功能性近紅外腦成像系統(tǒng)研究不同類(lèi)型合作行為的神經(jīng)機(jī)制差異
根據(jù)相互預(yù)測(cè)理論，社交互動(dòng)中的每個(gè)人都有一個(gè)控制自己行為的系統(tǒng)和另一個(gè)預(yù)測(cè)他人行為的系統(tǒng)；如果一個(gè)人的大腦活動(dòng)與另一個(gè)人的大腦活動(dòng)相似，這代表他們對(duì)共同的環(huán)境刺激的反應(yīng)方式可能相同。隨著超掃描技術(shù)的發(fā)展，先前研究已經(jīng)證實(shí)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(lǐng)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(jī)制，但合作行為存在不同的類(lèi)型，而不同類(lèi)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(xué)院陳巍團(tuán)隊(duì)聯(lián)合上海師大張明明團(tuán)隊(duì)（紹興文理學(xué)院心理學(xué)系劉慶明博士為第一作者，上海師范大學(xué)張明明副教授和紹興文理學(xué)院陳巍教授為共同通訊作者）在國(guó)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(duì)上述問(wèn)題進(jìn)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(shè)備LABNIRS，對(duì)兩名被試在三種不同合作任務(wù)（分別為：
1、合作按鍵任務(wù)：對(duì)應(yīng)需要?jiǎng)幼髡R劃一的合作行為；
2、七巧板任務(wù)：對(duì)應(yīng)需要進(jìn)行高級(jí)認(rèn)知加工并且存在固定目標(biāo)的合作行為；
3、疊疊樂(lè)任務(wù)：需要進(jìn)行高級(jí)認(rèn)知加工但不存在固定目標(biāo)的合作行為）中的大腦神經(jīng)指標(biāo)進(jìn)行同步連續(xù)監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示、腦區(qū)配置見(jiàn)圖2。
圖1 實(shí)驗(yàn)流程
圖2腦區(qū)配置
2023年10月，紹興文理學(xué)院陳巍團(tuán)隊(duì)聯(lián)合上海師大張明明團(tuán)隊(duì)（紹興文理學(xué)院心理學(xué)系劉慶明博士為第一作者，上海師范大學(xué)張明明副教授和紹興文理學(xué)院陳巍教授為共同通訊作者）在國(guó)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(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行探究。
相關(guān)腦科學(xué)設(shè)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(shè)備LABNIRS，對(duì)兩名被試在三種不同合作任務(wù)（分別為：
1、合作按鍵任務(wù)：對(duì)應(yīng)需要?jiǎng)幼髡R劃一的合作行為；
2、七巧板任務(wù)：對(duì)應(yīng)需要進(jìn)行高級(jí)認(rèn)知加工并且存在固定目標(biāo)的合作行為；
3、疊疊樂(lè)任務(wù)：需要進(jìn)行高級(jí)認(rèn)知加工但不存在固定目標(biāo)的合作行為）中的大腦神經(jīng)指標(biāo)進(jìn)行同步連續(xù)監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示、腦區(qū)配置見(jiàn)圖2。
圖1 實(shí)驗(yàn)流程
圖1：實(shí)驗(yàn)任務(wù)和程序及實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景；(a)合作按鍵任務(wù)，被試同組二人需要盡可能同時(shí)對(duì)刺激做出反應(yīng)，按下按鍵；(b)七巧板任務(wù)，被試輪流從面前的七巧板中選擇一塊來(lái)完成七巧板，在120秒內(nèi)完成盡可能多的圖案(每張卡一個(gè)圖案)；(c)疊疊樂(lè)任務(wù)，被試輪流將積木移到頂層，頂部和底部的積木不能移動(dòng)。圖中顯示了不同合作任務(wù)的順序。屏幕上的黃色、橙色和綠色條表示三個(gè)合作任務(wù)。場(chǎng)景是在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)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(gè)光極（8個(gè)發(fā)射器，7個(gè)接收器），在大腦右側(cè)顳頂皮質(zhì)形成12個(gè)測(cè)量通道，在右側(cè)前額葉形成7個(gè)測(cè)量通道。
研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：
1、三種任務(wù)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(wù)的激活程度高于七巧板任務(wù)，七巧板任務(wù)的激活程度高于疊疊樂(lè)任務(wù)，如圖3。
2、合作按鍵任務(wù)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(wù)。這表明在社會(huì)認(rèn)知、行為反應(yīng)和認(rèn)知加工三個(gè)維度上，不同的合作任務(wù)的腦內(nèi)激活和腦間同步存在顯著差異。此外，七巧板任務(wù)和疊疊樂(lè)任務(wù)存在顯著的學(xué)習(xí)效應(yīng)，即這兩種合作任務(wù)中Block 2的IBS均高于Block 1，但在合作按鍵任務(wù)中不存在這種學(xué)習(xí)效應(yīng)。
研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：
1、三種任務(wù)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(wù)的激活程度高于七巧板任務(wù)，七巧板任務(wù)的激活程度高于疊疊樂(lè)任務(wù)，如圖3。
2、合作按鍵任務(wù)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(wù)。這表明在社會(huì)認(rèn)知、行為反應(yīng)和認(rèn)知加工三個(gè)維度上，不同的合作任務(wù)的腦內(nèi)激活和腦間同步存在顯著差異。此外，七巧板任務(wù)和疊疊樂(lè)任務(wù)存在顯著的學(xué)習(xí)效應(yīng)，即這兩種合作任務(wù)中Block 2的IBS均高于Block 1，但在合作按鍵任務(wù)中不存在這種學(xué)習(xí)效應(yīng)。
圖3：三種合作任務(wù)在腦內(nèi)激活上的差異；(a)合作按鍵任務(wù)VS. 疊疊樂(lè)任務(wù)；(b)合作按鍵任務(wù)VS. 七巧板任務(wù)；以及(c)七巧板任務(wù)VS. 疊疊樂(lè)任務(wù)。
在三種合作任務(wù)中，有效信息集中在兩個(gè)關(guān)鍵的前額葉區(qū)域，即布羅德曼腦區(qū)BA10-BA09。而B(niǎo)A6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�(lái)說(shuō)，三種合作任務(wù)的信息流向?yàn)閺倪M(jìn)行初始認(rèn)知加工的BA10和BA09，然后到負(fù)責(zé)行動(dòng)計(jì)劃的BA6，再到負(fù)責(zé)社會(huì)感知的BA40和BA22，最終形成一個(gè)完整信息回路。
另外，三種任務(wù)的腦內(nèi)有效連接（Effective connectivity）存在差異。疊疊樂(lè)和七巧板任務(wù)的有效連接顯著高于合作按鍵任務(wù)，疊疊樂(lè)任務(wù)的有效連接也顯著高于七巧板任務(wù)，如圖4。這表明高認(rèn)知負(fù)荷、合作目標(biāo)不受約束的疊疊樂(lè)任務(wù)需要更頻繁的各個(gè)腦區(qū)間的信息交流，而低認(rèn)知負(fù)荷、動(dòng)作一致的合作按鍵任務(wù)所需的功能連接顯著低于兩種高認(rèn)知負(fù)荷合作任務(wù)。
在三種合作任務(wù)中，有效信息集中在兩個(gè)關(guān)鍵的前額葉區(qū)域，即布羅德曼腦區(qū)BA10-BA09。而B(niǎo)A6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�(lái)說(shuō)，三種合作任務(wù)的信息流向?yàn)閺倪M(jìn)行初始認(rèn)知加工的BA10和BA09，然后到負(fù)責(zé)行動(dòng)計(jì)劃的BA6，再到負(fù)責(zé)社會(huì)感知的BA40和BA22，最終形成一個(gè)完整信息回路。
另外，三種任務(wù)的腦內(nèi)有效連接（Effective connectivity）存在差異。疊疊樂(lè)和七巧板任務(wù)的有效連接顯著高于合作按鍵任務(wù)，疊疊樂(lè)任務(wù)的有效連接也顯著高于七巧板任務(wù)，如圖4。這表明高認(rèn)知負(fù)荷、合作目標(biāo)不受約束的疊疊樂(lè)任務(wù)需要更頻繁的各個(gè)腦區(qū)間的信息交流，而低認(rèn)知負(fù)荷、動(dòng)作一致的合作按鍵任務(wù)所需的功能連接顯著低于兩種高認(rèn)知負(fù)荷合作任務(wù)。
圖4：三種不同合作任務(wù)的腦內(nèi)有效連接的差異；(a)合作按鍵任務(wù)；(b)疊疊樂(lè)任務(wù)；(c)七巧板任務(wù)。
對(duì)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(wù)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(jiàn)圖5。這表明男性參與者需要更強(qiáng)的腦內(nèi)激活，以達(dá)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(guān)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(lè)任務(wù)激活呈負(fù)相關(guān)；在男性參與者中，三個(gè)合作任務(wù)的大腦活動(dòng)與人格和共情五個(gè)維度得分之間不存在相關(guān)，見(jiàn)圖6。這表明在執(zhí)行涉及高認(rèn)知需求的合作任務(wù)時(shí)，神經(jīng)質(zhì)可能是女性參與者神經(jīng)激活的一個(gè)重要預(yù)測(cè)因子。
對(duì)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(wù)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(jiàn)圖5。這表明男性參與者需要更強(qiáng)的腦內(nèi)激活，以達(dá)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(guān)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(lè)任務(wù)激活呈負(fù)相關(guān)；在男性參與者中，三個(gè)合作任務(wù)的大腦活動(dòng)與人格和共情五個(gè)維度得分之間不存在相關(guān)，見(jiàn)圖6。這表明在執(zhí)行涉及高認(rèn)知需求的合作任務(wù)時(shí)，神經(jīng)質(zhì)可能是女性參與者神經(jīng)激活的一個(gè)重要預(yù)測(cè)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(yīng)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(biāo)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(gè)體特征的關(guān)系；(a)在女性中，神經(jīng)質(zhì)得分與FDR后疊疊樂(lè)任務(wù)的腦內(nèi)激活呈負(fù)相關(guān)；(b)在男性中，在三個(gè)合作任務(wù)中的腦激活與人格和共情五個(gè)維度的得分不存在相關(guān)。
研究總結(jié)
總的來(lái)說(shuō)，三種不同的合作任務(wù)因?yàn)槿蝿?wù)屬性和認(rèn)知加工水平的不同，導(dǎo)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(yù)測(cè)女性在合作任務(wù)中神經(jīng)激活的重要指標(biāo)。此外，本研究還表明，相互預(yù)測(cè)理論對(duì)于理解合作行為的神經(jīng)機(jī)制至關(guān)重要。本研究總結(jié)了不同種類(lèi)合作行為的潛在神經(jīng)機(jī)制和影響因素，這為合作行為的研究提供了更多實(shí)證基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)：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(lái)說(shuō)，三種不同的合作任務(wù)因?yàn)槿蝿?wù)屬性和認(rèn)知加工水平的不同，導(dǎo)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(yù)測(cè)女性在合作任務(wù)中神經(jīng)激活的重要指標(biāo)。此外，本研究還表明，相互預(yù)測(cè)理論對(duì)于理解合作行為的神經(jīng)機(jī)制至關(guān)重要。本研究總結(jié)了不同種類(lèi)合作行為的潛在神經(jīng)機(jī)制和影響因素，這為合作行為的研究提供了更多實(shí)證基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)：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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