超掃描技術在社會認知神經科學中的作用

(深圳大學心理與社會學院；深圳市情緒與社會認知科學重點實驗室(深圳大學)，深圳 518060)

1 引 言

社會互動在人際交往中起著非常重要的作用(Schilbach et al.,2012)，然而其神經機制卻未得到深入闡明。一種旨在研究人類社會互動的新的神經機制測量方式——多人同步交互掃描(hyperscanning，后文直譯為“超掃描”)應運而生。它以腦與腦之間的耦合為基礎，在特定的動作或認知活動中對兩名或多名被試間的交互作用和腦活動進行同步記錄(Babiloni & Astolfi,2014;Koike,Tanabe,& Sadato,2015)，揭示社會互動的大腦機制，并逐漸成為社會認知神經科學研究的焦點(鄭麗莉,成曉君,胡誼,李先春,2015;Scholkmann,Holper,Wolf,& Wolf,2013)。超掃描技術由來已久，Duane和Behrendt (1965)在證明“超感”溝通存在的實驗中，便首次使用了超掃描技術對多名被試的神經活動進行同步記錄，但“超掃描”概念則是Montague等人(2002)在探討社會互動的fMRI研究中首次提出。超掃描技術幾乎可以依托所有的認知神經科學設備，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。

以往研究發現，與人-機互動相比，人-人互動具有更高的生態效度，能夠激活更多社會認知相關的腦區(Oliveira,2013;Przyrembel,Smallwood,Pauen,& Singer,2012)。此外，與單一被試相比，多被試互動能夠更好地理解個體在人際互動中的認知能力(Hasson,Ghazanfar,Galantucci,Garrod,& Keysers,2012)。所以超掃描為我們在較為真實的社會環境中考察多個被試間的大腦互動神經機制提供了途徑，使我們可以對多個被試大腦的活動信息進行同時采集與分析(Hari & Kujala,2009;Liu & Pelowski,2014)。

社會互動研究主要涉及社會決策和社會交流兩個方面。社會決策領域主要關注人們在社會場景下與博弈相關的行為(如信任與公平、合作與競爭等)。社會交流分為表情交流、動作交流(如模仿與動作協調)、言語交流等。下文分別從這幾個方面綜述近年來利用超掃描技術在不同的實驗設備、不同的實驗范式中得到的人腦在社會互動中的研究結果。

2 信任與公平

信任與公平都是社會互動的重要方面，反應了人們之間復雜的社會關系。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生的神經機制；Tomlind等人(2006)則對比了信任游戲中人-人交互與人-機交互的區別。結果表明，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被激活(King-Casas et al.,2005;Tomlind et al.,2006)。但這種激活只有在兩個被試的互動游戲中才能產生，在計算機模擬的控制條件下，沒有發現類似的扣帶回反應模式(Tomlin et al.,2006)。由此我們推論，在社會互動中與信任相關的腦區主要位于扣帶回。此推論也被自閉癥患者所證實(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，扣帶回的反應與正常人無差異，這主要是因為自閉癥患者在社會交往中缺失了表征行為的社會意圖。

除了信任，公平也是使社會決策順利進行的關鍵因素。Yun等人(2010)使用最后通牒范式(Ultimatum Game)發現額中央頭皮區域的激活增強，并推論這是被試雙方的腦間同步區域；Tang等人(2015)使用相同的范式發現在面對面的經濟交換中，右側顳頂聯合區出現較強的人際腦同步，且隨游戲雙方共享意愿的增加而增加；在利用fMRI超掃描研究對公平獎賞的社會比較中，發現腹側紋狀體區域的激活程度明顯依賴于相對報酬，當自己比對方收入少時紋狀體的BOLD信號降低(Fliessbach et al.,2007)。可見公平涉及社會互動的多個方面，無論是經濟交換還是社會比較，利用超掃描都能夠幫助我們對公平進行更深入的研究。

3 合作與競爭

合作與競爭是社會互動的兩種形式，也是社會決策博弈論的重要內容。近年來，研究者利用囚徒困境、紙牌游戲和按鍵任務等經典范式通過超掃描對合作與競爭進行了研究(Astolfi et al.,2009;Astolfi,Cincotti et al.,2010;Babiloni et al.,2007;Fallani et al.,2010)，且大多文獻都表明在合作情境中被試雙方額區皮層會表現出較強的大腦同步激活(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)。并且研究者發現合作中大腦的同步激活會受到性別因素的影響，Cheng等人(2015)使用按鍵任務發現在異性雙人組而非同性雙人組中，額區出現了與任務相關的跨腦一致性激活。恰恰相反，Baker等人(2016)使用相同的研究范式發現男性雙人組的腦間一致性激活出現在右下前額區(BA10)，女性雙人組的腦間一致性激活出現在右顳葉皮層(BA21,22)，而異性雙人組沒有出現腦間一致性激活。Baker等人(2016)認為，造成此結果的原因主要是男性在合作中更傾向于推測他人意圖與動機，而女性在合作中更傾向于關注他人的動作。兩種認知策略的不同，使男性、女性雙人組在合作中出現不同的腦間一致性激活，也使得異性雙人組沒有出現腦間一致性激活。對于這兩項實驗結果的差異，我們認為可以通過增大被試量，加大探頭密度，進一步澄清實驗結果。

但是對于競爭互動中超掃描的研究結果目前仍存在較大爭議，Babiloni等人(2007)利用囚徒困境收集的數據表明在社會互動中激活最一致的腦區為內側前額葉，且這一同步激活的腦區在所有的競爭情境中都會出現，但是其他研究者利用相同范式進行研究卻發現，在競爭情境中被試雙方激活最一致的腦區位于眶額葉皮層(BA10)(Astolfi et al.,2009;Astolfi,Cincotti et al.,2010)。前者認為內側前額葉皮層的激活主要與個體和同伴競爭時產生的焦慮有關，而后者眶額葉皮層的激活則與個體做出競爭選擇時所付出的認知努力有關。但是另一些研究者利用超掃描技術對競爭互動進行研究時，并沒有發現被試雙方大腦的同步激活(Cheng et al.,2015;Cui et al.,2012)，這些研究結果的差異可能與競爭情境的復雜性和實驗選取的范式不同有關，需要研究者今后改進實驗設計對此進行更深一步的探討。

4 模仿與動作協調

人們在社會交互中常常需要相互交流信息，而模仿與動作協調可以促進人們對信息的理解并對他人做出適當的回應。研究認為，鏡像神經元系統，包括頂下溝，前運動皮層及顳上回是個體對他人意圖和行為進行理解與表征的神經機制(Schippers,Roebroeck,Renken,Nanetti,& Keysers,2010;Singer,2012)，而通過超掃描技術，研究者可以探查鏡像神經元系統是如何在模仿與動作協調中起作用的。

在可視化的手動模仿實驗中，研究者發現了alpha-mu(8～12 Hz)頻帶在右側中央頂葉皮層表現出較強的腦間EEG同步(Dumas,Nadel,Soussignan,Martinerie,& Garnero,2010)。而早在2007年，研究者就指出右側中央頂葉皮層的alpha-mu頻帶是社會協調的重要神經標記物(Tognoli,Lagarde,DeGuzman,& Kelso,2007)，其主要功能是調節個體在社會情境中對其搭檔身體運動的解釋(Naeem,Prasad,Watson,& Kelso,2012)。隨后，研究者進一步對雙人模仿行為中的gamma節律進行研究，發現大腦gamma節律的平均鎖相值(phase locking value)在模仿行為中增加(Dumas,Martinerie,Soussignan,& Nadel,2012)。此外研究者利用NIRS通過手指點擊模仿任務，考察了被試雙方的對側初級運動皮層，證明了與非模仿行為相比，模仿行為會使被試間產生更強的大腦功能聯結及腦間同步(Holper,Scholkmann,& Wolf,2012)。

除了動作協作之外，音樂協奏作為一種更復雜的協作行為，其大腦同步性也可用超掃描來探究(Acquadro,Congedo,& DeRiddeer,2016)。研究發現吉他演奏者在同步音樂演奏中前額區EEG同步振蕩顯著增強(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是由于動作協作而非動作一致性引起的。

5 表情、手勢及言語交流

除了模仿與協調行為，表情、手勢及言語也是社會交流必不可少的。研究者利用NIRS超掃描將面對面交流方式與其他交流方式的大腦機制進行了區分，發現只有面對面的交流而非其他方式交流會使被試的腦間神經同步增加(Jiang et al.,2012;Nozawa,Sasaki,Sakaki,Yokoyama,& Kawashima,2016;Osaka et al.,2015;Yun,2013)。如在面對面對話(dialog：嘴唇張開)時左側額下皮層表現出顯著的腦間同步(Jianget al.,2012)；在面對面哼唱(humming:嘴唇緊閉)時，右側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調造成的(Koike et al.,2015)。以上的研究群體人數僅為兩人，Nozawa等(2016)提高了研究情境的生態效度，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面交流會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)對日常生活也至關重要。研究發現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表現出大腦的同步激活，只是言語信息傳遞過程的大腦同步激活發生在顳頂聯合區和內側前額葉(Baess et al.,2012;Stephens,Silbert& Hasson,2010)，而表情傳遞過程的大腦同步激活發生在前顳葉、腦島以及大腦軀體運動區(Anders et al.,2011)。共同注意任務(joint attention task)是研究眼神交流的主要范式，研究者通過fMRI超掃描發現在共同注意任務中被試間的右側額下回存在更明顯的神經同步激活(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調行為(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推論，自閉癥患者在通過眼神交流共享意圖中存在困難，進而導致額下回的神經同步激活降低(Tanabe et al.,2012)。除此之外研究者根據共同注意任務發現在真實的社會互動情境中，被試雙方的信息流位于顳頂聯合區，而此區域的同步激活則是處于互動中的被試所獨有(Bileka et al.,2015)，這似乎證明了顳頂聯合區是社會互動的關鍵腦區。根據以上研究我們了解到眼神交流能夠促進我們對他人意圖的理解，從而幫助我們更好地與他人交流。

6 總結與展望

超掃描是一種新興的神經科學研究技術，對于考察“社會腦”相關的科學問題十分必要(Hasson,Ghazanfar,Galantucci,Garrod,& Keysers,2012)。它對理解社會互動中人類大腦加工過程的貢獻主要體現在以下三點。一是對社會互動中所有被試的大腦活動進行同步測量，這使得社會互動中大腦神經加工的相關信息得以重現，使研究者可以收集與正在進行的社會互動有關的皮層加工動態信息；二是超掃描的應用使得構造真實有效的社會互動情境成為可能，提高了研究真實性；三是通過超掃描技術的應用，我們能夠更深入地了解一些病人受損的社會互動機制(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的社會互動環境中，可以更清楚地探究病人的異常神經機制，從而開發更有針對性的療法。

但是目前超掃描研究也面臨著許多挑戰，主要是掃描設備的獲得，同步掃描的時間差異，不同設備的敏感性差異等。為了解決這些問題，本文認為可以從以下五個方面努力。第一，設備獲得方面，當沒有足夠資金可用來完成fMRI超掃描時，可以在fMRI設備中安裝兩個線圈，使用一臺設備對兩名被試進行同時掃描(Cui et al.,2012;Lee,Dai & Dix,2010)，或通過局域網連接位于不同地點的多臺fMRI設備同時對多名被試進行掃描(King-Casas et al.,2005)。第二，在設備選擇方面，我們應該根據不同設備自身的特點及實驗目的選擇合適的超掃描方式。已知腦電可對大腦神經活動直接測量，有很高的時間分辨率(Huettel,Song,& McCarthy,2009)；磁共振是對大腦活動間接測量，有很高的空間分辨率(Kaiboriboon,Lüders,Hamaneh,Turnbull,& Lhatoo,2012)。因此當我們關注激活腦區時，基于fMRI的超掃描更適合，當我們關注神經活動的動態性時，EEG超掃描更適合，并且EEG較低的購買價格以及它的可移動性，使得研究者可以對四個以上的被試進行同時掃描；而采用同步EEG-fMRI則有利于全面發掘腦功能聯結的時空特性，是未來超掃描發展的重要方向(雷旭,堯德中,2014;Koike et al.,2015)。第三，在實驗設計方面，由于超掃描涉及的人際互動任務往往比較復雜，所以對實驗設計的要求更高，除了需要對更多的實驗混淆因素進行嚴格控制，更需要研究者設計出能夠反應日常生活中真實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才能更好地服務于超掃描研究。第四，在同步掃描方面，使用帶有兩個線圈的fMRI設備進行超掃描時不同線圈敏感性的差異，或者是通過局域網連接的兩臺設備不同步，都會對同步掃描造成影響。但我們可以使用NIRS代替具有兩個線圈的fMRI設備。Cui等人(2012)已證實使用這兩者所獲得的信息是一樣的，并且NIRS不需要設備的校準，也沒有同步性問題，且易于設計實驗，只是需要NIRS公司增加光纖與探頭的數量。第五，在數據采集與分析方面，超掃描對運動偽跡的去除提出了更高的要求。可利用預接線EEG帽(pre-wired EEG caps)，同時連接并記錄肌電和眼電，并結合頻域信息去除偽跡(Babiloni et al.,2011)。常見的對社會互動中被試雙方大腦信號功能聯結的分析方法有時域相關和頻域相干兩種。一般來說頻域相干更適合基于神經電信號的超掃描，而時域相關(包括Granger的因果分析)則更適合考察基于血流動力學信號的超掃描數據(Babiloni & Astolfi,2014)。除了相關的方法，也可利用多重腦網絡的集群成像對處于互動中的被試大腦進行集群掃描與建模(Duan et al.,2015)，從而研究被試間的神經聯結。相信隨著社會發展，實驗設備的不斷改進，實驗范式的不斷完善，超掃描在未來社會中一定會有更廣泛的應用。

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