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导读
超扫描研究已经开始揭示社会互动背后的大脑机制，表明人际神经同步(INS)的功能作用，但驱动INS的机制尚不清楚。目前的研究解决了INS是否在功能上有别于其他系统的同步，特别是自主神经系统和运动行为系统。为了验证这一点，研究者使用了并行功能近红外光谱-心电图记录，考察了34对母子以及陌生人-孩子在参与合作和竞争任务时的情况。在神经水平上，母亲-孩子比陌生人-孩子具有更高的同步。自主神经系统和神经同步性在竞争中呈正相关，而在合作中则无相关。这些结果表明，不同的行为和生物系统的同步可能反映不同的过程。母子INS的增加不太可能仅仅由共同的唤醒和行为相似性来解释，这支持了最近的理论，即亲密关系中的INS更高。
前言
精神和身体在西方哲学中被认为是截然不同的。然而，这种二元论在现代科学中并不成立。因为大脑是一个嵌入人体并受其他生物系统影响的互操作系统。对个体被试的神经成像研究表明，自主神经系统(ANS)的波动与大脑活动的变化是相关联的。
在社会交往中，人们在许多不同的层面上同步，包括他们的行为、ANS和神经信号。尽管人际神经同步已在多种交互任务中得到了证实，但可能导致或影响人际神经同步的多种因素目前仍知之甚少。虽然一些研究提供了重要的见解，但是这些研究往往没有考虑到同步可能建立在不同的行为和生物系统上。特别是，对于其他生物系统，如在ANS上，INS和同步之间的关系知之甚少。有研究发现，在情感任务中，如合作和竞争游戏中发现了ANS或大脑信号的同步。此外，最近的一项超扫描研究发现，被试对在完成相互合作的任务时，在大脑信号、心脏和皮肤电信号中观察到显著的同步。因此，虽然神经系统和ANS同步可能同时发生，但尚不清楚它们是否以及在何种条件下与各自相关。
为了测量神经同步，本研究采用功能性近红外光谱(fNIRS)，以高时间分辨率捕获大脑局部血流动力学反应，并提供空间信息来定位驱动INS的大脑区域。为了获得关于两个人的ANS信号之间的时间关系的可比信息，进行高时间分辨率的测量是必要的。心跳间隔(IBI)，即连续心跳之间的时间，提供了一个唤醒度的总体指标，反映了交感神经和副交感神经活动。因此，研究者扩展了fNIRS超扫描，使用同步fNIRS-ECG记录，以同时测量二分体的脑信号和IBIs的同步性。
方法
参与者：最初的样本包括41名女性儿童，年龄在10到18岁之间，她们和自己的母亲(母子对)一起参与了这项研究。此外，每个孩子与一个不认识的成年女性(陌生人-孩子对)执行相同的任务。因为INS已经被证明会受到参与者性别的影响，所以本研究将女性儿童和成年女性作为研究对象。由于有的儿童存在注意缺陷障碍、fNIRS数据质量不高、心脏病等原因，数据被排除在分析之外。最终样本量为34名儿童(Mean=14.26岁，SD=2.206岁，范围：10-18岁)和34名母亲(Mean=45.32岁，SD=4.953岁，范围：37-56岁)组成。此外，共有29名成年女性作为陌生人参与研究(Mean=23.07岁，SD=2.086岁，范围：19-29岁)。其中，26个成年人参加了一次，一个成年人参加了两次，两个成年人参加了三次。
程序：实验前，告知参与者在到达实验室的至少前一个小时不要运动，不要喝酒或能量饮料，不要吸烟，因为这些因素可能会影响ANS测量。每个实验都从基线条件开始，然后再进行合作和竞争任务。实验过程中，参与者挨着坐在一起，面对着一个电脑屏幕。要求参与者把头靠在下巴托上，以减少运动伪迹，并避免互相交谈。为了降低参与者感知彼此动作的能力，在他们的手上盖上一条毛巾。共有17名孩子(50%)先与母亲一起完成三项测量(基线、合作、竞争)，短暂休息后再与陌生人完成同样的三项测量。另外17名孩子的测量顺序正好相反，先与陌生人再与母亲完成三项测量，合作和竞争任务的顺序保持不变。
实验任务：①基线条件是一段3分钟的放松的水上视频(Coral Sea Dreaming珊瑚海之梦，Small World Music Inc.)。②合作竞争任务：研究人员应用改编版本的合作和竞争电脑游戏任务，每个玩家都可以通过按下电脑上的目标键来控制屏幕上的海豚向球的移动，要么一起接球(合作)，要么为自己赢得球(竞争)。在合作过程中，目标是通过尽可能同步的反应一起接球。每个试次开始时，屏幕上都会出现两只海豚。2秒后，会出现一个黑色圆圈（准备信号），在0.6~1.5秒的时间间隔后，将黑色圆圈取而代之的是一个彩色的球（信号）。在通过按下电脑按键发出“go”信号后，二分体被要求尽可能同时做出反应。如果反应时间的差异低于预定义的阈值，两只海豚都跳到球上（此为反馈屏幕，呈现1.5秒），接住球（结果屏幕，1.5秒），并获得一分。如果反应时间的差异超过了阈值，只有较快的海豚跳向球(反馈屏幕)，没有海豚抓住球(结果屏幕)，两个参与者都丢失一分。在竞争任务中，目标是在go信号出现后，比对方更快的按下响应键，自己接球并赢球。
图1.实验任务说明。
多模态数据采集：①ECG数据采集：用消毒液清洗皮肤后，将H98SG、ECG微孔电极(德国Covidien)分别安装在参与者上半身右锁骨略下、下两根肋骨之间的右侧、心尖附近。实验前，将VU-AMS装置内部时钟与刺激计算机时钟同步，保证ECG和fNIRS装置的时间同步。②fNIRS数据采集：两名参与者同时使用采样率为10Hz的fNIRS设备(ETG-4000, Hitachi Medical Corporation, Japan)来采集近红外数据。
ECG和fNIRS数据分析的流程如图2所示。为了确保研究结果的有效性并不是特定于精确测量用来计算同步，研究者还通过计算小波相干性来计算ANS同步，使用尽可能相同的方法用于计算INS。
图2.多模态数据分析流程。
结果
INS：使用全脑和节点脑间密度评估前额叶皮层的神经同步。许多fNIRS超扫描研究的重点是氧合血红蛋白(HbO)信号，但本研究将HbO结果与脱氧血红蛋白(HbR)的结果进行了比较以验证结果和降低假阳性风险。结果表明，在HbO中，只有母子竞争时的密度增加，而在其他条件下，没有发现密度增加。与陌生人-儿童相比，母子密度增加。
图3.人际神经系统与自主神经系统同步在任务与参与者间的差异。
研究者进一步检查了节点密度，通过NMF将节点矩阵的维数降为4，每个分量包含不同贡献节点的集合。
图4.NMF分量(HbO)到大脑区域的映射。
节点密度结果表明存在合作伙伴、竞争和合作效应(图5)。具体来说，在component3和component4，以及component1中，母亲-儿童比陌生人-儿童的密度更高。此外，在component2中，基线条件下，母亲-儿童比陌生人-儿童的密度更高。component3、4主要包括成人和儿童的眶额区和成人的右侧前额叶上区，component1、4主要包括成人和儿童的左侧和右侧前额叶偏侧区。在图4中可以找到对每个component贡献最大的大脑区域。
图5.伙伴和任务对人际神经同步的影响。
ANS同步：在降低时间序列自相关后，通过计算IBI时间序列的互相关来分析ANS同步。通过PACFs检测信号的自相关(图6)。结果发现，在成人的时间序列中存在竞争与伙伴的交互作用，且陌生人在lag=3时的PACF值高于母亲。这种交互作用表明，陌生人-儿童对在竞争时出现了更高的ANS同步，这表明与陌生人-儿童相比，母亲-儿童之间增加的神经同步不太可能仅通过增加的ANS同步来解释。
图6.在母子竞争(CompM)、母子合作(CoopM)、陌生人-儿童竞争(CompStr)、陌生人-儿童合作(CoopStr)、母子基线(BaseM)和陌生者-儿童基线(BaseStr)等条件下，PACF在(A)儿童和(B)成人中平均重采样IBI的时间序列。
结论
与基线条件相比，竞争和合作条件下的INS和ANS同步增加。然而，与陌生人-儿童相比，母子同步性的增加仅在神经水平上存在，而在ANS和行为同步性上没有发现这一效应。使用双脑和双ANS同时记录的多模态超扫描可以更好地进行验证，并更好地了解INS的来源。此外，研究者认为在不同的行为和生物系统中，同步不应该被视为一个单一的共同因素或统一的结构。不同系统中的同步不一定同时发生，相反，它可能反映了不同的过程，其功能意义可能取决于特定环境。总之，本研究的发现为最近的理论提供了支持，即INS在与重要他人相处时更高。
原文：Multimodal hyperscanning reveals that synchrony of body and mind are distinct in mother-child dyads.
https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2022.118982
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