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功能性近紅外腦成像系統研究不同類(lèi)型合作行為的神經(jīng)機制差異

瀏覽次數:4778 發(fā)布日期:2024-1-16  來(lái)源:本站 僅供參考,謝絕轉載,否則責任自負
根據相互預測理論,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和另一個(gè)預測他人行為的系統;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,這代表他們對共同的環(huán)境刺激的反應方式可能相同。隨著(zhù)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)合區中存在顯著(zhù)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)院陳巍團隊聯(lián)合上海師大張明明團隊(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)在國際知名期刊《Brain Structure and Function》(SCI JCR Q1,IF=3.1)在線(xiàn)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(wèn)題進(jìn)行探究。
 
相關(guān)腦科學(xué)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(wù)(分別為:

1、合作按鍵任務(wù):對應需要動(dòng)作整齊劃一的合作行為;

2、七巧板任務(wù):對應需要進(jìn)行高級認知加工并且存在固定目標的合作行為;

3、疊疊樂(lè )任務(wù):需要進(jìn)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(jìn)行同步連續監測。實(shí)驗流程如圖1所示、腦區配置見(jiàn)圖2。
 

圖1 實(shí)驗流程
 
圖1:實(shí)驗任務(wù)和程序及實(shí)驗室場(chǎng)景;(a)合作按鍵任務(wù),被試同組二人需要盡可能同時(shí)對刺激做出反應,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)驗現場(chǎng)拍攝的照片。
 

圖2腦區配置
 
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),在大腦右側顳頂皮質(zhì)形成12個(gè)測量通道,在右側前額葉形成7個(gè)測量通道。

研究結果發(fā)現:

1、三種任務(wù)在大腦額葉和顳頂聯(lián)合區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(zhù)高于其余兩種合作任務(wù)。這表明在社會(huì )認知、行為反應和認知加工三個(gè)維度上,不同的合作任務(wù)的腦內激活和腦間同步存在顯著(zhù)差異。此外,七巧板任務(wù)和疊疊樂(lè )任務(wù)存在顯著(zhù)的學(xué)習效應,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)習效應。
 
圖3:三種合作任務(wù)在腦內激活上的差異;(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)鍵的前額葉區域,即布羅德曼腦區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)的信息流向為從進(jìn)行初始認知加工的BA10和BA09,然后到負責行動(dòng)計劃的BA6,再到負責社會(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(zhù)高于合作按鍵任務(wù),疊疊樂(lè )任務(wù)的有效連接也顯著(zhù)高于七巧板任務(wù),如圖4。這表明高認知負荷、合作目標不受約束的疊疊樂(lè )任務(wù)需要更頻繁的各個(gè)腦區間的信息交流,而低認知負荷、動(dòng)作一致的合作按鍵任務(wù)所需的功能連接顯著(zhù)低于兩種高認知負荷合作任務(wù)。
 
圖4:三種不同合作任務(wù)的腦內有效連接的差異;(a)合作按鍵任務(wù);(b)疊疊樂(lè )任務(wù);(c)七巧板任務(wù)。

對性別差異研究的結果發(fā)現,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(zhù)的腦間同步差異,但男性腦內激活程度更高,男性在前額葉(BA09和BA10)的有效連接顯著(zhù)高于女性,見(jiàn)圖5。這表明男性參與者需要更強的腦內激活,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(guān)性的結果發(fā)現: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。這表明在執行涉及高認知需求的合作任務(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)重要預測因子。
 

 
圖5:女性和男性腦內有效連接的差異;(a)女性的腦內有效連接;(b)男性的腦內有效連接;(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)的腦內激活呈負相關(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

總的來(lái)說(shuō),三種不同的合作任務(wù)因為任務(wù)屬性和認知加工水平的不同,導致了腦區激活、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出了顯著(zhù)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(wù)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(guān)重要。本研究總結了不同種類(lèi)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(shí)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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