超掃描技術(shù)在社會(huì)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)中的作用

(深圳大學(xué)心理與社會(huì)學(xué)院；深圳市情緒與社會(huì)認(rèn)知科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(深圳大學(xué))，深圳 518060)

1 引 言

社會(huì)互動(dòng)在人際交往中起著非常重要的作用(Schilbach et al.,2012)，然而其神經(jīng)機(jī)制卻未得到深入闡明。一種旨在研究人類社會(huì)互動(dòng)的新的神經(jīng)機(jī)制測(cè)量方式——多人同步交互掃描(hyperscanning，后文直譯為“超掃描”)應(yīng)運(yùn)而生。它以腦與腦之間的耦合為基礎(chǔ)，在特定的動(dòng)作或認(rèn)知活動(dòng)中對(duì)兩名或多名被試間的交互作用和腦活動(dòng)進(jìn)行同步記錄(Babiloni & Astolfi,2014;Koike,Tanabe,& Sadato,2015)，揭示社會(huì)互動(dòng)的大腦機(jī)制，并逐漸成為社會(huì)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究的焦點(diǎn)(鄭麗莉,成曉君,胡誼,李先春,2015;Scholkmann,Holper,Wolf,& Wolf,2013)。超掃描技術(shù)由來已久，Duane和Behrendt (1965)在證明“超感”溝通存在的實(shí)驗(yàn)中，便首次使用了超掃描技術(shù)對(duì)多名被試的神經(jīng)活動(dòng)進(jìn)行同步記錄，但“超掃描”概念則是Montague等人(2002)在探討社會(huì)互動(dòng)的fMRI研究中首次提出。超掃描技術(shù)幾乎可以依托所有的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)設(shè)備，如功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)、腦電圖(electroencephalographic,EEG)、腦磁圖(magnetoencephalographic,MEG)以及近紅外成像(near-infraredspectroscopy,NIRS)等。

以往研究發(fā)現(xiàn)，與人-機(jī)互動(dòng)相比，人-人互動(dòng)具有更高的生態(tài)效度，能夠激活更多社會(huì)認(rèn)知相關(guān)的腦區(qū)(Oliveira,2013;Przyrembel,Smallwood,Pauen,& Singer,2012)。此外，與單一被試相比，多被試互動(dòng)能夠更好地理解個(gè)體在人際互動(dòng)中的認(rèn)知能力(Hasson,Ghazanfar,Galantucci,Garrod,& Keysers,2012)。所以超掃描為我們?cè)谳^為真實(shí)的社會(huì)環(huán)境中考察多個(gè)被試間的大腦互動(dòng)神經(jīng)機(jī)制提供了途徑，使我們可以對(duì)多個(gè)被試大腦的活動(dòng)信息進(jìn)行同時(shí)采集與分析(Hari & Kujala,2009;Liu & Pelowski,2014)。

社會(huì)互動(dòng)研究主要涉及社會(huì)決策和社會(huì)交流兩個(gè)方面。社會(huì)決策領(lǐng)域主要關(guān)注人們?cè)谏鐣?huì)場(chǎng)景下與博弈相關(guān)的行為(如信任與公平、合作與競(jìng)爭(zhēng)等)。社會(huì)交流分為表情交流、動(dòng)作交流(如模仿與動(dòng)作協(xié)調(diào))、言語交流等。下文分別從這幾個(gè)方面綜述近年來利用超掃描技術(shù)在不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、不同的實(shí)驗(yàn)范式中得到的人腦在社會(huì)互動(dòng)中的研究結(jié)果。

2 信任與公平

信任與公平都是社會(huì)互動(dòng)的重要方面，反應(yīng)了人們之間復(fù)雜的社會(huì)關(guān)系。King-Casas等人(2005)首次利用fMRI超掃描考察了雙人在信任游戲中產(chǎn)生的神經(jīng)機(jī)制；Tomlind等人(2006)則對(duì)比了信任游戲中人-人交互與人-機(jī)交互的區(qū)別。結(jié)果表明，在信任游戲中投資者的中部扣帶回、被投資者的前部扣帶回都會(huì)被激活(King-Casas et al.,2005;Tomlind et al.,2006)。但這種激活只有在兩個(gè)被試的互動(dòng)游戲中才能產(chǎn)生，在計(jì)算機(jī)模擬的控制條件下，沒有發(fā)現(xiàn)類似的扣帶回反應(yīng)模式(Tomlin et al.,2006)。由此我們推論，在社會(huì)互動(dòng)中與信任相關(guān)的腦區(qū)主要位于扣帶回。此推論也被自閉癥患者所證實(shí)(Chiu et al.,2008)，自閉癥患者在信任游戲中扣帶回沒有被激活，但看到他人決策時(shí)，扣帶回的反應(yīng)與正常人無差異，這主要是因?yàn)樽蚤]癥患者在社會(huì)交往中缺失了表征行為的社會(huì)意圖。

除了信任，公平也是使社會(huì)決策順利進(jìn)行的關(guān)鍵因素。Yun等人(2010)使用最后通牒范式(Ultimatum Game)發(fā)現(xiàn)額中央頭皮區(qū)域的激活增強(qiáng)，并推論這是被試雙方的腦間同步區(qū)域；Tang等人(2015)使用相同的范式發(fā)現(xiàn)在面對(duì)面的經(jīng)濟(jì)交換中，右側(cè)顳頂聯(lián)合區(qū)出現(xiàn)較強(qiáng)的人際腦同步，且隨游戲雙方共享意愿的增加而增加；在利用fMRI超掃描研究對(duì)公平獎(jiǎng)賞的社會(huì)比較中，發(fā)現(xiàn)腹側(cè)紋狀體區(qū)域的激活程度明顯依賴于相對(duì)報(bào)酬，當(dāng)自己比對(duì)方收入少時(shí)紋狀體的BOLD信號(hào)降低(Fliessbach et al.,2007)。可見公平涉及社會(huì)互動(dòng)的多個(gè)方面，無論是經(jīng)濟(jì)交換還是社會(huì)比較，利用超掃描都能夠幫助我們對(duì)公平進(jìn)行更深入的研究。

3 合作與競(jìng)爭(zhēng)

合作與競(jìng)爭(zhēng)是社會(huì)互動(dòng)的兩種形式，也是社會(huì)決策博弈論的重要內(nèi)容。近年來，研究者利用囚徒困境、紙牌游戲和按鍵任務(wù)等經(jīng)典范式通過超掃描對(duì)合作與競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)行了研究(Astolfi et al.,2009;Astolfi,Cincotti et al.,2010;Babiloni et al.,2007;Fallani et al.,2010)，且大多文獻(xiàn)都表明在合作情境中被試雙方額區(qū)皮層會(huì)表現(xiàn)出較強(qiáng)的大腦同步激活(Astolfi,Toppi et al.,2010;Cui,Bryant,& Reiss,2012;Fallani et al.,2010;Funane et al.,2011;Liu et al.,2016;Pan,Cheng,Zhang,Li,& Hu,2016;Toppi et al.,2016)。并且研究者發(fā)現(xiàn)合作中大腦的同步激活會(huì)受到性別因素的影響，Cheng等人(2015)使用按鍵任務(wù)發(fā)現(xiàn)在異性雙人組而非同性雙人組中，額區(qū)出現(xiàn)了與任務(wù)相關(guān)的跨腦一致性激活。恰恰相反，Baker等人(2016)使用相同的研究范式發(fā)現(xiàn)男性雙人組的腦間一致性激活出現(xiàn)在右下前額區(qū)(BA10)，女性雙人組的腦間一致性激活出現(xiàn)在右顳葉皮層(BA21,22)，而異性雙人組沒有出現(xiàn)腦間一致性激活。Baker等人(2016)認(rèn)為，造成此結(jié)果的原因主要是男性在合作中更傾向于推測(cè)他人意圖與動(dòng)機(jī)，而女性在合作中更傾向于關(guān)注他人的動(dòng)作。兩種認(rèn)知策略的不同，使男性、女性雙人組在合作中出現(xiàn)不同的腦間一致性激活，也使得異性雙人組沒有出現(xiàn)腦間一致性激活。對(duì)于這兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異，我們認(rèn)為可以通過增大被試量，加大探頭密度，進(jìn)一步澄清實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

但是對(duì)于競(jìng)爭(zhēng)互動(dòng)中超掃描的研究結(jié)果目前仍存在較大爭(zhēng)議，Babiloni等人(2007)利用囚徒困境收集的數(shù)據(jù)表明在社會(huì)互動(dòng)中激活最一致的腦區(qū)為內(nèi)側(cè)前額葉，且這一同步激活的腦區(qū)在所有的競(jìng)爭(zhēng)情境中都會(huì)出現(xiàn)，但是其他研究者利用相同范式進(jìn)行研究卻發(fā)現(xiàn)，在競(jìng)爭(zhēng)情境中被試雙方激活最一致的腦區(qū)位于眶額葉皮層(BA10)(Astolfi et al.,2009;Astolfi,Cincotti et al.,2010)。前者認(rèn)為內(nèi)側(cè)前額葉皮層的激活主要與個(gè)體和同伴競(jìng)爭(zhēng)時(shí)產(chǎn)生的焦慮有關(guān)，而后者眶額葉皮層的激活則與個(gè)體做出競(jìng)爭(zhēng)選擇時(shí)所付出的認(rèn)知努力有關(guān)。但是另一些研究者利用超掃描技術(shù)對(duì)競(jìng)爭(zhēng)互動(dòng)進(jìn)行研究時(shí)，并沒有發(fā)現(xiàn)被試雙方大腦的同步激活(Cheng et al.,2015;Cui et al.,2012)，這些研究結(jié)果的差異可能與競(jìng)爭(zhēng)情境的復(fù)雜性和實(shí)驗(yàn)選取的范式不同有關(guān)，需要研究者今后改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)此進(jìn)行更深一步的探討。

4 模仿與動(dòng)作協(xié)調(diào)

人們?cè)谏鐣?huì)交互中常常需要相互交流信息，而模仿與動(dòng)作協(xié)調(diào)可以促進(jìn)人們對(duì)信息的理解并對(duì)他人做出適當(dāng)?shù)幕貞?yīng)。研究認(rèn)為，鏡像神經(jīng)元系統(tǒng)，包括頂下溝，前運(yùn)動(dòng)皮層及顳上回是個(gè)體對(duì)他人意圖和行為進(jìn)行理解與表征的神經(jīng)機(jī)制(Schippers,Roebroeck,Renken,Nanetti,& Keysers,2010;Singer,2012)，而通過超掃描技術(shù)，研究者可以探查鏡像神經(jīng)元系統(tǒng)是如何在模仿與動(dòng)作協(xié)調(diào)中起作用的。

在可視化的手動(dòng)模仿實(shí)驗(yàn)中，研究者發(fā)現(xiàn)了alpha-mu(8～12 Hz)頻帶在右側(cè)中央頂葉皮層表現(xiàn)出較強(qiáng)的腦間EEG同步(Dumas,Nadel,Soussignan,Martinerie,& Garnero,2010)。而早在2007年，研究者就指出右側(cè)中央頂葉皮層的alpha-mu頻帶是社會(huì)協(xié)調(diào)的重要神經(jīng)標(biāo)記物(Tognoli,Lagarde,DeGuzman,& Kelso,2007)，其主要功能是調(diào)節(jié)個(gè)體在社會(huì)情境中對(duì)其搭檔身體運(yùn)動(dòng)的解釋(Naeem,Prasad,Watson,& Kelso,2012)。隨后，研究者進(jìn)一步對(duì)雙人模仿行為中的gamma節(jié)律進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)大腦gamma節(jié)律的平均鎖相值(phase locking value)在模仿行為中增加(Dumas,Martinerie,Soussignan,& Nadel,2012)。此外研究者利用NIRS通過手指點(diǎn)擊模仿任務(wù)，考察了被試雙方的對(duì)側(cè)初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層，證明了與非模仿行為相比，模仿行為會(huì)使被試間產(chǎn)生更強(qiáng)的大腦功能聯(lián)結(jié)及腦間同步(Holper,Scholkmann,& Wolf,2012)。

除了動(dòng)作協(xié)作之外，音樂協(xié)奏作為一種更復(fù)雜的協(xié)作行為，其大腦同步性也可用超掃描來探究(Acquadro,Congedo,& DeRiddeer,2016)。研究發(fā)現(xiàn)吉他演奏者在同步音樂演奏中前額區(qū)EEG同步振蕩顯著增強(qiáng)(Lindenberger,Gruber,& Muller,2009;S?nger,Müller,&Lindenberger,2012)。值得指出的是，S?nger等 (2012)考察的是二重奏(two voices)，而Lindenberger等(2009)考察的是同音(unison)演奏。相比同音演奏，二重奏可以降低由于知覺輸入與動(dòng)作輸出的相似性而造成的腦間震蕩耦合的相似性，從而更直接地說明在同步音樂演奏中的腦間同步振蕩顯著增強(qiáng)是由于動(dòng)作協(xié)作而非動(dòng)作一致性引起的。

5 表情、手勢(shì)及言語交流

除了模仿與協(xié)調(diào)行為，表情、手勢(shì)及言語也是社會(huì)交流必不可少的。研究者利用NIRS超掃描將面對(duì)面交流方式與其他交流方式的大腦機(jī)制進(jìn)行了區(qū)分，發(fā)現(xiàn)只有面對(duì)面的交流而非其他方式交流會(huì)使被試的腦間神經(jīng)同步增加(Jiang et al.,2012;Nozawa,Sasaki,Sakaki,Yokoyama,& Kawashima,2016;Osaka et al.,2015;Yun,2013)。如在面對(duì)面對(duì)話(dialog：嘴唇張開)時(shí)左側(cè)額下皮層表現(xiàn)出顯著的腦間同步(Jianget al.,2012)；在面對(duì)面哼唱(humming:嘴唇緊閉)時(shí)，右側(cè)額下皮層的腦間同步顯著(Osaka et al.,2015)，這說明左半球的腦間同步是由言語交談造成的，而右半球的腦間同步是由非言語信息的協(xié)調(diào)造成的(Koike et al.,2015)。以上的研究群體人數(shù)僅為兩人，Nozawa等(2016)提高了研究情境的生態(tài)效度，使用單詞鏈游戲在超過兩人的配合性言語交流中也證明了面對(duì)面交流會(huì)增加被試的腦間同步。

除了言語交流，非言語交流(表情傳遞、眼神交流)對(duì)日常生活也至關(guān)重要。研究發(fā)現(xiàn)情緒傳遞與言語信息傳遞的相似之處在于信息的傳遞者與接收者之間都會(huì)表現(xiàn)出大腦的同步激活，只是言語信息傳遞過程的大腦同步激活發(fā)生在顳頂聯(lián)合區(qū)和內(nèi)側(cè)前額葉(Baess et al.,2012;Stephens,Silbert& Hasson,2010)，而表情傳遞過程的大腦同步激活發(fā)生在前顳葉、腦島以及大腦軀體運(yùn)動(dòng)區(qū)(Anders et al.,2011)。共同注意任務(wù)(joint attention task)是研究眼神交流的主要范式，研究者通過fMRI超掃描發(fā)現(xiàn)在共同注意任務(wù)中被試間的右側(cè)額下回存在更明顯的神經(jīng)同步激活(Koike et al.,2016;Saito et al.,2010)，并推論額下回通過眼神交流參與到被試間的意圖共享，從而使交流的雙方做出協(xié)調(diào)行為(Saito et al.,2010)。而自閉癥患者的眼神交流研究又從反面證明了這個(gè)推論，自閉癥患者在通過眼神交流共享意圖中存在困難，進(jìn)而導(dǎo)致額下回的神經(jīng)同步激活降低(Tanabe et al.,2012)。除此之外研究者根據(jù)共同注意任務(wù)發(fā)現(xiàn)在真實(shí)的社會(huì)互動(dòng)情境中，被試雙方的信息流位于顳頂聯(lián)合區(qū)，而此區(qū)域的同步激活則是處于互動(dòng)中的被試所獨(dú)有(Bileka et al.,2015)，這似乎證明了顳頂聯(lián)合區(qū)是社會(huì)互動(dòng)的關(guān)鍵腦區(qū)。根據(jù)以上研究我們了解到眼神交流能夠促進(jìn)我們對(duì)他人意圖的理解，從而幫助我們更好地與他人交流。

6 總結(jié)與展望

超掃描是一種新興的神經(jīng)科學(xué)研究技術(shù)，對(duì)于考察“社會(huì)腦”相關(guān)的科學(xué)問題十分必要(Hasson,Ghazanfar,Galantucci,Garrod,& Keysers,2012)。它對(duì)理解社會(huì)互動(dòng)中人類大腦加工過程的貢獻(xiàn)主要體現(xiàn)在以下三點(diǎn)。一是對(duì)社會(huì)互動(dòng)中所有被試的大腦活動(dòng)進(jìn)行同步測(cè)量，這使得社會(huì)互動(dòng)中大腦神經(jīng)加工的相關(guān)信息得以重現(xiàn)，使研究者可以收集與正在進(jìn)行的社會(huì)互動(dòng)有關(guān)的皮層加工動(dòng)態(tài)信息；二是超掃描的應(yīng)用使得構(gòu)造真實(shí)有效的社會(huì)互動(dòng)情境成為可能，提高了研究真實(shí)性；三是通過超掃描技術(shù)的應(yīng)用，我們能夠更深入地了解一些病人受損的社會(huì)互動(dòng)機(jī)制(Chiu et al.,2008;Tanabe et al.,2012;Tang et al.,2015)。例如，通過將抑郁癥、自閉癥及精神分裂癥病人置于真實(shí)的社會(huì)互動(dòng)環(huán)境中，可以更清楚地探究病人的異常神經(jīng)機(jī)制，從而開發(fā)更有針對(duì)性的療法。

但是目前超掃描研究也面臨著許多挑戰(zhàn)，主要是掃描設(shè)備的獲得，同步掃描的時(shí)間差異，不同設(shè)備的敏感性差異等。為了解決這些問題，本文認(rèn)為可以從以下五個(gè)方面努力。第一，設(shè)備獲得方面，當(dāng)沒有足夠資金可用來完成fMRI超掃描時(shí)，可以在fMRI設(shè)備中安裝兩個(gè)線圈，使用一臺(tái)設(shè)備對(duì)兩名被試進(jìn)行同時(shí)掃描(Cui et al.,2012;Lee,Dai & Dix,2010)，或通過局域網(wǎng)連接位于不同地點(diǎn)的多臺(tái)fMRI設(shè)備同時(shí)對(duì)多名被試進(jìn)行掃描(King-Casas et al.,2005)。第二，在設(shè)備選擇方面，我們應(yīng)該根據(jù)不同設(shè)備自身的特點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪x擇合適的超掃描方式。已知腦電可對(duì)大腦神經(jīng)活動(dòng)直接測(cè)量，有很高的時(shí)間分辨率(Huettel,Song,& McCarthy,2009)；磁共振是對(duì)大腦活動(dòng)間接測(cè)量，有很高的空間分辨率(Kaiboriboon,Lüders,Hamaneh,Turnbull,& Lhatoo,2012)。因此當(dāng)我們關(guān)注激活腦區(qū)時(shí)，基于fMRI的超掃描更適合，當(dāng)我們關(guān)注神經(jīng)活動(dòng)的動(dòng)態(tài)性時(shí)，EEG超掃描更適合，并且EEG較低的購買價(jià)格以及它的可移動(dòng)性，使得研究者可以對(duì)四個(gè)以上的被試進(jìn)行同時(shí)掃描；而采用同步EEG-fMRI則有利于全面發(fā)掘腦功能聯(lián)結(jié)的時(shí)空特性，是未來超掃描發(fā)展的重要方向(雷旭,堯德中,2014;Koike et al.,2015)。第三，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面，由于超掃描涉及的人際互動(dòng)任務(wù)往往比較復(fù)雜，所以對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的要求更高，除了需要對(duì)更多的實(shí)驗(yàn)混淆因素進(jìn)行嚴(yán)格控制，更需要研究者設(shè)計(jì)出能夠反應(yīng)日常生活中真實(shí)交互過程的范式與情境(Acquadro et al.,2016)，因此，單人研究范式必須通過改進(jìn)才能更好地服務(wù)于超掃描研究。第四，在同步掃描方面，使用帶有兩個(gè)線圈的fMRI設(shè)備進(jìn)行超掃描時(shí)不同線圈敏感性的差異，或者是通過局域網(wǎng)連接的兩臺(tái)設(shè)備不同步，都會(huì)對(duì)同步掃描造成影響。但我們可以使用NIRS代替具有兩個(gè)線圈的fMRI設(shè)備。Cui等人(2012)已證實(shí)使用這兩者所獲得的信息是一樣的，并且NIRS不需要設(shè)備的校準(zhǔn)，也沒有同步性問題，且易于設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，只是需要NIRS公司增加光纖與探頭的數(shù)量。第五，在數(shù)據(jù)采集與分析方面，超掃描對(duì)運(yùn)動(dòng)偽跡的去除提出了更高的要求?？衫妙A(yù)接線EEG帽(pre-wired EEG caps)，同時(shí)連接并記錄肌電和眼電，并結(jié)合頻域信息去除偽跡(Babiloni et al.,2011)。常見的對(duì)社會(huì)互動(dòng)中被試雙方大腦信號(hào)功能聯(lián)結(jié)的分析方法有時(shí)域相關(guān)和頻域相干兩種。一般來說頻域相干更適合基于神經(jīng)電信號(hào)的超掃描，而時(shí)域相關(guān)(包括Granger的因果分析)則更適合考察基于血流動(dòng)力學(xué)信號(hào)的超掃描數(shù)據(jù)(Babiloni & Astolfi,2014)。除了相關(guān)的方法，也可利用多重腦網(wǎng)絡(luò)的集群成像對(duì)處于互動(dòng)中的被試大腦進(jìn)行集群掃描與建模(Duan et al.,2015)，從而研究被試間的神經(jīng)聯(lián)結(jié)。相信隨著社會(huì)發(fā)展，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不斷改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)范式的不斷完善，超掃描在未來社會(huì)中一定會(huì)有更廣泛的應(yīng)用。

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