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功能性近红外脑成像系统研究不同类型合作行为的神经机制差异

浏览次数:3766 发布日期:2024-1-16  来源:本站 仅供参考,谢绝转载,否则责任自负
根据相互预测理论,社交互动中的每个人都有一个控制自己行为的系统和另一个预测他人行为的系统;如果一个人的大脑活动与另一个人的大脑活动相似,这代表他们对共同的环境刺激的反应方式可能相同。随着超扫描技术的发展,先前研究已经证实在合作行为中,前额叶和颞顶联合区中存在显著的人际神经同步(interbrain synchronization,IBS)。然而,这一领域仍然存在诸多未解之谜,比如先前研究虽然探讨了合作行为的神经机制,但合作行为存在不同的类型,而不同类型合作行为间的差异以及潜在的影响因素尚未得到全面厘清。

2023年10月,绍兴文理学院陈巍团队联合上海师大张明明团队(绍兴文理学院心理学系刘庆明博士为第一作者,上海师范大学张明明副教授和绍兴文理学院陈巍教授为共同通讯作者)在国际知名期刊《Brain Structure and Function》(SCI JCR Q1,IF=3.1)在线发表题为“Inter‑brain neural mechanism and influencing factors underlying different cooperative behaviors: a hyperscanning study” 的研究论文尝试对上述问题进行探究。
 
相关脑科学设备
 

本研究采用日本岛津公司研发生产的功能性近红外超扫描设备LABNIRS,对两名被试在三种不同合作任务(分别为:

1、合作按键任务:对应需要动作整齐划一的合作行为;

2、七巧板任务:对应需要进行高级认知加工并且存在固定目标的合作行为;

3、叠叠乐任务:需要进行高级认知加工但不存在固定目标的合作行为)中的大脑神经指标进行同步连续监测。实验流程如图1所示、脑区配置见图2。
 

图1 实验流程
 
图1:实验任务和程序及实验室场景;(a)合作按键任务,被试同组二人需要尽可能同时对刺激做出反应,按下按键;(b)七巧板任务,被试轮流从面前的七巧板中选择一块来完成七巧板,在120秒内完成尽可能多的图案(每张卡一个图案);(c)叠叠乐任务,被试轮流将积木移到顶层,顶部和底部的积木不能移动。图中显示了不同合作任务的顺序。屏幕上的黄色、橙色和绿色条表示三个合作任务。场景是在实验现场拍摄的照片。
 

图2脑区配置
 
图2:光极排布;每位被试佩戴15个光极(8个发射器,7个接收器),在大脑右侧颞顶皮质形成12个测量通道,在右侧前额叶形成7个测量通道。

研究结果发现:

1、三种任务在大脑额叶和颞顶联合区的激活程度存在差异,合作按键任务的激活程度高于七巧板任务,七巧板任务的激活程度高于叠叠乐任务,如图3。

2、合作按键任务在前额和颞顶联合皮层的IBS显著高于其余两种合作任务。这表明在社会认知、行为反应和认知加工三个维度上,不同的合作任务的脑内激活和脑间同步存在显著差异。此外,七巧板任务和叠叠乐任务存在显著的学习效应,即这两种合作任务中Block 2的IBS均高于Block 1,但在合作按键任务中不存在这种学习效应。
 
图3:三种合作任务在脑内激活上的差异;(a)合作按键任务VS. 叠叠乐任务;(b)合作按键任务VS. 七巧板任务;以及(c)七巧板任务VS. 叠叠乐任务。

在三种合作任务中,有效信息集中在两个关键的前额叶区域,即布罗德曼脑区BA10-BA09。而BA6和BA8从BA10和BA09接收信息,BA40又从BA6接收信息,BA22从BA10接收信息。总的来说,三种合作任务的信息流向为从进行初始认知加工的BA10和BA09,然后到负责行动计划的BA6,再到负责社会感知的BA40和BA22,最终形成一个完整信息回路。

另外,三种任务的脑内有效连接(Effective connectivity)存在差异。叠叠乐和七巧板任务的有效连接显著高于合作按键任务,叠叠乐任务的有效连接也显著高于七巧板任务,如图4。这表明高认知负荷、合作目标不受约束的叠叠乐任务需要更频繁的各个脑区间的信息交流,而低认知负荷、动作一致的合作按键任务所需的功能连接显著低于两种高认知负荷合作任务。
 
图4:三种不同合作任务的脑内有效连接的差异;(a)合作按键任务;(b)叠叠乐任务;(c)七巧板任务。

对性别差异研究的结果发现,男性同理心得分低于女性,在三种合作任务中,不存在显著的脑间同步差异,但男性脑内激活程度更高,男性在前额叶(BA09和BA10)的有效连接显著高于女性,见图5。这表明男性参与者需要更强的脑内激活,以达到与女性相同的脑间同步水平。此外,脑激活和人格特质相关性的结果发现:在女性参与者中,神经质得分与叠叠乐任务激活呈负相关;在男性参与者中,三个合作任务的大脑活动与人格和共情五个维度得分之间不存在相关,见图6。这表明在执行涉及高认知需求的合作任务时,神经质可能是女性参与者神经激活的一个重要预测因子。
 

 
图5:女性和男性脑内有效连接的差异;(a)女性的脑内有效连接;(b)男性的脑内有效连接;(c1)群体效应后分析的c1 T值;以及(c2)Bonferroni校正后的P值,P值<0.05以黄色标示。X和Y轴表示通道。
 

 
图6:BA40(CH01,CH03,CH06,CH09)、BA6:(CH02,C,H04)和BA9(CH15)的脑内激活与个体特征的关系;(a)在女性中,神经质得分与FDR后叠叠乐任务的脑内激活呈负相关;(b)在男性中,在三个合作任务中的脑激活与人格和共情五个维度的得分不存在相关。

研究总结

总的来说,三种不同的合作任务因为任务属性和认知加工水平的不同,导致了脑区激活、有效信息连接和脑间同步的差异。不同性别也在合作行为中表现出了显著差异,人格特质中的神经质可能是预测女性在合作任务中神经激活的重要指标。此外,本研究还表明,相互预测理论对于理解合作行为的神经机制至关重要。本研究总结了不同种类合作行为的潜在神经机制和影响因素,这为合作行为的研究提供了更多实证基础。

参考文献: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
 
来源:北京飞宇星电子科技有限公司
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