功能性近紅外腦成像系統(tǒng)研究不同類型合作行為的神經(jīng)機制差異
根據(jù)相互預測理論，社交互動中的每個人都有一個控制自己行為的系統(tǒng)和另一個預測他人行為的系統(tǒng)；如果一個人的大腦活動與另一個人的大腦活動相似，這代表他們對共同的環(huán)境刺激的反應方式可能相同。隨著超掃描技術的發(fā)展，先前研究已經(jīng)證實在合作行為中，前額葉和顳頂聯(lián)合區(qū)中存在顯著的人際神經(jīng)同步（interbrain synchronization，IBS）。然而，這一領域仍然存在諸多未解之謎，比如先前研究雖然探討了合作行為的神經(jīng)機制，但合作行為存在不同的類型，而不同類型合作行為間的差異以及潛在的影響因素尚未得到全面厘清。
2023年10月，紹興文理學院陳巍團隊聯(lián)合上海師大張明明團隊（紹興文理學院心理學系劉慶明博士為第一作者，上海師范大學張明明副教授和紹興文理學院陳巍教授為共同通訊作者）在國際知名期刊《Brain Structure and Function》（SCI JCR Q1，IF=3.1）在線發(fā)表題為“Inter‑brain neural mechanism and influencing factors underlying different cooperative behaviors: a hyperscanning study” 的研究論文嘗試對上述問題進行探究。
本研究采用日本島津公司研發(fā)生產(chǎn)的功能性近紅外超掃描設備LABNIRS，對兩名被試在三種不同合作任務（分別為：
1、合作按鍵任務：對應需要動作整齊劃一的合作行為；
2、七巧板任務：對應需要進行高級認知加工并且存在固定目標的合作行為；
3、疊疊樂任務：需要進行高級認知加工但不存在固定目標的合作行為）中的大腦神經(jīng)指標進行同步連續(xù)監(jiān)測。實驗流程如圖1所示、腦區(qū)配置見圖2。
圖1 實驗流程
圖2腦區(qū)配置
2023年10月，紹興文理學院陳巍團隊聯(lián)合上海師大張明明團隊（紹興文理學院心理學系劉慶明博士為第一作者，上海師范大學張明明副教授和紹興文理學院陳巍教授為共同通訊作者）在國際知名期刊《Brain Structure and Function》（SCI JCR Q1，IF=3.1）在線發(fā)表題為“Inter‑brain neural mechanism and influencing factors underlying different cooperative behaviors: a hyperscanning study” 的研究論文嘗試對上述問題進行探究。
相關腦科學設備
本研究采用日本島津公司研發(fā)生產(chǎn)的功能性近紅外超掃描設備LABNIRS，對兩名被試在三種不同合作任務（分別為：
1、合作按鍵任務：對應需要動作整齊劃一的合作行為；
2、七巧板任務：對應需要進行高級認知加工并且存在固定目標的合作行為；
3、疊疊樂任務：需要進行高級認知加工但不存在固定目標的合作行為）中的大腦神經(jīng)指標進行同步連續(xù)監(jiān)測。實驗流程如圖1所示、腦區(qū)配置見圖2。
圖1 實驗流程
圖1：實驗任務和程序及實驗室場景；(a)合作按鍵任務，被試同組二人需要盡可能同時對刺激做出反應，按下按鍵；(b)七巧板任務，被試輪流從面前的七巧板中選擇一塊來完成七巧板，在120秒內(nèi)完成盡可能多的圖案(每張卡一個圖案)；(c)疊疊樂任務，被試輪流將積木移到頂層，頂部和底部的積木不能移動。圖中顯示了不同合作任務的順序。屏幕上的黃色、橙色和綠色條表示三個合作任務。場景是在實驗現(xiàn)場拍攝的照片。
圖2腦區(qū)配置
圖2：光極排布；每位被試佩戴15個光極（8個發(fā)射器，7個接收器），在大腦右側(cè)顳頂皮質(zhì)形成12個測量通道，在右側(cè)前額葉形成7個測量通道。
研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：
1、三種任務在大腦額葉和顳頂聯(lián)合區(qū)的激活程度存在差異，合作按鍵任務的激活程度高于七巧板任務，七巧板任務的激活程度高于疊疊樂任務，如圖3。
2、合作按鍵任務在前額和顳頂聯(lián)合皮層的IBS顯著高于其余兩種合作任務。這表明在社會認知、行為反應和認知加工三個維度上，不同的合作任務的腦內(nèi)激活和腦間同步存在顯著差異。此外，七巧板任務和疊疊樂任務存在顯著的學習效應，即這兩種合作任務中Block 2的IBS均高于Block 1，但在合作按鍵任務中不存在這種學習效應。
研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：
1、三種任務在大腦額葉和顳頂聯(lián)合區(qū)的激活程度存在差異，合作按鍵任務的激活程度高于七巧板任務，七巧板任務的激活程度高于疊疊樂任務，如圖3。
2、合作按鍵任務在前額和顳頂聯(lián)合皮層的IBS顯著高于其余兩種合作任務。這表明在社會認知、行為反應和認知加工三個維度上，不同的合作任務的腦內(nèi)激活和腦間同步存在顯著差異。此外，七巧板任務和疊疊樂任務存在顯著的學習效應，即這兩種合作任務中Block 2的IBS均高于Block 1，但在合作按鍵任務中不存在這種學習效應。
圖3：三種合作任務在腦內(nèi)激活上的差異；(a)合作按鍵任務VS. 疊疊樂任務；(b)合作按鍵任務VS. 七巧板任務；以及(c)七巧板任務VS. 疊疊樂任務。
在三種合作任務中，有效信息集中在兩個關鍵的前額葉區(qū)域，即布羅德曼腦區(qū)BA10-BA09。而BA6和BA8從BA10和BA09接收信息，BA40又從BA6接收信息，BA22從BA10接收信息�？偟膩碚f，三種合作任務的信息流向為從進行初始認知加工的BA10和BA09，然后到負責行動計劃的BA6，再到負責社會感知的BA40和BA22，最終形成一個完整信息回路。
另外，三種任務的腦內(nèi)有效連接（Effective connectivity）存在差異。疊疊樂和七巧板任務的有效連接顯著高于合作按鍵任務，疊疊樂任務的有效連接也顯著高于七巧板任務，如圖4。這表明高認知負荷、合作目標不受約束的疊疊樂任務需要更頻繁的各個腦區(qū)間的信息交流，而低認知負荷、動作一致的合作按鍵任務所需的功能連接顯著低于兩種高認知負荷合作任務。
在三種合作任務中，有效信息集中在兩個關鍵的前額葉區(qū)域，即布羅德曼腦區(qū)BA10-BA09。而BA6和BA8從BA10和BA09接收信息，BA40又從BA6接收信息，BA22從BA10接收信息�？偟膩碚f，三種合作任務的信息流向為從進行初始認知加工的BA10和BA09，然后到負責行動計劃的BA6，再到負責社會感知的BA40和BA22，最終形成一個完整信息回路。
另外，三種任務的腦內(nèi)有效連接（Effective connectivity）存在差異。疊疊樂和七巧板任務的有效連接顯著高于合作按鍵任務，疊疊樂任務的有效連接也顯著高于七巧板任務，如圖4。這表明高認知負荷、合作目標不受約束的疊疊樂任務需要更頻繁的各個腦區(qū)間的信息交流，而低認知負荷、動作一致的合作按鍵任務所需的功能連接顯著低于兩種高認知負荷合作任務。
圖4：三種不同合作任務的腦內(nèi)有效連接的差異；(a)合作按鍵任務；(b)疊疊樂任務；(c)七巧板任務。
對性別差異研究的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，男性同理心得分低于女性，在三種合作任務中，不存在顯著的腦間同步差異，但男性腦內(nèi)激活程度更高，男性在前額葉(BA09和BA10)的有效連接顯著高于女性，見圖5。這表明男性參與者需要更強的腦內(nèi)激活，以達到與女性相同的腦間同步水平。此外，腦激活和人格特質(zhì)相關性的結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在女性參與者中，神經(jīng)質(zhì)得分與疊疊樂任務激活呈負相關；在男性參與者中，三個合作任務的大腦活動與人格和共情五個維度得分之間不存在相關，見圖6。這表明在執(zhí)行涉及高認知需求的合作任務時，神經(jīng)質(zhì)可能是女性參與者神經(jīng)激活的一個重要預測因子。
對性別差異研究的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，男性同理心得分低于女性，在三種合作任務中，不存在顯著的腦間同步差異，但男性腦內(nèi)激活程度更高，男性在前額葉(BA09和BA10)的有效連接顯著高于女性，見圖5。這表明男性參與者需要更強的腦內(nèi)激活，以達到與女性相同的腦間同步水平。此外，腦激活和人格特質(zhì)相關性的結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在女性參與者中，神經(jīng)質(zhì)得分與疊疊樂任務激活呈負相關；在男性參與者中，三個合作任務的大腦活動與人格和共情五個維度得分之間不存在相關，見圖6。這表明在執(zhí)行涉及高認知需求的合作任務時，神經(jīng)質(zhì)可能是女性參與者神經(jīng)激活的一個重要預測因子。
圖5：女性和男性腦內(nèi)有效連接的差異；(a)女性的腦內(nèi)有效連接；(b)男性的腦內(nèi)有效連接；(c1)群體效應后分析的c1 T值；以及(c2)Bonferroni校正后的P值，P值<0.05以黃色標示。X和Y軸表示通道。
圖6：BA40(CH01，CH03，CH06，CH09)、BA6：(CH02，C，H04)和BA9(CH15)的腦內(nèi)激活與個體特征的關系；(a)在女性中，神經(jīng)質(zhì)得分與FDR后疊疊樂任務的腦內(nèi)激活呈負相關；(b)在男性中，在三個合作任務中的腦激活與人格和共情五個維度的得分不存在相關。
研究總結(jié)
總的來說，三種不同的合作任務因為任務屬性和認知加工水平的不同，導致了腦區(qū)激活、有效信息連接和腦間同步的差異。不同性別也在合作行為中表現(xiàn)出了顯著差異，人格特質(zhì)中的神經(jīng)質(zhì)可能是預測女性在合作任務中神經(jīng)激活的重要指標。此外，本研究還表明，相互預測理論對于理解合作行為的神經(jīng)機制至關重要。本研究總結(jié)了不同種類合作行為的潛在神經(jīng)機制和影響因素，這為合作行為的研究提供了更多實證基礎。
參考文獻：Liu, Q., Cui, H., Huang, B., Huang, Y, Sun, H., Ru, X., Zhang, M. & Chen W. (2023). Inter‑brain neural mechanism and influencing factors underlying different cooperative behaviors: a hyperscanning study. Brain Structure and Function. https://doi.org/10.1007/s00429-023-02700-4
研究總結(jié)
總的來說，三種不同的合作任務因為任務屬性和認知加工水平的不同，導致了腦區(qū)激活、有效信息連接和腦間同步的差異。不同性別也在合作行為中表現(xiàn)出了顯著差異，人格特質(zhì)中的神經(jīng)質(zhì)可能是預測女性在合作任務中神經(jīng)激活的重要指標。此外，本研究還表明，相互預測理論對于理解合作行為的神經(jīng)機制至關重要。本研究總結(jié)了不同種類合作行為的潛在神經(jīng)機制和影響因素，這為合作行為的研究提供了更多實證基礎。
參考文獻：Liu, Q., Cui, H., Huang, B., Huang, Y, Sun, H., Ru, X., Zhang, M. & Chen W. (2023). Inter‑brain neural mechanism and influencing factors underlying different cooperative behaviors: a hyperscanning study. Brain Structure and Function. https://doi.org/10.1007/s00429-023-02700-4
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