平均脑间同步性的增强,并且右侧前额叶在群体极化的风险性转变中平均脑间同步性增强更加显著.

总体而言,大多数学者认为在协调联合任务中,主要激活额叶区域,这与合作活动的神经激活相似.这可能是因为这2类活动都与行动协调有关,并需要观察他人的行为同时调节自身反应.在该领域检索到的文献量比模仿行为稍多,但与合作和竞争领域相比,文献量仍然存在较大差距.这可能与实验范式较为复杂,不易开展有关.

未来的研究可以专注于开发一些简单实用的实验范式,以进一步丰富与协调联合有关的实验研究.此外,已知协调联合行为与合作行为存在诸多联系,后续的研究可以进一步深入探讨这2种活动在行为改变和神经激活方面的异同.

3.6 经济游戏信任游戏是经济交换游戏的一个重要实验范式,其中参与者1会给参与者2部分钱款,随后参与者2决定是否返还以及返还多少给参与者1.文献[64]的研究发现一个玩家所表达的互惠性强烈地预测了他们伙伴所表达的未来信任,并且这一行为发现反映在背侧纹状体的神经上.文献[65]关于fMRI超扫描的研究发现副扣带皮层在建立可信关系中起着重要作用,文献[66]的研究也证明了经济交流中扣带皮层的因子特异性反应.

囚徒困境游戏[67-69]逐渐成为经济游戏常用的实验范式,其需要2个参与者在游戏中同时做出自己的决定,通常包含3种实验条件:双赢、双输和以牙还牙.文献[67]关于EEG超扫描的研究发现,与玩合作或针锋相对策略的配对相比,背叛者配对的超脑网络的脑间联系明显较少.此外,文献[70]的研究创新性地将囚徒困境应用于抑郁倾向与社会合作的研究,结果表明高抑郁倾向被试比低抑郁倾向被试的合作率更低,同时双侧背外侧前额叶的激活也更弱.该研究为理解抑郁症患者与他人合作意愿的降低提供了新的脑成像证据.

最后,通牒实验范式[71-72]也被经常使用,该范式涉及2个角色:提议者与接受者.实验中2人对一笔金钱进行分配,提议者分配后要求接受者决定是否接受对方的提议.若接受,则按照提议者提出的方案进行金钱分配;若不接受,则双方均无收益.文献[71]的研究发现在面对面的经济交流中,右侧颞顶联合区有较强的脑间同步,且随游戏双方共享意愿的增加而增加.文献[14]采用修订版的最后通牒任务[73],也就是“若接受者认为金钱分配不合理,可以对提议者采取惩罚措施,接受者每拿出1元,提议者相应减少5元”,同时结合fNIRS超扫描技术对社会互动视角下人际公平形成的脑机制进行探索.结果表明惩罚条件下右侧背外侧前额叶皮层、顶下小叶和颞-顶联合区的脑间活动同步性都要显著强于无惩罚条件,而且修订条件的分配金额差异越大,右侧顶下小叶的脑间活动同步性差异也越大.文献[14]的研究扩展了修订版的最后通牒任务应用,也为探讨人际公平的内在机制提供了新的研究视角.

文献[74]探索性地将经济游戏与实际生活相结合,运用fNIRS超扫描对独生子女如何影响信任互动中的人际大脑同步性进行探索,行为结果表明独生子女组比非独生子女组产生较少的合作决定,脑成像结果表明独生子女组的内侧前额叶皮层的人际同步性明显弱于非独生子女组.文献[75]的研究还发现博弈策略中的虚张声势与右角回有一定的关系.此外,文献[76]的研究还证实经济游戏欺骗中存在性别差异(见图7).

图 7 经济游戏类别的实验设计[76]

总体来看,关于经济游戏的超扫描研究已经形成了诸多较为统一的实验范式,而且这些实验范式非常有趣,能够牢牢抓住实验者的注意力.该领域成熟的研究,不仅为后人开展类似实验提供了优秀的样例,并且这些实验范式也为其他学者在实验范式上进行个性化修改提供了借鉴和帮助.

但是由于实验范式不同,研究程序会有较大差异,所以关于经济游戏所激活的脑区目前还未有一致性结论.除此之外,现有研究多用性别作为分组条件,但已有研究[77]表明不同人际关系(如情侣、朋友和陌生人)在经济游戏中的欺骗行为会有显著差异.因此,期待未来会有更多的研究者从事此类研究,并且探索不同人际关系在其中的影响,早日发现激活显著的代表性脑区.

4 总结与展望

超扫描研究可以同时对多人大脑活动进行记录的特点使得这一研究技术快速发展并广泛运用.研究者们针对合作与竞争、模仿任务、眼神交流任务、自然情景下的互动、协调任务和经济游戏等各方面进行了深入研究,产生了诸多卓越的研究成果,不仅丰富扩展了超扫描研究领域,也为指导社会实践提供了重要经验.

虽然超扫描研究的发展前景较好,但在设备的使用、选择和实验设计等方面仍然存在一些问题,可以在未来的研究中逐步完善这些方面,以更好地推动超扫描技术的研究发展和实际应用.

1) 在设备选择方面,根据超扫描依托的不同脑成像技术而言,不同设备各自存在弊端,研究者可以根据不同神经成像技术的特点选择合适的研究设备.例如fMRI超扫描具有空间分辨率较高、可探索大脑深部结构的优点;EEG超扫描具有时间分辨率高等特点.研究人员选择性地使用超扫描设备,可充分避免某一神经成像技术的弊端对实验过程及结果产生不良影响.另外,在检索fNIRS超扫描文献的过程中,并未发现大量将fNIRS超扫描技术与其他研究技术(例如tDCS和TMS)相融合的文献,这为未来研究提供了一个很好的探索方向.其一,不同的脑成像技术测量不同的生理信号,多技术的融合可以增加数据丰富性,更全面地了解脑部结构和激活差异;另外结合多种技术也可以更好地规避单一技术的缺点,结合多技术优点,提升信号的可靠性与测量精度.其二,结合tDCS、TMS等非侵入性神经刺激技术进行研究,还可以对比刺激前后的神经激活差异.如果针对特殊人群(例如精神疾病患者)进行研究,或许可以为实际临床应用提供具有价值的神经生理信息,以指导将来的疾病治疗.因此将fNIRS超扫描技术与其他研究技术相融合具有极大的发展潜力和重要的研究意义.

2) 在实验设计方面,可能受制于实验设备的限制,目前超扫描研究多围绕双人实验展开,未来或可尝试开展多人活动的研究,以更好地探索互动个体的行为及大脑活动变化.

3) 在通道选择方面,已有研究多针对感兴趣脑区进行记录,这也导致可能忽略其他脑区的激活,因此后续研究可以尝试覆盖更广泛的脑区,也许会有一些意外的发现.

4) 在被试人数方面,目前大多数超扫描研究被试数量在50人以下,仅有少数研究被试量为60～80人.不充分的被试量,可能会对研究结果准确性以及外部效度产生影响.因此在未来的超扫描研究中,可适当扩大被试量,提升研究结果可靠性.

5) 在被试群体选择方面,研究者通常选择健康被试,而以特殊群体(例如精神障碍和自闭症)为研究对象的超扫描文献屈指可数.这可能与特殊群体招募困难、实验数据采集不便以及潜在的伦理道德风险等因素有关.然而,特殊群体已经成为现代社会中不可忽视的一部分,因此针对这一部分的研究急需完善.通过对特殊群体的研究,可以帮助我们更好地理解与某类疾病有关的神经基础,为开发治疗这些疾病的方法提供帮助.此外,通过探索异常群体与正常人之间的差异,还可以对人类认知和行为的机制进行更深入的研究.最重要的是,精神疾病会对患者、家庭和社会带来诸多负面影响.通过研究异常人群,可以改进诊断和治疗的方法,提高疾病的预防和控制能力,为患者、家庭和社会提供更好的支持.这不仅可以为精神卫生领域带来实际益处,也可以为神经科学和行为科学等领域的研究提供重要支撑,进一步推动相关领域的发展.

6) 在被试分组方面,当前研究者主要关注性别和人际关系等因素,并未针对内在特质(如人格)进行详细分组研究.未来也可以探讨不同人格特质等内在因素在神经激活方面的异同,并结合其他因素进行更为全面细致的分组研究.

7) 在参与者年龄段方面,身心发展及大脑可塑性可贯穿人的一生,但纵观超扫描研究,大多数研究聚焦于18～40岁群体,极少有人针对老年人进行探索.因此,未来可针对老年人的认知发展及脑机制进行研究,为提升老年人的幸福生活水平提供理论依据.

8) 在实验环境方面,目前研究大多局限在实验室中进行,但实际生活是在自然社会中与他人实时互动,实验室中产生的结果推广至现实生活可能会暗含一些问题.因此,未来研究可以尝试在自然场景中进行操作,提升生态效度.

致谢四川师范大学校级实验设备科研项目(SYJS2021010)对本文给予了资助,谨致谢意.