超扫描技术在社会认知神经科学中的作用

(深圳大学心理与社会学院；深圳市情绪与社会认知科学重点实验室(深圳大学)，深圳 518060)

1 引 言

社会互动在人际交往中起着非常重要的作用(Schilbach et al.,2012)，然而其神经机制却未得到深入阐明。一种旨在研究人类社会互动的新的神经机制测量方式——多人同步交互扫描(hyperscanning，后文直译为“超扫描”)应运而生。它以脑与脑之间的耦合为基础，在特定的动作或认知活动中对两名或多名被试间的交互作用和脑活动进行同步记录(Babiloni & Astolfi,2014;Koike,Tanabe,& Sadato,2015)，揭示社会互动的大脑机制，并逐渐成为社会认知神经科学研究的焦点(郑丽莉,成晓君,胡谊,李先春,2015;Scholkmann,Holper,Wolf,& Wolf,2013)。超扫描技术由来已久，Duane和Behrendt (1965)在证明“超感”沟通存在的实验中，便首次使用了超扫描技术对多名被试的神经活动进行同步记录，但“超扫描”概念则是Montague等人(2002)在探讨社会互动的fMRI研究中首次提出。超扫描技术几乎可以依托所有的认知神经科学设备，如功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)、脑电图(electroencephalographic,EEG)、脑磁图(magnetoencephalographic,MEG)以及近红外成像(near-infraredspectroscopy,NIRS)等。

以往研究发现，与人-机互动相比，人-人互动具有更高的生态效度，能够激活更多社会认知相关的脑区(Oliveira,2013;Przyrembel,Smallwood,Pauen,& Singer,2012)。此外，与单一被试相比，多被试互动能够更好地理解个体在人际互动中的认知能力(Hasson,Ghazanfar,Galantucci,Garrod,& Keysers,2012)。所以超扫描为我们在较为真实的社会环境中考察多个被试间的大脑互动神经机制提供了途径，使我们可以对多个被试大脑的活动信息进行同时采集与分析(Hari & Kujala,2009;Liu & Pelowski,2014)。

社会互动研究主要涉及社会决策和社会交流两个方面。社会决策领域主要关注人们在社会场景下与博弈相关的行为(如信任与公平、合作与竞争等)。社会交流分为表情交流、动作交流(如模仿与动作协调)、言语交流等。下文分别从这几个方面综述近年来利用超扫描技术在不同的实验设备、不同的实验范式中得到的人脑在社会互动中的研究结果。

2 信任与公平

信任与公平都是社会互动的重要方面，反应了人们之间复杂的社会关系。King-Casas等人(2005)首次利用fMRI超扫描考察了双人在信任游戏中产生的神经机制；Tomlind等人(2006)则对比了信任游戏中人-人交互与人-机交互的区别。结果表明，在信任游戏中投资者的中部扣带回、被投资者的前部扣带回都会被激活(King-Casas et al.,2005;Tomlind et al.,2006)。但这种激活只有在两个被试的互动游戏中才能产生，在计算机模拟的控制条件下，没有发现类似的扣带回反应模式(Tomlin et al.,2006)。由此我们推论，在社会互动中与信任相关的脑区主要位于扣带回。此推论也被自闭症患者所证实(Chiu et al.,2008)，自闭症患者在信任游戏中扣带回没有被激活，但看到他人决策时，扣带回的反应与正常人无差异，这主要是因为自闭症患者在社会交往中缺失了表征行为的社会意图。

除了信任，公平也是使社会决策顺利进行的关键因素。Yun等人(2010)使用最后通牒范式(Ultimatum Game)发现额中央头皮区域的激活增强，并推论这是被试双方的脑间同步区域；Tang等人(2015)使用相同的范式发现在面对面的经济交换中，右侧颞顶联合区出现较强的人际脑同步，且随游戏双方共享意愿的增加而增加；在利用fMRI超扫描研究对公平奖赏的社会比较中，发现腹侧纹状体区域的激活程度明显依赖于相对报酬，当自己比对方收入少时纹状体的BOLD信号降低(Fliessbach et al.,2007)。可见公平涉及社会互动的多个方面，无论是经济交换还是社会比较，利用超扫描都能够帮助我们对公平进行更深入的研究。

3 合作与竞争

合作与竞争是社会互动的两种形式，也是社会决策博弈论的重要内容。近年来，研究者利用囚徒困境、纸牌游戏和按键任务等经典范式通过超扫描对合作与竞争进行了研究(Astolfi et al.,2009;Astolfi,Cincotti et al.,2010;Babiloni et al.,2007;Fallani et al.,2010)，且大多文献都表明在合作情境中被试双方额区皮层会表现出较强的大脑同步激活(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)。并且研究者发现合作中大脑的同步激活会受到性别因素的影响，Cheng等人(2015)使用按键任务发现在异性双人组而非同性双人组中，额区出现了与任务相关的跨脑一致性激活。恰恰相反，Baker等人(2016)使用相同的研究范式发现男性双人组的脑间一致性激活出现在右下前额区(BA10)，女性双人组的脑间一致性激活出现在右颞叶皮层(BA21,22)，而异性双人组没有出现脑间一致性激活。Baker等人(2016)认为，造成此结果的原因主要是男性在合作中更倾向于推测他人意图与动机，而女性在合作中更倾向于关注他人的动作。两种认知策略的不同，使男性、女性双人组在合作中出现不同的脑间一致性激活，也使得异性双人组没有出现脑间一致性激活。对于这两项实验结果的差异，我们认为可以通过增大被试量，加大探头密度，进一步澄清实验结果。

但是对于竞争互动中超扫描的研究结果目前仍存在较大争议，Babiloni等人(2007)利用囚徒困境收集的数据表明在社会互动中激活最一致的脑区为内侧前额叶，且这一同步激活的脑区在所有的竞争情境中都会出现，但是其他研究者利用相同范式进行研究却发现，在竞争情境中被试双方激活最一致的脑区位于眶额叶皮层(BA10)(Astolfi et al.,2009;Astolfi,Cincotti et al.,2010)。前者认为内侧前额叶皮层的激活主要与个体和同伴竞争时产生的焦虑有关，而后者眶额叶皮层的激活则与个体做出竞争选择时所付出的认知努力有关。但是另一些研究者利用超扫描技术对竞争互动进行研究时，并没有发现被试双方大脑的同步激活(Cheng et al.,2015;Cui et al.,2012)，这些研究结果的差异可能与竞争情境的复杂性和实验选取的范式不同有关，需要研究者今后改进实验设计对此进行更深一步的探讨。

4 模仿与动作协调

人们在社会交互中常常需要相互交流信息，而模仿与动作协调可以促进人们对信息的理解并对他人做出适当的回应。研究认为，镜像神经元系统，包括顶下沟，前运动皮层及颞上回是个体对他人意图和行为进行理解与表征的神经机制(Schippers,Roebroeck,Renken,Nanetti,& Keysers,2010;Singer,2012)，而通过超扫描技术，研究者可以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。

在可视化的手动模仿实验中，研究者发现了alpha-mu(8～12 Hz)频带在右侧中央顶叶皮层表现出较强的脑间EEG同步(Dumas,Nadel,Soussignan,Martinerie,& Garnero,2010)。而早在2007年，研究者就指出右侧中央顶叶皮层的alpha-mu频带是社会协调的重要神经标记物(Tognoli,Lagarde,DeGuzman,& Kelso,2007)，其主要功能是调节个体在社会情境中对其搭档身体运动的解释(Naeem,Prasad,Watson,& Kelso,2012)。随后，研究者进一步对双人模仿行为中的gamma节律进行研究，发现大脑gamma节律的平均锁相值(phase locking value)在模仿行为中增加(Dumas,Martinerie,Soussignan,& Nadel,2012)。此外研究者利用NIRS通过手指点击模仿任务，考察了被试双方的对侧初级运动皮层，证明了与非模仿行为相比，模仿行为会使被试间产生更强的大脑功能联结及脑间同步(Holper,Scholkmann,& Wolf,2012)。

除了动作协作之外，音乐协奏作为一种更复杂的协作行为，其大脑同步性也可用超扫描来探究(Acquadro,Congedo,& DeRiddeer,2016)。研究发现吉他演奏者在同步音乐演奏中前额区EEG同步振荡显著增强(Lindenberger,Gruber,& Muller,2009;Sänger,Müller,&Lindenberger,2012)。值得指出的是，Sänger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觉输入与动作输出的相似性而造成的脑间震荡耦合的相似性，从而更直接地说明在同步音乐演奏中的脑间同步振荡显著增强是由于动作协作而非动作一致性引起的。

5 表情、手势及言语交流

除了模仿与协调行为，表情、手势及言语也是社会交流必不可少的。研究者利用NIRS超扫描将面对面交流方式与其他交流方式的大脑机制进行了区分，发现只有面对面的交流而非其他方式交流会使被试的脑间神经同步增加(Jiang et al.,2012;Nozawa,Sasaki,Sakaki,Yokoyama,& Kawashima,2016;Osaka et al.,2015;Yun,2013)。如在面对面对话(dialog：嘴唇张开)时左侧额下皮层表现出显著的脑间同步(Jianget al.,2012)；在面对面哼唱(humming:嘴唇紧闭)时，右侧额下皮层的脑间同步显著(Osaka et al.,2015)，这说明左半球的脑间同步是由言语交谈造成的，而右半球的脑间同步是由非言语信息的协调造成的(Koike et al.,2015)。以上的研究群体人数仅为两人，Nozawa等(2016)提高了研究情境的生态效度，使用单词链游戏在超过两人的配合性言语交流中也证明了面对面交流会增加被试的脑间同步。

除了言语交流，非言语交流(表情传递、眼神交流)对日常生活也至关重要。研究发现情绪传递与言语信息传递的相似之处在于信息的传递者与接收者之间都会表现出大脑的同步激活，只是言语信息传递过程的大脑同步激活发生在颞顶联合区和内侧前额叶(Baess et al.,2012;Stephens,Silbert& Hasson,2010)，而表情传递过程的大脑同步激活发生在前颞叶、脑岛以及大脑躯体运动区(Anders et al.,2011)。共同注意任务(joint attention task)是研究眼神交流的主要范式，研究者通过fMRI超扫描发现在共同注意任务中被试间的右侧额下回存在更明显的神经同步激活(Koike et al.,2016;Saito et al.,2010)，并推论额下回通过眼神交流参与到被试间的意图共享，从而使交流的双方做出协调行为(Saito et al.,2010)。而自闭症患者的眼神交流研究又从反面证明了这个推论，自闭症患者在通过眼神交流共享意图中存在困难，进而导致额下回的神经同步激活降低(Tanabe et al.,2012)。除此之外研究者根据共同注意任务发现在真实的社会互动情境中，被试双方的信息流位于颞顶联合区，而此区域的同步激活则是处于互动中的被试所独有(Bileka et al.,2015)，这似乎证明了颞顶联合区是社会互动的关键脑区。根据以上研究我们了解到眼神交流能够促进我们对他人意图的理解，从而帮助我们更好地与他人交流。

6 总结与展望

超扫描是一种新兴的神经科学研究技术，对于考察“社会脑”相关的科学问题十分必要(Hasson,Ghazanfar,Galantucci,Garrod,& Keysers,2012)。它对理解社会互动中人类大脑加工过程的贡献主要体现在以下三点。一是对社会互动中所有被试的大脑活动进行同步测量，这使得社会互动中大脑神经加工的相关信息得以重现，使研究者可以收集与正在进行的社会互动有关的皮层加工动态信息；二是超扫描的应用使得构造真实有效的社会互动情境成为可能，提高了研究真实性；三是通过超扫描技术的应用，我们能够更深入地了解一些病人受损的社会互动机制(Chiu et al.,2008;Tanabe et al.,2012;Tang et al.,2015)。例如，通过将抑郁症、自闭症及精神分裂症病人置于真实的社会互动环境中，可以更清楚地探究病人的异常神经机制，从而开发更有针对性的疗法。

但是目前超扫描研究也面临着许多挑战，主要是扫描设备的获得，同步扫描的时间差异，不同设备的敏感性差异等。为了解决这些问题，本文认为可以从以下五个方面努力。第一，设备获得方面，当没有足够资金可用来完成fMRI超扫描时，可以在fMRI设备中安装两个线圈，使用一台设备对两名被试进行同时扫描(Cui et al.,2012;Lee,Dai & Dix,2010)，或通过局域网连接位于不同地点的多台fMRI设备同时对多名被试进行扫描(King-Casas et al.,2005)。第二，在设备选择方面，我们应该根据不同设备自身的特点及实验目的选择合适的超扫描方式。已知脑电可对大脑神经活动直接测量，有很高的时间分辨率(Huettel,Song,& McCarthy,2009)；磁共振是对大脑活动间接测量，有很高的空间分辨率(Kaiboriboon,Lüders,Hamaneh,Turnbull,& Lhatoo,2012)。因此当我们关注激活脑区时，基于fMRI的超扫描更适合，当我们关注神经活动的动态性时，EEG超扫描更适合，并且EEG较低的购买价格以及它的可移动性，使得研究者可以对四个以上的被试进行同时扫描；而采用同步EEG-fMRI则有利于全面发掘脑功能联结的时空特性，是未来超扫描发展的重要方向(雷旭,尧德中,2014;Koike et al.,2015)。第三，在实验设计方面，由于超扫描涉及的人际互动任务往往比较复杂，所以对实验设计的要求更高，除了需要对更多的实验混淆因素进行严格控制，更需要研究者设计出能够反应日常生活中真实交互过程的范式与情境(Acquadro et al.,2016)，因此，单人研究范式必须通过改进才能更好地服务于超扫描研究。第四，在同步扫描方面，使用带有两个线圈的fMRI设备进行超扫描时不同线圈敏感性的差异，或者是通过局域网连接的两台设备不同步，都会对同步扫描造成影响。但我们可以使用NIRS代替具有两个线圈的fMRI设备。Cui等人(2012)已证实使用这两者所获得的信息是一样的，并且NIRS不需要设备的校准，也没有同步性问题，且易于设计实验，只是需要NIRS公司增加光纤与探头的数量。第五，在数据采集与分析方面，超扫描对运动伪迹的去除提出了更高的要求。可利用预接线EEG帽(pre-wired EEG caps)，同时连接并记录肌电和眼电，并结合频域信息去除伪迹(Babiloni et al.,2011)。常见的对社会互动中被试双方大脑信号功能联结的分析方法有时域相关和频域相干两种。一般来说频域相干更适合基于神经电信号的超扫描，而时域相关(包括Granger的因果分析)则更适合考察基于血流动力学信号的超扫描数据(Babiloni & Astolfi,2014)。除了相关的方法，也可利用多重脑网络的集群成像对处于互动中的被试大脑进行集群扫描与建模(Duan et al.,2015)，从而研究被试间的神经联结。相信随着社会发展，实验设备的不断改进，实验范式的不断完善，超扫描在未来社会中一定会有更广泛的应用。

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