社交互动影像超扫描技术及其在精神障碍研究中的应用☆

魏燕燕 张天宏 王继军

社交互动是日常生活必不可少的部分，了解社交互动个体大脑间如何相互沟通，可为阐明社会认知缺陷性脑疾病的神经生物学基础提供重要参考[1]。近年研究开始探索社交互动的认知过程，但社交互动神经机制的研究在很大程度上受现有实验范式的限制，无法揭示人际互动的神经生物学实时特征。随着功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging,fMRI）、脑电图（electroencephalogram,EEG）、功能近红外光谱（functional near infrared spectroscopy,fNIRS）、脑磁图（magnetoencephalography,MEG）等神经影像技术发展，探索社交互动神经机制的新策略开始出现——利用同一台或多台参数完全相同的设备，同时测量两名或多名社交互动参与者的大脑活动，这一技术被称为“超扫描”[2]。目前超扫描技术已被广泛应用于心理咨询、亲子互动等社交互动场景[3-4]，也可以用于社交障碍的研究，如孤独症、精神分裂症、人格障碍等患者，以及接受心理治疗及其他临床干预的患者[5-6]。本文介绍超扫描的基本原则、社交互动超扫描范式及各自特点、社交互动的神经环路，对超扫描在精神障碍中的应用进行综述。

1 超扫描遵循的基本原则

相对于单脑研究封闭、孤立、虚拟的检查环境，社交互动是在现实环境中的动态交互过程，超扫描技术的方向和重心构建于“在线（on-line）”的环境中[7-8]。因此，超扫描方法是基于社交互动与单脑认知活动有本质区别的假设，其核心为社交互动中个体间大脑发送、接收信息所产生的脑间信号同步性（inter-brain synchrony,IBS），主要通过震荡波的动态相位一致性来衡量[9]。为有效地在线记录社交互动中IBS，以下三点是关键。首先，在被试方面，确保利手相同，视力和听力正常或矫正至正常，随机配对以排除被试间熟悉度对IBS的潜在影响[10]，另外性别因素也需考虑[11]。其次，设计社交互动场景，以产生两个相互关联的高质量时间序列信号。试验前确保被试熟悉流程，确定目标脑区，按照相同参照标准佩戴检测设备（确保覆盖相同脑区），在条件允许的情况下进行个体化立体定位，以精准检测脑区。最后，得到检测数据后，为获取客观IBS，数据分析前需进行必要的预处理，以排除干扰信号，如呼吸、血压、心跳、眨眼、头动等伪迹。

2 超扫描范式

当各种脑影像技术应用于超扫描时，其空间分辨率、时间分辨率、可移动性、价值等特质是社交互动研究非常重要的参考因素。fMRI、EEG、fNIRS为目前常见的超扫描技术，其特征比较见表1。

表1 不同超扫描技术特征比较

2.1 fMRI超扫描 fMRI是认知神经科学研究目前最流行的方法，它通过探测血氧依赖水平（blood oxygen leveldependent,BOLD）的变化来间接测量大脑的神经活动，其最重要的优势是空间分辨率高。但fMRI超扫描需两台或多台机器同时记录多名被试脑信号，仪器之间的连接借助互联网，数据保存在主机端。GOELMAN等[12]的一项fMRI超扫描研究执行联合注意任务发现，社交互动包括前馈环节和反馈环节两个过程，在前馈环节中参与的脑区主要是背外侧前额叶（dorsal medial prefrontal cortex,dmPFC），反馈环节中参与的脑区主要是颞顶联合区（temporoparietal junction,TPJ）。fMRI超扫描的优势在于能够精确地检测社交互动相关脑区以及大脑深部核团。但是，fMRI超扫描不是社交互动研究的理想选择，因为需要多台磁共振机器同时扫描，会产生高昂的费用，更重要的是受磁共振检测环境影响，其生态效度较低，与真实的生活环境相差甚远。因此截至目前，仅有少数利用fMRI超扫描进行的社交互动研究。

2.2 EEG超扫描 EEG信号来源于大脑皮质神经元群体的同步突触活动，而非BOLD信号。更重要的是，EEG可以非侵入性地探索神经震荡[13]。因此EEG超扫描技术在很多场合得以应用，且可以同时绘制两个或多个个体间的实时互动，如乐器演奏、即兴表演、课堂教学等交互和自然场景的社交互动，以阐明被测个体大脑活动的共变与其社交互动之间的关系[14-17]。

EEG对试验环境有较高的要求，因其设备可移动性较低。但随着穿戴式EEG设备的研发，EEG开始广泛用于多人社交互动的研究[18]。另外由于EEG电极放置在头皮，仅适用于大脑皮质检测而非深部核团，所以尽管EEG具有较高的时间分辨率，但捕捉深部脑结构神经活动仍面临较大的挑战。

2.3 fNIRS超扫描 fNIRS是一种无创且价格低廉的神经成像技术，是利用近红外光测量血氧浓度变化来间接反映大脑激活。KIRILINA等[19]首次利用fNIRS开展社交互动的超扫描研究，受试者面对面坐下，同时进行按键反应，结果发现，脑间同步性越高，则两名被试按键时间间隔越短，提示合作的行为学表现与脑间同步性有关。CUI等[20]利用fNIRS超扫描验证IBS是否受合作任务表现的影响，结果发现合作任务中被试右侧额上回皮质IBS增加，且IBS可以作为合作任务表现的反映指标。fNIRS研究表明，相对于其他的交谈方式，面对面交谈中脑活动同步性与交谈有效性明显正相关[21-22]。另一项利用嘈杂环境中选择性交谈的研究发现，IBS增强甚至出现在社交互动的言语反应之前，其同步性增强的脑区主要在TPJ[23]。社交互动的首要信号来源于眼睛，眼神交流的研究发现，眼神交流中左额叶、颞叶和顶叶IBS明显增强[24]。综上可见，社交互动中IBS增强与行为存在一定的正相关，即同步性增高时，合作朝积极方向发展。

相对于fMRI，fNIRS技术精确定位激活脑区的能力较弱，只能检测到皮质1～2 cm的活动脑区，且fNIRS对头皮表面的血氧信号变化特别敏感，以致获得单纯的神经活动信号较困难。但是，fNIRS对运动伪影耐受性较好，在婴儿或儿童的脑研究方面表现出优势，更重要的是，fNIRS超扫描可以理想地应用于自然场景，一台设备即可以实现检测多人的同时社交互动。

3 社交互动相关神经回路

社交互动主要涉及两大神经系统，一是镜像神经系统（mirror neuron system,MNS），负责模仿和协调/联合任务，一是心理化系统（mentalizing system,MS），主要承担推理自己和他人意图或想法相关的任务。

MNS主要由额上回（inferior frontal gyrus，IFG）和顶下小叶（inferior parietal lobule,IPL）组成，当观察或模仿他人的行为或运动时被激活。除此以外，颞上回（superior temporal gyrus,STG）也参与其中，在模仿过程中编码信息首先通过STG转化为更复杂的视觉表征，然后传递到IPL。社交互动参与者行为同步时，MNS发挥作用，使参与者的大脑活动调整到相同频率，从而在阿尔法波段产生同步[25]。

TPJ、前额叶（prefrontal cortex,PFC）和背外侧前额叶（dorsolateral prefrontal cortex,DMPFC）是MS的重要区域。社交互动中参与者还会通过肢体姿势、行为和面部表情来理解他人的意图及情感，在这个推理自己或他人意图的过程中MS被激活。TPJ负责规划、调节、整合信息等高级认知功能，多项fNIRS超扫描研究都以TPJ为感兴趣脑区，有研究发现面对面交谈中，被试右侧TPJ的活动明显增高，且在社交互动中具有协作功能[21]。PFC也被大量的研究证实与脑同步性有关[26]，其激活与掌控自己和他人行为的需求有关[27]。精神障碍患者在现实的人际交互中，往往因为误解周围人的意图而出现症状（如牵连观念、猜疑等精神症状），精神症状的出现可能与这两大神经系统损伤有关[28]。社交互动的超扫描研究也证实了这一结论[29]。

4 超扫描在精神障碍中的应用

超扫描应用于正常被试社交互动的研究已被证实具有较大的潜力，在精神障碍尤其是具有社交缺陷的患者，如孤独症谱系障碍（autism spectrum disorder,ASD）、精神分裂症（schizophrenia,SZ）、边缘性人格障碍（borderline personality disorder,BPD）等，社交互动的应用研究还较少，目前尚缺乏一致性结论。

一项对ASD社交互动的fMRI超扫描研究，纳入21对ASD-健康被试与19对健康-健康被试对子，结果发现相对于健康-健康组的眼神交流，ASD-健康组眼神交流中右侧IFG的同步性明显降低，右侧IFG-STS的功能连接明显减弱，且该功能连接与行为学表现明显正相关[30]。

精神分裂症患者在发病前会表现出非典型精神病性症状，但是还达不到精神分裂症的诊断标准，临床上将这一阶段称为精神病风险综合征（clinical high risk of psychosis,CHR）。在CHR诸多非典型症状中社交障碍尤为突出[31]。本课题组一项小样本的研究纳入19对CHR-健康对子和19对健康-健康对子进行社交互动时IBS比较，结果发现，CHR-健康对子在右侧IFG脑区IBS明显降低，且降低的IBS与行为学表现明显负相关[29]。

BILEK等[5]在联合注意任务中利用fMRI超扫描对BPD患者进行研究，纳入23对发作BPD-健康被试、17对缓解的BPD-健康被试和40对健康-健康被试对子，结果发现神经同步性与精神状态相关，发作BPD-健康组和缓解BPD-健康组脑间同步性均低于健康-健康组。

最近的一项系统综述发现，利用EEG、fMRI超扫描同时记录心理咨询过程中咨询师与访客的脑活动，咨询师与访客之间的IBS与治疗效果存在明显正相关，即IBS越高治疗效果越好[32-33]。

5 总结

综上，超扫描方法在研究正常被试社交互动的脑间同步性方面已被证实具有较大潜力。相比之下，对ASD和SZ等具有社交缺陷的精神障碍患者，利用超扫描对其社交互动神经同步的研究还寥寥无几。因此，目前研究迫切需要通过超扫描来阐明这些社交障碍背后的神经机制，这将为神经或精神障碍的检测和治疗开辟新的途径。目前精神疾病治疗指南提倡将精神疾病的治疗关口前移，尽量做到早预防、早治疗，将超扫描用于CHR的社交互动研究，可为后续临床干预提供有力的理论依据。

本综述仅介绍了利用相同脑影像技术的超扫描技术。由于多模态神经成像可以同时利用EEG的高时间分辨率、fMRI的高空间分辨率和fNIRS的高生态效度，未来可以使用EEG-fNIRS、EEG-fMRI超扫描技术开展社交互动的神经同步性机制研究，但是不同模态的融合是目前主要技术瓶颈。另外，在社交互动的研究中设计特定场景的社交互动任务是一关键要素，虚拟现实（virtual reality，VR）技术已越来越多地应用到科学研究中，它可以实现模拟完全自然的社交互动场景，可能成为未来研究社交互动的理想工具。