多人交互同步記錄技術(shù)在大腦神經(jīng)活動(dòng)測(cè)量中的應(yīng)用*

張文莉唐紅紅劉 超買曉琴

（1中國(guó)人民大學(xué)心理學(xué)系，北京 100872） （2北京師范大學(xué)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與學(xué)習(xí)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875）

多人交互同步記錄技術(shù)在大腦神經(jīng)活動(dòng)測(cè)量中的應(yīng)用*

張文莉1唐紅紅2劉 超2買曉琴1

（1中國(guó)人民大學(xué)心理學(xué)系，北京 100872） （2北京師范大學(xué)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與學(xué)習(xí)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875）

多人交互同步記錄是一種新技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)多人的腦活動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，現(xiàn)已被越來(lái)越多地應(yīng)用到社會(huì)交互的研究中。本文從不同技術(shù)角度出發(fā)，回顧已經(jīng)發(fā)表的有關(guān)多人交互同步記錄的研究，從中可以了解不同的腦活動(dòng)記錄技術(shù)是如何被應(yīng)用到各種實(shí)驗(yàn)范式中，以及人腦間是如何動(dòng)態(tài)交互的。同時(shí)本文也對(duì)不同的多人交互同步記錄技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。鑒于該方法的優(yōu)勢(shì)，其在未來(lái)的社會(huì)交互研究中具有廣泛的應(yīng)用前景。

多人交互同步記錄，社會(huì)交互，腦活動(dòng)記錄儀器。

人與人之間的社會(huì)交互被認(rèn)為是社會(huì)認(rèn)知的核心特征。研究人腦在社會(huì)交互過(guò)程中如何動(dòng)態(tài)活動(dòng)，不僅可以深入了解我們的社會(huì)本質(zhì)，而且可以幫助改善一些人的社會(huì)生活質(zhì)量，比如自閉癥兒童。近十年來(lái)，腦成像技術(shù)取得了快速的發(fā)展，比如功能性磁共振成像 （functional magnetic resonance imaging,fMRI） 和高時(shí)間分辨率腦電（High-resolution electroencephalography,HREEG），這些技術(shù)能夠測(cè)量大腦活動(dòng)的血流量或神經(jīng)電信號(hào)，從而被廣泛地應(yīng)用到社會(huì)交互的研究中，為更深入地分析記憶、決策以及其他認(rèn)知活動(dòng)的神經(jīng)機(jī)制提供了條件。然而，以前的實(shí)驗(yàn)任務(wù)大多是孤立地測(cè)量其中一個(gè)被試的行為和神經(jīng)活動(dòng)，因此當(dāng)多名被試進(jìn)行合作、競(jìng)爭(zhēng)或交流時(shí)，他們之間的真實(shí)互動(dòng)過(guò)程并不能被直接測(cè)量到。為了更好地考察個(gè)體間進(jìn)行合作、競(jìng)爭(zhēng)等社會(huì)性行為時(shí)的神經(jīng)機(jī)制，對(duì)不同被試間的大腦交流過(guò)程進(jìn)行直接觀察是十分有必要的。研究者們已經(jīng)開(kāi)始使用一種新的方法，對(duì)社會(huì)交互任務(wù)中的不同被試進(jìn)行同時(shí)的、多人的記錄，從而直接掃描到被試交流時(shí)的神經(jīng)活動(dòng)過(guò)程，這個(gè)新的方法稱為多人交互同步記錄（hyperscanning） （Montague et al.,2002），采用的儀器包括腦電儀、功能性核磁共振儀以及近紅外光學(xué)成像儀 （Near-infrared spectroscopy,NIRS）。

1 不同儀器的多人交互同步記錄

1.1 多EEG同步記錄

所有已經(jīng)發(fā)表的多EEG同步記錄的研究，使用的都是一個(gè)實(shí)驗(yàn)室的多臺(tái)EEG設(shè)備。由于多臺(tái)EEG記錄相同的刺激信號(hào)，記錄數(shù)據(jù)時(shí)所用的采樣率也相同，并且所有的儀器都經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)，從而可以解決不同EEG系統(tǒng)的敏感性不同這個(gè)問(wèn)題。而且EEG設(shè)備相對(duì)輕便，價(jià)格又相對(duì)便宜，所以多EEG交互同步記錄更容易實(shí)現(xiàn)。圖1是多EEG同步記錄設(shè)備。

1.2 多fMRI同步記錄

多fMRI同步記錄的一個(gè)主要問(wèn)題是在同一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，很難獲得多個(gè)磁共振儀器。而且不同儀器間的某些特性 （例如局部梯度強(qiáng)度、頭線圈的靈敏度、磁場(chǎng)強(qiáng)度等）不同，都有可能會(huì)產(chǎn)生較大的相互影響 （Montague et al.,2002）。圖2是第一篇發(fā)表的多fMRI同步記錄研究中使用的裝置。

由于fMRI儀器比較昂貴，為了節(jié)約成本，使實(shí)驗(yàn)更為高效，Lee，Dai和Jones（2012）提出了一個(gè)多fMRI儀器的設(shè)想，他們采用一個(gè)新穎的雙卷頭線圈，使得一個(gè)fMRI設(shè)備同時(shí)收集兩個(gè)大腦信號(hào)的設(shè)想變成現(xiàn)實(shí)，這極大地推動(dòng)了fMRI研究技術(shù)的進(jìn)步。圖3是使用一個(gè)fMRI同時(shí)記錄兩人腦活動(dòng)的儀器。

1.3 多NIRS同步記錄

近紅外技術(shù)作為腦成像技術(shù)已被應(yīng)用到不同的研究領(lǐng)域，例如，測(cè)量血氧水平依賴 （Blood oxygen-level dependent,BOLD）反應(yīng) （Emir,Ozturk,&Akin,2008;Huppert,Allen,Diamond,&Boas, 2009）、人機(jī)接口 （Sitaram et al.,2007），以及對(duì)靜息狀態(tài)的分析 （Lu et al.,2010;White et al., 2009;Zhang et al.,2010）等。已經(jīng)發(fā)表的文章中實(shí)現(xiàn)多NIRS同步性的方法和多EEG同步記錄很相似 （Funane et al.,2011），但是設(shè)備間的不同敏感度需要一個(gè)校準(zhǔn)的過(guò)程。最近的研究提出一個(gè)解決方法，把一個(gè)NIRS設(shè)備分為兩部分，同時(shí)對(duì)兩個(gè)被試進(jìn)行記錄 （Cui,Bryant,&Reiss,2012），從而一個(gè)儀器就可以實(shí)現(xiàn)同步化。圖4就是單一儀器下的多NIRS同步記錄。

圖1 多EEG同步記錄設(shè)備。（A）多EEG設(shè)備結(jié)構(gòu)圖，可以同時(shí)收集四名被試的腦電數(shù)據(jù) （Babiloni et al.,2011）； （B）是使用兩個(gè)EEG設(shè)備對(duì)兩人腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行同步記錄 （Dumas,Nadel,Soussignan,Martinerie,&Garnero,2010）。

圖2 多fMRI同步記錄設(shè)備結(jié)構(gòu)圖 （Montague et al.,2002）。fMRI客戶端計(jì)算機(jī)控制刺激的呈現(xiàn)，將橘汁通過(guò)注射泵送到被試的嘴巴里，客戶端之間信息的交流和傳遞則由多人交互同步記錄服務(wù)器控制。

圖3 多fMRI同步記錄的新儀器 （Lee et al.,2012）.（A）雙卷頭線圈； （B）開(kāi)始同步記錄前的準(zhǔn)備。

圖4 多 NIRS同步記錄設(shè)備 （Cui et al.,2012）。

2 多人交互同步記錄的研究成果

多人交互同步記錄技術(shù)主要應(yīng)用于社會(huì)交互的研究，根據(jù)所用的測(cè)量技術(shù)各自的特點(diǎn)，可以從不同的角度去解釋社會(huì)互動(dòng)中人們的行為和大腦活動(dòng)。如EEG主要從腦電波變化的一致性，fMRI主要從大腦活動(dòng)血流量的相關(guān)性和一致性，NIRS主要從大腦含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白變化的一致性出發(fā)，解釋多人交互中的大腦活動(dòng)一致性和行為表現(xiàn)的關(guān)系以及其對(duì)行為預(yù)測(cè)的意義和作用?，F(xiàn)在該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于與博弈論、運(yùn)動(dòng)及情緒相關(guān)的社會(huì)交互研究中。

2.1 與博弈論有關(guān)的社會(huì)交互

2.1.1 簡(jiǎn)單欺騙游戲和信任游戲

研究者們最早使用多fMRI交互同步記錄技術(shù)研究與博弈論有關(guān)的社會(huì)交互。Montague等（2002）使用多fMRI同步記錄對(duì)兩被試在簡(jiǎn)單欺騙游戲中的腦活動(dòng)進(jìn)行探究，結(jié)果表明， “欺騙者（sender）”和 “被欺騙者 （receiver）”的前運(yùn)動(dòng)區(qū)均出現(xiàn)激活。這是第一個(gè)使用多fMRI同步記錄的研究。

King-Casas等 （2005）對(duì)信任游戲 （Trust Game）進(jìn)行了研究，通過(guò)對(duì)尾狀核活動(dòng)的分析發(fā)現(xiàn)被信任者的返還錢數(shù)可以很好地預(yù)測(cè)下一輪的投資。而且經(jīng)過(guò)游戲的前幾個(gè)回合，知道投資結(jié)果的被試其 “信任意圖”更加明顯。Tomlin等 （2006）研究如果在實(shí)驗(yàn)前兩玩家見(jiàn)過(guò)面，這是否會(huì)引起信任游戲?qū)嶒?yàn)結(jié)果的不同，并對(duì)兩玩家的腦活動(dòng)進(jìn)行同時(shí)測(cè)量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)被試看到自己的決策時(shí)會(huì)引起中部扣帶回區(qū)域的最大激活 （自我-特定反應(yīng)），但當(dāng)被試們看搭檔的分配結(jié)果時(shí)會(huì)引起前扣帶回和后扣帶回的最大激活，而且實(shí)驗(yàn)前見(jiàn)過(guò)面和未見(jiàn)面這兩組被試均展現(xiàn)了相同的激活模式，主要定位在扣帶回，這說(shuō)明扣帶回的激活和被試們之前的社會(huì)交流無(wú)關(guān)。有假設(shè)認(rèn)為如果這個(gè)實(shí)驗(yàn)的被試是一組和正常人區(qū)別很大的人 （比如孤獨(dú)癥），這個(gè)游戲會(huì)得出不同的腦活動(dòng)結(jié)果。

為檢驗(yàn)這樣一個(gè)現(xiàn)象，Chiu等 （2008）使用多fMRI同步記錄對(duì)信任游戲范式進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)中有兩組被試，一組是患有自閉癥障礙的病人，另一組是正常的控制組。結(jié)果表明，在多輪的信任游戲中，之前研究發(fā)現(xiàn)的高自我-特定反應(yīng)并沒(méi)有在高功能自閉癥男性的扣帶回中發(fā)現(xiàn) （Tomlin et al.,2006）。但是當(dāng)給自閉癥患者看搭檔的決策時(shí)，其扣帶回反應(yīng)和正常人一致，說(shuō)明他們的自我反應(yīng)并沒(méi)有完全消失。這表明，在多輪信任博弈游戲中，雖然自閉癥患者表現(xiàn)自己行為意圖的能力受損，但是仍能夠表征他人行為。也就是說(shuō)，盡管不能表現(xiàn)自己的意圖，但是表征他人簡(jiǎn)單行為的能力仍然存在。

因此，使用多fMRI同步記錄技術(shù)對(duì)博弈范式下被試間的交流進(jìn)行研究，可以幫助我們更好的了解自閉癥患者交流的本質(zhì)，為進(jìn)一步改善他們的交流狀況提供腦依據(jù)。

2.1.2 囚徒困境

一些研究者使用多EEG同步記錄囚徒困境范式中的腦活動(dòng)，以研究決策的神經(jīng)機(jī)制 （Astolfi et al.,2010b;Astolfi et al.,2009;Babiloni et al., 2007;De Vico Fallani et al.,2010）。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)與靜息狀態(tài)相比，在不同的任務(wù)階段，背外側(cè)、前額和眶額的頭皮區(qū)記錄的腦電更加活躍。尤其指出的是，四種條件 （純合作，純損失，一報(bào)還一報(bào)，或混合行為）中，純損失條件下被試的皮層活動(dòng)要顯著高于其他條件。通過(guò)局部定向一致性估計(jì)腦間的互動(dòng)過(guò)程發(fā)現(xiàn)，所有被試的前額頭皮區(qū)在合作條件下有更顯著的聯(lián)結(jié)，但在損失條件下幾乎沒(méi)有聯(lián)系。Astolfi等 （2010a）用高分辨率多EEG同步記錄對(duì)26對(duì)被試的腦電活動(dòng)進(jìn)行研究，采用的是囚徒困境的變式——斗雞博弈。相對(duì)于囚徒困境，該游戲在雙方共同背叛時(shí)會(huì)產(chǎn)生更嚴(yán)厲的懲罰。對(duì)功率譜的分析發(fā)現(xiàn)，與合作條件相比，損失條件和一報(bào)還一報(bào)條件下的被試在θ頻帶會(huì)產(chǎn)生更顯著的皮層活動(dòng)。

2.1.3 公共物品博弈和最后通牒博弈游戲

Chung，Yun和Jeong（2008）使用多EEG同步記錄被試進(jìn)行公共物品博弈時(shí)的腦電活動(dòng)，結(jié)果表明在做出決策前，合作者的前額頭皮區(qū)腦電活動(dòng)增強(qiáng)，這個(gè)結(jié)果和之前囚徒困境中觀察到的前額頭皮區(qū)的活動(dòng)相吻合。Yun，Yun和Jeong（2010）使用最后通牒博弈范式，發(fā)現(xiàn)額中央頭皮區(qū)高頻率帶的腦電活動(dòng)增強(qiáng)，而且分配者和接受者的腦間聯(lián)結(jié)也增多。

總之，與博弈論有關(guān)的多EEG同步記錄的研究得出了相對(duì)一致的結(jié)果，不管是囚徒困境、公共物品博弈還是最后通牒任務(wù)，被試的前額葉區(qū)都得到激活。這說(shuō)明，前額葉區(qū)是參與多人決策的一個(gè)非常重要的腦區(qū)。

2.2 與運(yùn)動(dòng)有關(guān)的社會(huì)交互

2.2.1 手部運(yùn)動(dòng)的同步交流

Tognoli，Lagarde，DeGuzman和Kelso（2007）最早使用多EEG同步記錄對(duì)手部運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)中兩個(gè)被試在看到或沒(méi)有看到彼此時(shí)做有節(jié)奏的手指運(yùn)動(dòng)的時(shí)候同步記錄他們的腦電活動(dòng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)被試可以看到彼此的時(shí)候，他們可以相互協(xié)調(diào)他們的行為。更有趣的是，研究者們發(fā)現(xiàn)了一對(duì)位于右上中央頂皮層的振蕩成分 （phi1和phi2），這對(duì)成分可以區(qū)分有效和無(wú)效的協(xié)調(diào)：獨(dú)立行為的時(shí)候phi1增加，而協(xié)調(diào)行為的時(shí)候phi2增加。此外，mu成分和理解及協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)有關(guān)，因此在調(diào)節(jié)社會(huì)交互中起著重要的作用。

Naeem，Prasad，Watson和Kelso（2012）通過(guò)操縱不同任務(wù)來(lái)看是否會(huì)產(chǎn)生mu波的同步變化，對(duì)兩被試的腦電活動(dòng)進(jìn)行同時(shí)記錄。首先被試在看不到對(duì)方手部運(yùn)動(dòng)的情況下以自己感到舒服的頻率隨意進(jìn)行手指運(yùn)動(dòng)，然后在看得到對(duì)方手部運(yùn)動(dòng)的情況下做三種手指運(yùn)動(dòng)任務(wù)： （1）保持自己的頻率運(yùn)動(dòng) （忽略對(duì)方的）， （2）和對(duì)方同步運(yùn)動(dòng)，（3）保持手指運(yùn)動(dòng)與對(duì)方有180°的相位差。結(jié)果發(fā)現(xiàn)協(xié)調(diào)程度會(huì)影響10-12 Hz的mu波活動(dòng)，尤其是在右腦的中頂葉。這種右側(cè)化機(jī)制似乎和整合雙方的共同信息有關(guān)，從而保證社會(huì)交互的動(dòng)態(tài)性。

Dumas等 （2010,2011）使用多EEG對(duì)某一時(shí)間段內(nèi)被試的手勢(shì)互動(dòng)以及相關(guān)的腦活動(dòng)進(jìn)行同步記錄，發(fā)現(xiàn)腦電波幅的同步性和兩大腦互動(dòng)過(guò)程中右中頂葉頭皮區(qū)出現(xiàn)的a波 （7-12 Hz）有關(guān)。以上關(guān)于手指運(yùn)動(dòng)的多EEG同步記錄的研究共同揭示了右中頂葉區(qū)主要負(fù)責(zé)識(shí)別和編碼他人動(dòng)作，它的激活使人們更好地實(shí)現(xiàn)和他人行為的同步。

2.2.2 按鍵反應(yīng)時(shí)被試的時(shí)間同步性

近年來(lái)，多NIRS技術(shù)取得飛速發(fā)展，越來(lái)越多的研究者開(kāi)始使用多NIRS同步記錄技術(shù)對(duì)按鍵反應(yīng)進(jìn)行研究。Funane等 （2011）要求被試們聽(tīng)到聲音線索后，在心中默數(shù)十秒做出按鍵反應(yīng)，每個(gè)反應(yīng)后都會(huì)出現(xiàn)反饋信息，被試們要根據(jù)反饋調(diào)整自己的反應(yīng)時(shí)間，以盡可能和同伴同時(shí)做出反應(yīng)。研究結(jié)果表明，兩被試大腦的同步激活情況和他們?cè)诤献魅蝿?wù)中的表現(xiàn)有關(guān)，當(dāng)兩被試前額葉皮層的激活在時(shí)間和空間上的同步性增加時(shí)，他們按鍵的時(shí)間間隔會(huì)更短。

Cui等 （2012）使用多NIRS同步收集雙人合作和競(jìng)爭(zhēng)游戲中的大腦活動(dòng)，測(cè)驗(yàn)了兩種情境下的結(jié)果，一種情境是只有兩被試按鍵的反應(yīng)時(shí)差值小于閾值時(shí)才能獲得得分，否則兩人都輸分，即要求他們合作，另一種是要求被試盡可能快的做出按鍵反應(yīng)，快的被試得分，慢的輸分，即要求他們競(jìng)爭(zhēng)。結(jié)果表明：在合作任務(wù)中，被試們右額葉皮質(zhì)的NIRS信號(hào)的聯(lián)結(jié)增多，而且聯(lián)結(jié)越多，合作表現(xiàn)越好，但在競(jìng)爭(zhēng)任務(wù)中沒(méi)有出現(xiàn)這種聯(lián)結(jié)。

Cui等 （2012）的結(jié)論告訴我們雙人合作時(shí)，他們的腦區(qū)活動(dòng)是同步的，但是這種神經(jīng)同步性是否和搭檔的性別有關(guān)呢？為驗(yàn)證這個(gè)猜測(cè)，Cheng，Li和 Hu（2015）使用多 fNIRS同步記錄對(duì)兩人（女-女,女-男,男-男）合作時(shí)的腦區(qū)同步性進(jìn)行研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在合作行為上，男-男之間的合作＞女-男之間的合作＞女-女之間的合作；在腦活動(dòng)上，當(dāng)和不同性別的搭檔 （女-男）進(jìn)行合作時(shí)，前額區(qū)（額極皮層、眶額葉皮層、左背外側(cè)前額葉皮層等）會(huì)出現(xiàn)顯著的和任務(wù)相關(guān)的腦間一致性，然而性別相同的搭檔間沒(méi)有發(fā)現(xiàn)該一致性。這說(shuō)明性別相同和性別不同的搭檔在合作時(shí)，他們的神經(jīng)活動(dòng)是不同的。

當(dāng)三個(gè)及以上人進(jìn)行交流時(shí)，領(lǐng)導(dǎo)是如何產(chǎn)生的呢？這其中的神經(jīng)機(jī)制是怎么樣的呢。Jiang等（2015）招募了11個(gè)三人組進(jìn)行無(wú)領(lǐng)導(dǎo)小組討論，同時(shí)使用多fNIRS記錄他們討論時(shí)的腦活動(dòng)，以此來(lái)研究腦間的神經(jīng)同步性是否會(huì)對(duì)領(lǐng)導(dǎo)的出現(xiàn)產(chǎn)生作用，以及神經(jīng)同步性和領(lǐng)導(dǎo)的出現(xiàn)是否和溝通的頻率或者質(zhì)量有關(guān)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，領(lǐng)導(dǎo)者-追隨者在左側(cè)顳頂聯(lián)合區(qū) （lTPJ）上的神經(jīng)同步性明顯高于追隨者-追隨者。而且，如果是領(lǐng)導(dǎo)者發(fā)起的溝通過(guò)程，那么其領(lǐng)導(dǎo)者-追隨者的神經(jīng)同步性會(huì)顯著高于由追隨者發(fā)起的溝通，這種神經(jīng)同步性主要和領(lǐng)導(dǎo)者的溝通技巧和能力有關(guān)，而不是溝通頻率。因此得出，領(lǐng)導(dǎo)之所以出現(xiàn)是因?yàn)樗麄冊(cè)谡_的時(shí)間溝通的讓人信服。

2.2.3 模仿過(guò)程中兩大腦間的聯(lián)結(jié)

之前已有研究對(duì)人類的模仿行為進(jìn)行探究，但是由于技術(shù)的限制，大多數(shù)研究都只是對(duì)模仿者進(jìn)行觀察 （Arbib,Billard,Iacoboni,&Oztop,2000;I-acoboni,2006;Molenberghs,Cunnington,&Mattingley,2009）。Holper，Scholkmann和Wolf（2012）使用多NIRS同時(shí)對(duì)模仿者及被模仿者之間的互動(dòng)進(jìn)行記錄。兩被試面對(duì)面做，用右手進(jìn)行按鍵反應(yīng)。在模仿條件下，被模仿者隨意用五個(gè)手指中的任一個(gè)按鍵，模仿者要求盡可能快地用同樣的手指按鍵?？刂茥l件下，各自按鍵即可，不需要觀察對(duì)方的按鍵情況。為了控制手指按鍵順序以及兩被試按鍵時(shí)間不同步的影響，這兩個(gè)任務(wù)后又增加了兩個(gè)相應(yīng)的任務(wù)，與模仿條件相對(duì)應(yīng)的任務(wù)中，被試要按照事先規(guī)定的手指運(yùn)動(dòng)順序進(jìn)行按鍵，比如拇指、食指、小指、中指、無(wú)名指，與控制條件對(duì)應(yīng)的任務(wù)中，兩者的手指運(yùn)動(dòng)順序被事先規(guī)定為相同的。實(shí)驗(yàn)中同時(shí)對(duì)兩被試前運(yùn)動(dòng)皮層 （premotor cortices,PMC）的活動(dòng)進(jìn)行記錄，結(jié)果發(fā)現(xiàn)： （1）和控制條件相比，模仿條件下模仿者和被模仿者的腦活動(dòng)有更大的一致性； （2）模仿條件下，與固定按鍵手指順序相比，被試自發(fā)的按鍵會(huì)引起一致性的增大。研究者進(jìn)一步使用格蘭杰 （Granger）因果分析方法對(duì)腦間的功能性聯(lián)結(jié)進(jìn)行估計(jì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)： （3）與控制條件相比，模仿條件下的Granger因果關(guān)系更大，即模仿條件下被模仿者的腦激活程度可以更好地預(yù)測(cè)模仿者的腦活動(dòng)； （4）模仿條件下，對(duì)固定手指按鍵順序和不固定按鍵順序時(shí)被試的反應(yīng)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)不固定順序時(shí)被模仿者的手指運(yùn)動(dòng)信號(hào)會(huì)在更大程度上增加Granger因果關(guān)系。

2.3 與情緒有關(guān)的社會(huì)交互

2.3.1 眼神接觸

眼神接觸被認(rèn)為是被試間交流的一個(gè)重要標(biāo)志，能夠傳遞重要的情緒信息。當(dāng)一個(gè)被試隨著另一個(gè)被試的眼神看向同一物體時(shí)，共同注意就產(chǎn)生了 （Materna,Dicke,& Thier,2008）。Saito等（2010）的研究中，屏幕上半部分是對(duì)方的眼睛，下半部分是兩個(gè)彩色球，對(duì)方眼睛注視的球或顏色出現(xiàn)變化的球是實(shí)驗(yàn)中的目標(biāo)球。實(shí)驗(yàn)任務(wù)是讓被試看向目標(biāo)球的方向，或與目標(biāo)球相反的方向，對(duì)執(zhí)行共同注意任務(wù)的兩被試進(jìn)行同時(shí)記錄。結(jié)果發(fā)現(xiàn)如果目標(biāo)球是對(duì)方眼睛注視的球，即雙方進(jìn)行分享性的、有目的的眼神交流時(shí)，兩被試的右額下回（inferior frontal gyrus,IFG）都得到明顯激活。正是這種交流，使雙方能完成那些具有共同目標(biāo)的合作性活動(dòng)，如看向同一個(gè)物體。

2.3.2 面部表情傳遞情緒

多被試進(jìn)行同一任務(wù)時(shí)，他們之間會(huì)形成一種“特定”的感覺(jué)，僅依據(jù)簡(jiǎn)單的面部表情，就可以很快地感受到對(duì)方情緒的變化。Anders，Heinzle，Weiskopf，Ethofer和Haynes（2011）對(duì)被試間情緒狀態(tài)的傳遞進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)中使用多fMRI對(duì)6對(duì)戀人被試進(jìn)行記錄，同時(shí)也對(duì)皮膚電進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果表明，和基線相比，被試們的皮膚電水平有明顯的增加，情緒的傳遞使雙方的喚醒水平都獲得提高。同時(shí)在參與傳遞和編碼面部表情的所有腦區(qū)中，發(fā)現(xiàn) “接受者 （receiver）”腦網(wǎng)絡(luò)的分布及神經(jīng)活動(dòng)水平可以很好地由 “發(fā)送者 （sender）”的來(lái)預(yù)測(cè)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中涉及的區(qū)域被定位在前顳葉、島葉及軀體運(yùn)動(dòng)區(qū)，之前已有研究者證明這些腦區(qū)和情緒、情緒體驗(yàn)有關(guān) （Hennenlotter et al.,2005; van der Gaag,Minderaa,&Keysers,2007）。而且，在 “發(fā)送者”向 “接受者”傳遞情感信息時(shí)，兩者的大腦活動(dòng)是有時(shí)序的， “接受者”腦中的信息要顯著遲于 “發(fā)送者”的。隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，這種延遲會(huì)逐漸減少，反映出 “接受者”可能會(huì)根據(jù) “發(fā)送者”做出 “調(diào)整”。

2.3.3 面對(duì)面交流過(guò)程中的神經(jīng)同步性

人類在進(jìn)化過(guò)程中早已適應(yīng)了面對(duì)面的交流，但是現(xiàn)在其他的交流方式，比如電話、郵件等越來(lái)越多地占據(jù)了我們的生活。Jiang等 （2012）使用多NIRS同步記錄的方法研究面對(duì)面交流及其他交流方式的神經(jīng)活動(dòng)特點(diǎn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)面對(duì)面對(duì)話時(shí)，兩被試的左下額葉皮層神經(jīng)的同步性激活增加，但在背對(duì)背對(duì)話、面對(duì)面獨(dú)白及背對(duì)背獨(dú)白條件下沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這種同步性。而且，面對(duì)面對(duì)話中被試間神經(jīng)的同步性主要來(lái)源于他們間的直接交流，包括多通道感覺(jué)信息及輪流對(duì)話等。這個(gè)研究說(shuō)明，面對(duì)面交流，尤其是對(duì)話，具有其他交流方式所沒(méi)有的特性，而且被試間的神經(jīng)同步性使得這種面對(duì)面交流順利進(jìn)行。

3 研究展望

3.1 多人交互同步記錄技術(shù)的特點(diǎn)

多人交互同步記錄的 “獨(dú)特”貢獻(xiàn)在于可以對(duì)社會(huì)互動(dòng)中的多名被試的腦活動(dòng)進(jìn)行同時(shí)測(cè)量，來(lái)探究被試間的腦活動(dòng)是如何同步交流的。

由于EEG技術(shù)的非損傷性、高時(shí)間分辨率以及費(fèi)用相對(duì)低等優(yōu)勢(shì)，其被廣泛應(yīng)用到社會(huì)交互的研究中，但是EEG的一個(gè)不足就是空間分辨率比較低，這也是多EEG同步記錄技術(shù)的不足。而且現(xiàn)有的多EEG同步記錄的研究大都針對(duì)腦電頻率，幾乎沒(méi)有對(duì)事件相關(guān)的腦電研究，因此在后續(xù)的研究中，可以對(duì)特定事件下多被試間大腦活動(dòng)的同步性進(jìn)行研究。綜合以上的研究可以看出，目前多EEG同步記錄技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于情緒、運(yùn)動(dòng)及各種博弈范式的研究中，并檢測(cè)到相應(yīng)的腦區(qū)激活，從而說(shuō)明多名被試進(jìn)行社會(huì)交流時(shí)，確實(shí)存在著腦活動(dòng)的同步性。

fMRI可以很好地彌補(bǔ)EEG的不足。與多EEG同步記錄相比，多核磁同步記錄的空間分辨率比較高，可以定位到具體的腦結(jié)構(gòu)，從而確定與特定任務(wù)相關(guān)的腦區(qū)，但是其局限性在于時(shí)間分辨率較低，很難區(qū)分兩大腦活動(dòng)的先后順序，而且費(fèi)用相對(duì)較高。此外，由于核磁條件下被試只能躺在里面，限制了被試的活動(dòng)，降低了生態(tài)效度。一直以來(lái)多fMRI同步記錄技術(shù)主要被用來(lái)研究博弈論，近年來(lái)也越來(lái)越多地被應(yīng)用在與運(yùn)動(dòng)、情緒及社會(huì)比較有關(guān)的研究中。其涉及的情緒實(shí)驗(yàn)及博弈范式和多EEG同步記錄采用的也有區(qū)別，從而更加補(bǔ)充證明了社會(huì)交互過(guò)程中腦活動(dòng)的同步性。

NIRS技術(shù)具有可以同時(shí)彌補(bǔ)EEG低空間分辨率和fMRI低時(shí)間分辨率的特點(diǎn)。與核磁和腦電相比，多NIRS同步記錄技術(shù)既不會(huì)因?yàn)榫嚯x遠(yuǎn)而產(chǎn)生信號(hào)干擾，也不會(huì)有運(yùn)動(dòng)方面的限制 （允許被試坐著或站著），而且相對(duì)容易使用，生態(tài)效度較高，較為經(jīng)濟(jì)。因此，基于其對(duì)運(yùn)動(dòng)和環(huán)境的低限制，能夠用于面對(duì)面、真實(shí)情境的研究中，可以在人們的真實(shí)互動(dòng)中考察大腦活動(dòng)的變化和行為變化的關(guān)系。同時(shí)也能夠使用神經(jīng)反饋 （neurofeedback）對(duì)運(yùn)動(dòng)康復(fù)、自閉癥等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和輔助治療，具有很大的應(yīng)用前景。但是其不足之處在于只能記錄頭皮表層的腦信號(hào)，無(wú)法對(duì)大腦深層次的結(jié)構(gòu)進(jìn)行定位。目前多NIRS同步記錄的研究多集中在運(yùn)動(dòng)（如模仿、按鍵反應(yīng)）、面對(duì)面交流等領(lǐng)域，涉及的任務(wù)也相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但是缺乏對(duì)博弈范式、以及表情等復(fù)雜任務(wù)的研究，這也是今后多人交互同步記錄的一個(gè)研究方向。

3.2 多人交互同步記錄研究可能的應(yīng)用

目前看來(lái)，研究者們主要運(yùn)用多人交互同步記錄技術(shù)對(duì)正常人的社會(huì)認(rèn)知 （運(yùn)動(dòng)、博弈論、表情、面對(duì)面交流等）過(guò)程進(jìn)行研究。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，可以將多人交互同步記錄技術(shù)應(yīng)用到特定疾病患者社會(huì)互動(dòng)的研究中。許多腦疾病都會(huì)影響社會(huì)交流，包括抑郁癥、自閉癥及精神分裂癥等，研究社會(huì)互動(dòng)的神經(jīng)機(jī)制，可以幫助我們更好地了解這些疾病。未來(lái)的研究可以運(yùn)用多人交互同步記錄技術(shù)，讓患者完成一些簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，從而比較正常人的皮層活動(dòng)與病人的區(qū)別。這一新的研究領(lǐng)域?qū)?huì)成為研究人類疾病的重要工具。

Anders,S.,Heinzle,J.,Weiskopf,N.,Ethofer,T.,&Haynes,J.D. (2011).Flow of affective information between communicating brains.Neuroimage,54(1),439-446.

Arbib,M.A.,Billard,A.,Iacoboni,M.,&Oztop,E.(2000).Synthetic brain imaging:grasping mirror neurons and imitation. Neural Networks,13,975-997.

Astolfi,L.,Cincotti,F.,Mattia,D.,De Vico Fallani,F.,Salinari,S., Vecchiato,G.,…,&Babiloni,F.(2010b).Simultaneous estimation of cortical activity during social interactions by using EEG hyperscannings.Conference Proceedings-IEEE Engineering in Medicine and Biology Society,2814-2817.

Astolfi,L.,Cincotti,F.,Mattia,D.,De Vico Fallani,F.,Salinari,S., Marciani,M.G.,Wilke,C.,…,&Babiloni,F.(2009).Estimation of the cortical activity from simultaneous multi-subject recordings during the prisoner′s dilemma.Conference Proceedings-IEEE Engineering in Medicine and Biology Society,1937-1939.

Astolfi,L.,Cincotti,F.,Mattia,D.,De Vico Fallani,F.,Salinari,S., Vecchiato,G.,Toppi,J.,Wilke,C.,… ,& Babiloni,F. (2010a).Imaging the social brain:multi-subjects EEG recordings during the Chicken′s game.Conference Proceedings-IEEE Engineering in Medicine and Biology Society,1734-1737.

Babiloni,C.,Vecchio,F.,Infarinato,F.,Buffo,P.,Marzano,N.,Spada, D.,…,&Perani,D.(2011).Simultaneous recording of electroencephalo-graphic data in musicians playing in ensemble. Cortex,47(9),1082-1090.

Babiloni,F.,Cincotti,F.,Mattia,D.,De Vico Fallani,F.,Tocci,A., Bianchi,L.,…,&Astolfi,L.(2007).High resolution EEG hyperscanning during a card game.Conference Proceedings-IEEE Engineering in Medicine and Biology Society,4957-4960.

Cheng,X.,Li,X.,Hu,Y.(2015).Synchronous brain activity during cooperative exchange dependson genderofpartner:A fNIRS-based hyperscanning study.Hum Brain Mapping,36 (6),2039-2048.

Chiu,P.H.,Kayali,M.A.,Kishida,K.T.,Tomlin,D.,Klinger,L. G.,Klinger,M.R.,&Montague,P.R.(2008).Self responses along cingulate cortex reveal quantitative neural phenotype for high-functioning autism.Neuron,57(3),463-473.

Chung,D.,Yun,K.,&Jeong,J.(2008).Neural mechanisms of free-riding and cooperation in a public goods game:an EEG hyperscanning study.In:International Conference of Cognitive Science,Seoul,Korea.

Cui,X.,Bryant,D.M.,&Reiss,A.L.(2012).NIRS-based hyperscanning reveals increased interpersonal coherence in superior frontal cortex during cooperation.Neuroimage,59(3),2430-2437.

De Vico Fallani,F.,Nicosia,V.,Sinatra,R.,Astolfi,L.,Cincotti, F.,Mattia,D.,…,&Babiloni,F.(2010).Defecting or not defecting:how to read human behaviorduring cooperative games by EEG measurements.PLoS ONE,5(12),14187.

Dumas,G.(2011).Towards a two-body neuroscience.Communicative&Integrative Biology,4(3),349-352.

Dumas,G.,Nadel,J.,Soussignan,R.,Martinerie,J.,&Garnero,L. (2010).Inter-brain synchronization during social interaction. PLoS ONE 5(8),e12166.

Emir,U.E.,Ozturk,C.,&Akin,A.(2008).Multimodal investigation of fMRI and fNIRS derived breath hold BOLD signals with an expanded balloon model.Physiological Measurement,29 (1),49-63.

Funane,T.,Kiguchi,M.,Atsumori,H.,Sato,H.,Kubota,K.,& Koizumi,H.(2011).Synchronous activity of two people′s prefrontal cortices during a cooperative task measured by simultaneous near-infrared spectroscopy.Journal of Biomedical Optics, 16(7),077011.

Hennenlotter,A.,Schroeder,U.,Erhard,P.,Castrop,F.,Haslinger,B., Stoecker,D.,Lange,K.W.,&Ceballos-Baumann,A.O.(2005). A common neural basis for receptive and expressive communication of pleasant facial affect.NeuroImage,26(2),581-591.

Holper,L.,Scholkmann,F.,&Wolf,M.(2012).Between-brain connectivity during imitation measured by fNIRS.Neuroimage, 63(1),212-222.

Huppert,T.J.,Allen,M.S.,Diamond,S.G.,& Boas,D.A. (2009).Estimating cerebral oxygen metabolism from fMRI with a dynamic multicompartment windkessel model.Human Brain Mapping,30(5),1548-1567.

Iacoboni,M.(2006).Visuo-motor integration and control in the human posterior parietal cortex:evidence from TMS and fMRI. Neuropsychologia,44(13),2691-2699.

Jiang,J.,Chen,C.,Dai,B.,Shi,G.,Ding,G.,Liu,L.,&Lu,C. (2015).Leader emergence through interpersonal neural synchronization.Proceedings the National Academy of Sciences of the United States of America,112(14),4274-4279.

Jiang,J.,Dai,B.,Peng,D.,Zhu,C.,Liu,L.,&Lu,C.(2012). Neural Synchronization during Face-to-Face Communication. The Journal of Neuroscience,32(45),16064-16069.

King-Casas,B.,Tomlin,D.,Anen,C.,Camerer,C.F.,Quartz,S. R.,&Montague,P.R.(2005).Getting to know you:reputation and trust in a two-person economic exchange.Science, 308(5718),78-83.

Lee,R.,Dai,W.,&Jones,J.(2012).Decoupled circular-polarized dual-head volume coil pair for studying two interacting human brains with dyadic fMRI.Magnetic Resonance in Medicine,68 (4),1087-1096.

Lu,C.,Zhang,Y.,Biswal,B.,Zang,Y.,Peng,D.,& Zhu,C. (2010).Use of fNIRS to assess resting state functional connectivity.Journal of Neuroscience Methods,186(2),242-249.

Materna,S.,Dicke,P.W.,&Thier,P.(2008).Dissociable roles of the superior temporal sulcus and the intraparietal sulcus in joint attention:A functional magnetic resonance imaging study. Journal of Cognitive Neuroscience,20(1),108-119.

Molenberghs,P.,Cunnington,R.,&Mattingley,J.B.(2009).Is the mirror neuron system involved in imitation?A short review and meta-analysis.Neuroscience&Biobehavioral Reviews,33 (7),975-980.

Montague,P.R.,Berns,G.S.,Cohen,J.D.,McClure,S.M., Pagnoni,G.,Dhamala,M.,…,&Fisher,R.E.(2002).Hyperscanning:Simultaneous fMRI during linked social interactions.Neuroimage,16(4),1159-1164.

Naeem,M.,Prasad,G.,Watson,D.R.,&Kelso,J.A.S.(2012). Functional dissociation of brain rhythms in social coordination. Clinical Neurophysiology,123(9),1789-1797.

Saito,D.N.,Tanabe,H.C.,Izuma,K.,Hayashi,M.J.,Morito,Y., Komeda,H.,…,&Sadato,N.(2010).Stay tuned:inter-individual neural synchronization during mutual gaze and joint attention.Frontiers in Integrative Neuroscience,5(4),127.

Sitaram,R.,Zhang,H.H.,Guan,C.T.,Thulasidas,M.,Hoshi,Y., Ishikawa,A.,…,&Birbaumer,N.(2007).Temporal classification of multichannel near-infrared spectroscopy signals of motor imagery for developing a brain-computer interface.NeuroImage,34(4),1416-1427.

Tognoli,E.,Lagarde,J.,DeGuzman,G.C.,& Kelso,J.A.S. (2007).The phi complex as a neuromarker of human social coordination.Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,104(19),8190-8195.

Tomlin,D.,Kayali,M.A.,King-Casas,B.,Anen,C.,Camerer,C. F.,Quartz,S.R.,&Montague,P.R.(2006).Agent-specific responses in the cingulate cortex during economic exchanges. Science,312(5776),1047-1050.

van der Gaag,C.,Minderaa,R.B.,&Keysers,C.(2007).Facial expressions:What the mirror neuron system can and cannot tell us.Social Neuroscience,2(3-4),179-222.

White,B.R.,Snyder,A.Z.,Cohen,A.L.,Petersen,S.E.,Raichle, M.E.,Schlaggar,B.L.,&Culver,J.P.(2009).Resting-state functional connectivity in the human brain revealed with diffuse optical tomography.Neuroimage,47(1),148-156.

Yun,K.,Chung,D.,&Jeong,J.(2010,June).Simultaneous EEG Hyperscanning during Linked Social Interactions of the Ultimatum Game.Organization for Human Brain Mapping,Barcelona, Spain,Poster Presentation.

Zhang,H.,Zhang,Y.,Lu,C.,Ma,S.,Zang,Y.,&Zhu,C.(2010). Functional connectivity as revealed by independent component analysis of resting-state fNIRS measurements.Neuroimage,51 (3),1150-1161.

Hyperscanning Used in the Measurement of the Brain Activity

Zhang Wenli1,Tang Honghong2,Liu Chao2,Mai Xiaoqin1
(1 Department of Psychology,Renmin University of China,Beijing 100872;2 State Key Laboratory of Cognitive Neuroscience and Learning, Beijing Normal University,Beijing 100875)

Interpersonal social interaction is considered to be a main characteristic of the social cognition.Measuring brain activity simultaneously among people when interacting is intuitively appealing if the researcher is interested in putative neural markers of social interactions.Hence,the hyperscanning,which can simultaneously record more than one brain in detail,has now been widely used in this field.The devices involved in hyperscanning include electroencephalography(EEG),functional magnetic resonance imaging(fMRI),and Near-infrared spectroscopy (NIRS).The studies which have been done with these methods are mainly focus on the following three aspects: Social interaction about the game theory contexts,movement and emotion.As a new approach in this area,there is little review published on this topic.So it is definitely difficult for the newers to have an overall understanding of this technique.This paper reviews many previous but classic studies published,from which we can learn how different recording devices could be applied to experimental paradigms and how the brains interact.As for the great advantages of this technique,it may be more widely used in the research field of social interactions.

Hyperscanning,social interaction,different recording devices.

B841.1

2015-1-1

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 （31400888）、中國(guó)人民大學(xué)科學(xué)研究基金 （中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金）項(xiàng)目 （15XNLQ05）。

買曉琴，E-mail：maixq@ruc.edu.cn。