作者：李先春
出版社：华东师范大学出版社
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超扫描技术与社会认知试读：
前言
人类以及某些高级动物具有高度社会性的特点，其典型特征是个体的行为受到其与周围人或环境的交互作用的影响。当个体为了满足某种需要而相互采取社会行动时就形成了社会互动（social interaction），它是一种个体对他人采取社会行动，同时对方作出反应性社会行动的过程。在社会互动期间，一方面我们不断地关注自己的行动对他人的影响；另一方面，他人的响应或期望也将改变我们的行动。社会互动不仅可以发生在个体与个体之间，也可以发生在个体与群体之间、群体与群体之间、民族与民族之间以及国家与国家之间。因此，社会互动具有显著的动态性、复杂性等特点。一方面，对于单个个体来说，社会互动的发生对于生存或发展具有极其重要的意义，个体的行为明显地被周围人所塑造，同时个体也期望与周围人发生社会互动，以至于遭到周围人的隔离被视作一种惩罚或折磨，社会隔离是引发高死亡率的重要风险因素。另外，对于个体所组成的群体、社会以及国家等，社会互动还能增进人类社会中个体间的相互了解，并逐渐形成良好的人际关系，促进社会和国家的稳定与发展。另一方面，社会互动功能的减弱或缺陷被证实是多种心理或精神疾病的典型特征，比如自闭症、精神分裂症等。因此，揭示社会互动的心理与脑机制有着重要的理论和实践意义。
近年来，神经影像学技术不断的发展与完善，数学、工程学、计算机科学等融入到影像学数据分析中，极大地促进了人们对认知活动的心理以及脑活动规律的认识，比如对感知觉、记忆、注意以及运动控制等认知活动的内在本质的认识有了飞跃式进展。其中，有些发现已经转化为现实的生产力，人工智能产品便是其中一个典型的例子。社会互动作为高级的认知活动，吸引了众多工作者的研究兴趣与目光，他们结合了经典的心理学和神经影像学研究技术，在社会互动的内在本质方面取得了较大的进展，提出了多种社会互动理论，丰富了我们对社会互动的理解。然而，已有相关研究集中表现出以下缺点：（1）自然环境下社会互动的主体涉及两个个体（或群体），主体间的相互影响是社会互动的本质特点。已有的相关研究工作忽略了这种主体间的互动性，其常用的研究范式是将单个被试置于实验室中，给予一个特定的、事先设计好的社会互动情景，和一个虚拟个体（即计算机或程序）或者不能实时发生互动的个体共同完成特定的社会互动任务。该种研究范式实质上是将研究对象从社会互动情景中隔离开来，导致其所揭示的心理与脑活动规律不能客观地反映社会互动的特有规律。（2）在认知神经科学的研究框架下，仅通过分析单个被试执行特定认知活动过程中的脑活动情况，阐述该种认知活动的神经基础。但是，对于社会互动相关的脑基础来说，仅分析单个被试的脑活动无法量化主体双方的互动关系。例如，记录乐团中的单个个体在演奏的不同阶段的脑活动，可以揭示与不同动作相关的脑基础，却无法找到恰当的指标来描述乐团中多个演奏者间的互动关系与动态变化情况。因此，我们需要一种能反映主体双方互动关系的全新的数据呈现方式，包括数据采集系统和数据分析方法等。
超扫描技术（hyperscanning）是近年来迅速发展的一种神经影像学技术，是指通过同时记录参与同一认知活动的两人或多人的脑活动，以分析脑间活动同步（interpersonal neural synchronization，INS）为主要手段，提供主体间的互动程度与动态变化相关的证据，从全新的考察视角阐述多人互动相关的脑—脑互动规律。目前，该技术在探究诸如合作与竞争、模仿行为、人际交流以及师生互动等多种社会互动的脑—脑机制方面取得了巨大的进展。已有研究一致发现上述互动过程中伴随着明显的脑间活动同步，而且脑间活动同步程度可以预测社会互动的质量。与此同时，为数较少的超扫描研究表明，脑间活动同步能反映精神疾病患者的社会功能缺陷以及评估治疗方案。因此，脑间活动同步可以作为衡量社会互动的一种客观的神经标记，有助于揭示社会互动的内在本质，也有利于评估特殊人群的社会功能缺陷以及优化干预方案等。
本书介绍近年来超扫描视角下的社会互动研究，以超扫描研究框架下所发现的脑间活动同步为主线，重点阐述合作与竞争、人际交流、经济决策、社会沟通系统产生以及精神疾病患者社会互动缺陷的脑—脑互动的特有规律。同时，由于超扫描技术刚刚起步，本书梳理了其在影像学数据采集、分析以及结果解释方面所面临的较大挑战与困境，并展望了超扫描技术在未来研究中的潜在应用。整书的具体内容包括脑—脑耦合：创造和同享社会世界的一种机制（第一章）、超扫描技术及其发展现状（第二章）、超扫描研究的数据分析方法（第三章）、超扫描视角下的合作与竞争行为（第四章）、超扫描视角下的人际交流（第五章）、超扫描视角下的社会决策（第六章）、超扫描视角下的人际互动与亲社会行为（第七章）、超扫描视角下的自闭症人群社会交往缺陷（第八章）、精神分裂症患者的社会功能障碍及超扫描技术的潜在应用（第九章）、超扫描视角下的社会沟通系统产生机制（第十章）以及超扫描研究的困境与未来（第十一章）。鉴于本人从事超扫描视角下社会互动研究的时间较短，对社会互动行为以及超扫描研究技术本身的认识水平还有限，出现不妥和错误之处在所难免，敬请广大读者和专家们批评指正。
本书在撰写过程中得到了研究小组的刘洁琼、李杨卓、陈美、张如倩、袁涤、张听雨的大力支持和帮助，在这里向可爱的小伙伴们说一声：“谢谢你们！”没有你们的帮助，这本书难以及时完成。希望你们在将来的生活、学习和工作上一切顺利！几年前，刚刚接触超扫描技术时，我得到了美国斯坦福大学的崔旭博士，首都体育学院的蒋长好博士，北京师范大学的朱朝喆博士、卢春明博士和刘超博士，以及浙江大学的刘涛博士等多位专家的帮助、支持与鼓励。没有你们的领航与护航，我也不可能在这个崭新的研究领域里坚持数年，并仍将继续坚持下去。当然，更需要感谢一起奋斗的同事胡谊博士、“学生”朋友成晓君博士（现已在深圳大学工作）、潘亚峰和胡银莹。也借此书向一直支持我的华东师范大学心理与认知科学学院及领导表示感谢！最后，感谢家人的理解与支持，是我占用了本应属于你们的时间，才让我顺利完成该书的撰写。希望你们一生幸福，健康成长！李先春于上海华东师范大学2018年4月第一章 脑—脑耦合：创造和同享社会世界的一种机制摘要
认知活动在人际空间中得以丰富化，不同个体基于特定的规则在行动上进行协同，继而产生复杂行为。已有的大多研究只考察了个体层面上的认知活动，但他人的思维活动已被证实对所考察个体的行为及脑活动具有明显的塑造作用，这就意味着研究技术和观察视角需要转变，即实现从单一脑到群体脑的转变。通过环境中特定的信息传递发生的不同个体脑活动的连接称为脑—脑耦合。脑—脑耦合制约和塑造着同一社会世界中每个个体的行为，导致复杂认知行为的产生，而这种复杂的认知行为不可能在独立的个体上产生。第一节 社会互动的普遍性需要群体脑考察一、社会互动的普遍性
日常生活中的社会互动很普遍，如传授知识与技能、指挥与演奏以及与他人聊天等。个体的行为可以明显地被周围人所改变或塑造，同时个体也期望与周围人发生社会互动，以至于遭到周围人的隔离被视作一种惩罚或折磨，如最近的一项元分析显示，社会隔离和孤独是引发高死亡率的重要风险因素（Holt-Lunstad等，2015； Tanskanen和Anttila，2016）。
我们经常与他人一起开心或悲伤，会因直接的相互感染而产生共同的情感体验。然而，对这种体验程度进行客观衡量是非常困难的。研究发现，一个人的情绪可能让他人产生完全不同的情绪，比如一个充满攻击性的人会让周围的行人产生恐惧的情绪体验；而在母婴之间经常发生的行为同步，可能反映了两者的情绪调节，而不是共享相同的情绪状态。
人们可以有意识或下意识地将感知到的他人的表情、手势、身体姿势、行为以及语调信息作为社会互动线索。继而，从多个方面自动地协调各自的行动，包括从身体动作的同步到拥有相似的兴趣或注意的倾向。这些在人际间发生的认知对准有助于判断和理解他人的意图和即将发生的行为。一个很恰当的例子是谈话过程中的话语轮换。不同语言和文化背景下，话语轮换的时间间隔一般在几百毫秒内，甚至可以发生交叉重叠（Stivers等，2009）。轮换间隔不只反映前一个讲话者何时发音结束，实际上，谈话双方都会相互调准各自的行为，以至于能够预测前一个讲话者何时结束该轮次的讲话。除此以外，相当部分的人际互动是以非言语形式发生的，比如眼神交流等。与这些明显的具身性互动相对应，现代社会中还存在大量借助于科技工具实现的非具身性互动方式。如果配以具身性互动的情绪符号，可增强言语交流介导的社会互动。
他人的行为对于个体的认知活动发展有着重要作用，一个很好的例子就是言语沟通（verbal communication）。特定词语的含义是由实际用法决定的，但是词语的正确使用却会随时代、文化以及背景的变化而变化。词语的正确使用依赖于群体内部（即言语沟通成员群体）所共有的一系列规则。为了掌握一门语言，个体必须与群体中其他成员在不断的互动中，逐渐学会词语的正确使用方法。因此，群体内部发生的人际互动将会从根本上塑造个体的思维与行为方式（Boroditsky和Gaby，2010）。这种塑造作用还存在于诸如求爱行为、工具使用等非言语性的社会互动中，表现在个体以及群体内其他成员基于共同规则或习惯协调各自行为。
鉴于人类或高等动物的高度社会性特点，与他人进行互动对于个体的认知发展和幸福感，甚至整个社会发展的重要性显而易见。目前来看，随着各种影像学技术和分析方法的飞速发展，认知神经科学的研究领域不断扩展，极大地促进了人们对多种认知活动脑机制的理解，甚至已经将部分转化为现实的生产力，大大地改变或改善了我们的生活水平。然而，绝大多数已有的神经科学实验研究都忽视了社会互动的重要性，所涉及的研究范式仅关注了单个被试在完成认知活动时所对应的神经机制。该类实验的典型特征是，将人类个体或实验动物从所处的自然环境中分离出来，置于一个密闭的实验空间内，令其对研究者事先设计好的计算机程序进行反应或者单向互动。这种以自我为中心的研究框架就好比太阳系中托勒密体系的地心说一样，认为各种星系都不可以影响地球物理过程（geophysical processes）。而现代对地球重力、运动轨道以及潮汐等的理解却是建立于哥白尼的学说之上，该学说认为地球只是复杂的、相互作用的行星系中的一员。相同道理，若认知神经科学领域仅关注单个个体的认知活动，势必会掩盖脑—脑互动（brain-to-brain interaction）对认知活动的塑造作用。我们认为导致研究者忽视社会互动的重要性的可能根源在于：（1）社会互动所具有的极度复杂性、时间上的不可预料性；（2）在不断变化的社会背景下采集影像学数据的挑战性等。与此同时，人际互动过程中的刺激信息（比如瞬息万变的面部表情等）不仅具有感觉信息特征，而且人们对这类刺激的解释可远远超出对该材料的即刻反应（Hari等，2015）。总之，仅考察社会互动中的单个大脑活动，而不去考察群体脑活动及其互动情况是不可能全面的理解社会互动，乃至单个个体认知过程的内在机制（Hari和Kujala，2009）。二、脑—脑耦合
有机体从周围环境中获取信息是基于外部刺激与脑活动间的耦合，即刺激—脑耦合（stimulus-to-brain coupling）。不同刺激拥有不同形式的能量，如机械能、化学能以及电磁能等。有机体的感受器具有将不同形式的刺激信号转换为神经冲动，继而对环境中的信息进行编码的能力。与此同时，有机体不仅仅是被动感知环境中的感觉信息，还可以通过移动感受器所在的相对位置去主动感知环境中的有效信息，如挥动手臂、转动眼睛等（Schroeder等，2010）。有机体在获得特定信息后，经过脑内复杂的整合过程，然后指导接下来的行为活动。
脑—脑耦合（brain-to-brain coupling）是指个体的大脑活动通过环境中特定信息的传递与另一个体的大脑活动发生的关联。它也依赖于刺激—脑耦合所提供的信息。但是，脑—脑耦合的信息产生于另一个大脑或有机体，而非物理环境中无生命的物体。脑—脑耦合发生的另一个前提是发生耦合的个体必须具有在结构和功能上相同或相似的大脑。脑—脑耦合就好比是无线通讯装置，两个（或多个）大脑间可通过共享的自然环境以特定的信号进行沟通，如光、压力以及化学物质等（Hasson等，2012）。信息传递过程中，发送者和接收者在行为上的协调伴随着脑—脑耦合的产生，但其产生方式并不适用于人与周围环境中的无生命物体间的单向互动方式。对发送者动作、感知觉或情绪变化的觉察可以诱发接收者产生相应的脑网络激活水平的变化，该现象被称为替代激活（vicarious activations）（Keysers和Gazzola，2009）。如果发送者具有和接收者相同或相似的大脑或机体，接收者的替代激活模式会和发送者的激活模式相似，进而表现出明显的脑—脑耦合现象。相反，如果接收者拥有与发送者完全不同的大脑或机体，则接收者的替代激活模式将会明显有别于发送者的激活模式，也就无法呈现显著的脑—脑耦合现象。因此，替代激活理所当然就成为不同个体间脑—脑耦合的特有机制。当然，接收者的脑活动可能会以更为复杂的规律与发送者的脑活动发生耦合（Riley等，2011）。三、脑—脑耦合在社会互动过程中产生
我们以社会沟通系统产生为例，试图阐述脑—脑耦合现象产生的过程。任何沟通系统的出现或产生需要群体成员在特定情境下对特定信号所表达的含义持有共同的理解，而这种共同的理解必须通过互动式学习才能逐步建立起来。这种观点得到越来越多科学发现的支持。联合行为（joint behaviors）依赖于群体成员间对社会信息的精确感知。与群体内其他成员的互动情况会强烈影响着成员的行为发展，直至这些行为趋于保持高度的一致性。与此同时，通过替代激活以及更为复杂的模式产生脑—脑耦合。接下来，我们将尝试以来自鸟类、人类婴幼儿以及成年人的沟通系统产生的研究证据来描述社会互动介导的脑—脑耦合产生过程。
首先，以往关于鸟类鸣声学习（song learning）的研究通过播放成年鸟鸣声的录音让幼鸟逐步习得鸣声技能。这种研究范式只能验证幼鸟的歌唱学习是基于印记（imprinting）机制的假设。然而，这些研究非常明显地排除了社会因素的影响，掩盖了鸣禽在特定的社会环境中会通过与其他伙伴的互动来促进与提高学习效率的事实。鸣禽只有通过真实互动而非录音才能学会鸣叫声（Baptista和Petrinovich，1984）。可以证实社会互动介导禽类鸣声学习的最好例子来自对八哥的研究（White，2010）。雄性八哥通过观察雌性八哥的反应逐渐学会发出具有潜在吸引力的鸣叫声（West和King，1988）。另一方面，在听到雄性八哥具有吸引力的鸣叫声或部分元素时，雌性八哥会立刻挥动翅膀以示响应。对上述响应的感知进一步强化雄性八哥的行为，使其尽可能重复那些可以引起雌性八哥挥动翅膀的鸣叫声元素，最终使得较为复杂的、更具吸引力的歌声能够成功吸引更多的雌性八哥。而雌性八哥则通过观察和聆听群体内其他雌性八哥的反应，而获得自身对特定雄性八哥歌声的喜好与偏好（Freed-Brown和White，2009； West等，2006）。因此，鸣禽的叫声与偏好都是在社会互动过程中逐步衍生出来。
其次，人类婴幼儿沟通系统的产生是另外一个能说明在社会互动中习得语言的例子。一个7～12个月大的婴儿所发出的咿呀声就表现出和环境语言（ambient language）的音高、节律乃至音节组成相匹配的特点。从咿呀声到环境语言的声学转变是在幼儿及其照料者之间的互动中发生的。照料者对咿呀声所做出的一致反应可以明显强化特定的声学构成，使得幼儿从中习得环境语言。对于这种类型的社会学习，包括了两个互惠互动的过程，即（1）照料者必须对幼儿咿呀声的声学特征比较敏感，并给予一致的响应；（2）幼儿必须能感知到照料者的响应，并相应地调整他们的发声行为。事实上，照料者早在幼儿1岁时就已经对幼儿的咿呀声给予响应，比如面对面模仿幼儿的发声以及确立发声—响应间的话语轮换等。接下来，照料者会给予幼儿特征更为丰富的发声作为响应，比如由元音—辅音构成的音节（Gros-Louis等，2006）。通过综合了解幼儿所关注的照料者的反应，我们得知照料者的反应对婴幼儿的语言发声具有非常显著的影响（Goldstein等，2008）。
再次，研究表明成年人可通过互动产生一套全新的符号系统，并以此在群体内进行沟通，这也是社会互动介导社会沟通系统的强有力的证据。此类研究要求成对被试合作完成社会沟通系统产生任务，进而考察沟通系统产生的过程。由于被试彼此隔离，不能相互看见，也不能听见对方的声音以及触摸到对方，唯一的沟通途径就是通过计算机呈现特定的（反馈）信息，但这些信息不能是已有的信息呈现方式（比如字母、词语以及数字等）（Hasson等，2012）。因此，为了达到沟通的目的，他们只有创造出一种全新的视觉沟通符号系统。研究发现两个（或多个）被试在积极互动时，很快就形成了用于沟通的全新视觉符号（Fay等，2008； Galantucci，2005； Garrod等，2007； Healey等，2007）。随着双方不断的互动，所创造出来的用于沟通的视觉符号的抽象性逐渐增强（Fay等，2008）。但是，被试间如果缺乏积极互动（即被试单独而非在互动中创造出视觉符号）时，这些符号将不具备沟通的功能（Garrod等，2007）。另外，旁观者虽然目睹了用于沟通的视觉符号产生的整个过程，却因为没有积极参与互动过程，不能有效地使用该视觉符号进行人际沟通（Fay等，2008； Galantucci，2009）。这些研究证据充分表明行为上的互动对于新沟通系统的产生具有至关重要的作用。第二节 言语交流与脑—脑耦合一、言语产生于耦合振荡
语言介导了众多典型的人际交流活动。但是，在两个个体的交流过程中，语言信号是如何传递和接收的？值得注意的是，个体间大脑信息的传递方式与个体内大脑不同部位间的信息传递方式很相似。单脑不同部位间的信号传递需要解剖学上的结构连接，表现为某部位的神经活动通过该结构连接去影响另外一个脑部位的活动。比如，一个自言自语的人可以根据特定背景下对自己声音的监控进而调整自身的言语方式，即使自身意识不到这种调节方式的存在。在此过程中，运动皮层发出言语的一系列神经冲动，控制有机体产生相应的声音信息，与空气中的噪音混杂在一起。这种混杂在一起的声音信息将返回到说话者的耳朵里，进而激活听觉感知系统，在需要时可作为一种反馈信息进一步指导运动系统调整语音的输出。这就是人类（或灵长类动物）在嘈杂环境中会反射式提高自身声音强度的原因。在这种情景下，大脑的运动系统和听觉系统间的相互交流是通过空气中传播的声音信息进行协调。而这种观点自然而然地可以扩展到对话情景中的双方，即说话者和倾听者。
在言语交流过程中，两个大脑通过特定的振荡信号建立明显的耦合现象（如图1-1）。就世界上的各种语言来说，言语信号在幅度上都有其各自的调整方式，如在强度上的增强与减弱等，这种幅度调整就构成了3～8赫兹频率的节奏（Chandrasekaran等，2009； Drullman，1995）。这种节奏正好与讲话者的音节发音所需要的时间相匹配，即每秒说3到8个音节。研究显示大脑中尤其是新皮层也可以产生相应的振荡或节律（Buzsaki和Draguhn，2004）。众多言语知觉理论认为言语的幅度调整节律很好地与3～8赫兹的theta频段振荡匹配（Schroeder等，2008）。这就提示我们讲话者的言语信号可以与倾听者听觉皮层的振荡活动发生耦合或共振（Giraud等，2007； Lakatos等，2005），该耦合可以显著增强神经信号的信噪比，进而有助于改善听觉。另外，多项研究显示8赫兹以上的振荡破坏了言语信号，从而显著降低了个体对言语的辨别能力（Saberi和Perrott，1999； Shannon等，1995； Smith等，2002），并且减弱了听觉皮层的参与度（Ahissar等，2001； Luo和Poeppel，2007）。图1-1 言语交流中交谈双方存在的3～8Hz听觉皮层间的振荡活动
注：图片引自Hasson等，2012。
上述耦合假说也可以扩展到视觉模态。人类经常以面对面的形式进行谈话，在这个过程中同时使用了听觉和视觉两种模态。Sanders和Goodrich（1971）的研究结果证实了观看讲话者的面部可以明显增强言语的理解性。在很嘈杂的环境下，如鸡尾酒舞会上，观看讲话者的面部相当于将声音的强度升高15分贝。这种视觉增强语音的原因是讲话者嘴部的运动与言语信号的幅度调整紧密耦合在一起。因此，讲话者嘴部3～8赫兹的运动振荡信息被倾听者的视觉系统所捕获，进而通过多感觉通道整合系统增强倾听者大脑中由声音诱发的脑活动水平（Luo等，2010； Schroeder等，2008）。
在上述情景中，讲话者就像是播放言语信号的广播站，所播出的信号以及背景音被倾听者所感知。倾听者事先进行了预调制以便于匹配讲话者所具有的特异言语频率，进而通过产生振荡起到放大言语信号的效果。言语信号遵从3～8赫兹的调制规律，正好大脑听觉系统的振荡频率也在3～8赫兹。为了进一步在噪音环境中放大言语信号，大脑发挥了将嘴部运动和具有共振特征的言语声音波相耦合的长处。因此，嘴部运动有助于将言语信号划分成不同的音节，以便于倾听者的大脑能有效地从信号中提取有意义的信息。基于脑—脑耦合框架，言语交流是信息发送者和接收者在互动过程中以产生脑活动振荡的方式出现。二、言语过程中的协调而等级化的对准
一旦大脑间通过言语信号实现了相互耦合，信息就可以被分享，人类可以有效地进行交流。人类交流方式可以分成两种：独白（仅一个讲话者发送信号，同时有一个或多个倾听者接收信号）和对话（两个或多个谈话者必须在时间上进行各自行动的精确协同）。总体来讲，人类交流（尤其是对话）很容易发生，原因是谈话者间在时间上的互相对准（interactive alignment）过程中含有非常丰富的无意识成分（Garrod和Pickering，2004； Pickering和Garrod，2004）。在这种框架下，两个谈话者自然而然地将不同言语信号互相对准，其途径是通过相互模仿来选择言语声音（Pardo，2006）、语法结构（Branigan等，2000）以及词语和意义（Garrod和Anderson，1987）。例如，当Peter对Mary说：“我递给儿子（John）午餐盒”时，Mary更可能说：“我递给儿子外套”，而不是“我把外套给儿子”。然而，上述两种说法体现出的意思是相同的。
互相对准的发生有以下两个原因。首先，讲话者的言语发生和倾听者的言语理解之间相互耦合，这取决于两者间共有的语言表征。其次，讲话者产生特定的言语表征会启动或激活倾听者的言语理解并产生相应的言语表征，致使倾听者更可能在其言语过程中使用该言语表征（Pickering和Garrod，2004）。重要的是，互相对准可以发生在各种语言水平，从语音和语法到语义和语境等。此外，一种水平上的对准可以导致其他水平上更大的互相对准（Branigan等，2000）。例如，相对低水平的字或语法水平的对准可以导致情景模型中的关键水平上的对准（即谈话者双方对相同表征的理解水平）。这种互相对准是通过将讲话者在言语产生时的大脑活动与倾听者言语理解时的大脑活动相耦合实现的。第三节 实现脑—脑耦合的方式一、言语交流介导的脑—脑耦合
采用功能性磁共振成像（以下简称fMRI）技术，Stephens等人（2010）分别采集了讲话者叙述一个自身真实的故事以及倾听者在听到这个故事的音频材料时的脑活动，并通过时间锁相的方法分析交流双方脑—脑耦合的变化情况。结果显示在交流成功条件下，讲话者和倾听者的脑活动在时序上呈现显著的相关关系，即表现出明显的脑—脑耦合现象。然而，在交流不成功条件下（即讲话者使用倾听者完全不懂的语言讲相同的故事），上述发现的脑—脑耦合消失。更为有趣的是，倾听者脑活动和讲话者脑活动具有明显的时间延迟，该时间延迟正好与谈话者之间的信息流动所需的时间相同（Stephens等，2010）。这些结果表明讲话者在言语时产生的脑活动诱发和塑造了倾听者的脑活动。换句换说，两者的脑活动存在一个明显的因果关系。令人惊异的是，倾听者的某些脑区活动早于讲话者的大脑活动，这种期待相关的脑活动提示倾听者能主动地预测讲话者即将产生的发音。这种预测可以对较为嘈杂或模糊的信息输入起到补偿作用（Garrod和Pickering，2004）。的确，倾听者的这种期待相关的脑活动与讲话者的脑活动间的耦合程度越高，行为上倾听者的理解水平越好（Stephens等，2010）。讲话者—倾听者的脑—脑耦合揭示了谈话者间具有时序对准的神经基础。已有研究显示在自由观看电影或倾听故事时，共享的外部信息输入可以导致不同被试表现出相同的脑活动（Golland等，2007； Hanson等，2009； Hasson等，2004； Hasson等，2008； Jaaskelainen等，2008； Wilson等，2008）。总起来说，刺激—脑耦合是与特定环境事件中某一时刻的锁相进行比较的，而言语交流介导的脑—脑耦合则解释了时间和空间上相隔甚远的信息是如何传递的。这种信息传递机制起作用的方式使得言语而非其他的外部刺激直接诱发交流双方相似的脑活动。这是一种与物理环境相比更为自由，且极大地有利于人类交流系统的发展。二、非言语交流介导的脑—脑耦合
脑—脑耦合也可以通过手势或面部表情等非言语信息实现。最早的相关实验性研究来自于一项fMRI研究（Schippers等，2010）。研究者要求被试在扫描仪中完成看手势猜字谜游戏，信息发送者需要向接收者传递能体现词语特征的非言语性线索（如手势），与此同时记录其大脑活动，并视频录制信息发送者的手势过程。接下来，信息接收者观看相关录像，同时记录其大脑活动。运用格兰杰因果分析（granger causality analysis，GCA）方法分析两个大脑活动间时序上的关系，研究者发现接收者大脑活动在时序上的变化与发送者脑活动的时序变化呈现共变关系。进一步发现，接收者—发送者的脑—脑耦合存在于两个神经网络，即镜像神经元系统相关脑区和心理理论相关脑区。该发现同时支持了在社会知觉过程中上述两个神经网络间相互协作的观点（Keysers和Gazzola，2007）。更有意思的是，对发送者和接收者在单脑上的分析没有发现上述两个神经网络的活动，这展现了脑—脑互动分析在理解高级脑功能方面的长处（Schippers等，2009）。在另外一项研究中，Anders等人（2011）让女性被试在磁共振扫描仪中表达特定的情绪，实时将录像展示给其男朋友观看。结果同样发现了明显的脑—脑耦合现象（Anders等，2011）。该研究提供了探讨真实情景下的情绪识别以及情绪感染的神经基础的有效研究手段和方法。
在手势和情绪表达介导的人际交流研究中，每对被试都是自由选择信息传递的内容，这就确保了人际互动的唯一性。研究显示真实互动个体间的脑—脑耦合要远高于没有互动的个体间（即不同组被试的随机分组）的脑—脑耦合（Anders等，2011； Schippers等，2010）。因此，脑—脑互动分析可以为考察交流背景下的特异性互动提供一种非常强有力的研究手段。三、联合行动介导的协同作用
相互耦合的群体脑系统可以产生彼此分离的大脑所无法控制的复杂行为，很多种行为都需要成员间严苛的时空协作，如打篮球或驾驶帆船等。即使有些行为可以单独执行，比如演奏一种乐器或独舞等，但若置于一个群体执行的环境中，将会又快又好地完成。越来越多的证据表明在联合行为过程中，人们会内隐地在动作、知觉以及认知水平等多个方面发生耦合。比如在群体运动水平方面，在摇椅上的两个人随着摇椅节奏的耦合，其摇摆行为变得越来越一致（Richardson等，2007）；两个钢琴演奏家在二重奏过程中手部的运动将趋近同步；当成对的吉他手一起演奏同一曲子时，人际间的行动协同伴随着脑—脑耦合（Lindenberger等，2009）。在知觉水平上，当两个人从不同的视角观察同一个物体，并要求他们进行心理旋转时，他们会逐渐相互适应对方的视角（Bockler等，2011）。四、联合决策
已有研究充分表明个体的选择行为经常会受到他人决策行为的影响而改变。Hampton等人（2008）发现在完成策略性游戏过程中，决策者不仅要时刻观察对方的行为，而且也要留意对手如何应对自己的选择，进而实时地调整自己的决策行为以达到最优化的决策后果（Hampton等，2008）。例如，在玩“石头—剪刀—布”游戏时，玩家会自动地模仿对手的策略性决策行为，即使这种模仿实际上会降低赢的概率（Aczel等，2015； Cook等，2012）。采用基于fMRI或脑电（以下简称EEG）的超扫描技术，记录共同完成策略性游戏任务时两个人的大脑活动，可以探讨游戏双方大脑受到彼此的影响（Babiloni等，2006； Montague等，2002； Tomlin等，2006）。信任游戏中，受委托人的决策行为及其脑活动将会受到投资人所表达的社会性信息的影响。经过几轮游戏后，受委托人的尾状核活动水平就可以预测投资人的期待行为，这种特性甚至可以出现在投资人揭示他的决策结果之前（King-Casas等，2005）。
然而，两个大脑并不总是好于单个大脑（Bahrami等，2010； Kerr和Tindale，2004； Yousefi和Ferreira，2017）。Bahrami等人（2010）要求两个被试共同完成一个低水平的知觉决策任务，考察两个被试的视觉敏感度差异对决策任务成绩的影响。研究发现当两个视觉敏感度相同的被试在完成知觉决策任务时，成绩显著高于单个人的成绩。而且，即使在没有任何反馈信息存在的情况下，任务成绩的提高也是存在的。但是，当两个视觉敏感度有着较大差异的被试共同完成知觉决策任务时，其合作的任务成绩反而显著低于单个被试的任务成绩（Bahrami等，2010）。该研究揭示了具有相同视敏度的两人间的共享信息可以提高任务成绩，而具有不同程度视觉敏感度的两人间的共享信息则降低任务成绩。第四节 人际互动新型研究手段的诞生一、旁观者科学
神经影像学技术结合心理学研究技术，已经积累了越来越多的研究发现。但绝大多数的研究手段只是考察了社会认知活动中单个大脑的活动水平。另外，已有社会互动相关的研究是建立在如下假设基础之上的，即大脑可以对外界刺激产生反应，并且该脑活动的基线活动不会随着外界刺激的改变而发生变化。然而，如前所述的那样，群体内个体的行为以及脑活动具有明显的相互作用，导致在共同完成特定认知任务时，被考察对象大脑的基线活动水平会随着所关注的刺激发生明显的变化。因此，已有研究极大地忽略了这种因实时互动的同伴行为所诱发的脑活动，即采用了旁观者科学的研究视角，该视角下的被试被认为是独立被动的观察者。二、互动研究手段
正如Stanley和Adolphs（2013）所说的：“社会互动研究是一个极具丰富性和趣味性的话题，这正是社会心理学家们希望研究的问题。然而，多数神经生理学家们认为社会互动这一认知活动过于模糊以至于很难研究。”因此，神经生理学家们将社会互动研究列为社会认知神经科学将来需要探讨的话题，实时的社会互动也应该在得到精确控制的动物模型上得以研究。然而，全面了解无法控制的自然状态下的社会互动实验面临着巨大的技术以及解释程度等方面的挑战，社会互动对脑功能的影响也是非常复杂的，并对人类自身认知功能的发展起着至关重要的作用。因此，研究工作者们再也不能在人类的实验神经科学领域忽视对社会互动的研究了。
因此，双人神经科学（two-person neuroscience，2PN）被视为是在概念上和方法学上都比较合适的探究人类社会互动的生理学机制的研究框架（Hari和Kujala，2009）。2PN是指同时考察交互认知过程中两被试的脑活动，重点关注的是双人行为伴随着的神经活动间的关系，而不是关注单个被试的神经活动。因此，2PN的研究手段从概念上强调积极参与的重要性，这使得研究中的被试不仅仅是一个被动的社会情境中的观察者，也将有助于促进双方中一方的反应作为另一方的社会刺激的真实社会互动的研究。
对现有的大多数神经影像学实验室来说，社会互动的脑基础研究需要更加自然的刺激和研究设备。从精确控制的人工刺激到真实交互的社会认知实验会经历5个步骤（如图1-2）。图1-2 神经影像学研究中使用的不同刺激模式
注：图片引自Hari等，2015。（1）人工刺激（artificial stimuli）：我们对人类大脑功能的大多数认识来自于采用简单的、能精确控制的刺激，如①具有不同数量的格子、对比度以及亮度的棋盘；②简单的具有不同频率、不同强度以及不同呈现顺序的声音刺激；③通过电刺激周围神经纤维或触摸皮肤而产生的触觉刺激等。这些能够被准确控制的刺激和产生刺激的实验装置，对考察感觉信息加工系统中从外周感受器到相应皮层的转换功能起到关键作用，相关研究提供了人类认识客观世界的有力科学证据。同时，由于任务要求被试对特定刺激采取一定的行动，因此也可以提供从大脑到外周神经纤维的信息。通过考察基本刺激诱发的反应来推测和分析复杂刺激的加工规律，在感觉神经生物学研究中仍然是一种有效的研究手段。但是，在考察大脑是如何加工具有动态特征的社会环境刺激时，即使在上述方法的基础上再采用有效的计算方法，也会错失一些复杂的交互刺激加工中的重要成分。（2）复杂的自然刺激的图片（snapshots of complex，naturalistic stimuli）：向被试呈现复杂的刺激（如人的面孔、自然风光等），让我们有机会考察人类是如何应对这些复杂的刺激。虽然人类对面孔非常敏感，例如，呈现一张静态的面孔图片，或可以改变空间频率、朝向、对比度以及亮度的低水平视觉刺激，就可以考察其所诱发的单个神经元的活动。但是依据这样的神经元活动去解释复杂刺激对应的大脑活动时仍然会有明显的不足。已有研究通过比较不同的复杂刺激引起的反应揭示了大脑的多个具有特异功能的脑区（Kanwisher等，1997），比如对面孔有强烈反应的面孔梭状回（fusiform face area，FFA）区域，以及对自然风光表现出强敏感性的海马旁回（parahippocampus gyrus，PHG）等。然而，仅有少数几个脑区具有对复杂刺激产生特异性激活的功能，大多数的复杂刺激则是引起分布广泛的脑网络的活动。目前为止，还没有证据显示该网络中的节点具备对某一任务或刺激拥有高特异性的特征。（3）动态变化的刺激（dynamic stimuli）：该刺激模式是将运动和刺激整合在一起，从而使得整合的刺激更接近自然状态下的刺激。采用以真实的人或视频形式表现出运动性和生动性的行为刺激，可以帮助我们揭示人类如何应对别人的行为以及识别别人的意图。在知觉层面和神经活动层面上，动态刺激具有诱发更高脑激活水平的功能。比如，相对于静止的面孔图片，更加自然的动态面孔视频可以引起多个面孔加工相关的脑区更强的激活（Schultz和Pilz，2009）。另外，颞上沟（superior temporal sulcus，STS）被证实对生物运动刺激非常敏感（Blake和Shiffrar，2007）。以实时或录像形式呈现的动态行为仍然是动作观察研究中一种重要的刺激，被用来考察人类大脑的镜像系统。一般来说，在考察低水平的感知觉和高级的社会认知的实验中，电影是一种有效的刺激形式。电影中富含视觉信息（常以多模态形式存在），它可以向同一个被试或一批被试重复提供相同的刺激形式，所以电影中的刺激在一定程度上可以很好地得到控制。因此，它被认为是迈向真实的自然刺激过程中的一种重要的刺激模式。一部电影可以激活人类诸多的思维活动，它也可以通过合成极其相似的面孔让人们产生明显的错觉。尽管人们只是观看电影，没有明显的交互活动，他们也可以很容易地辨认影片中的主角以及捕获情节中的情感（Nummenmaa等，2012）。（4）两人间低频率的互动（slowly paced social interaction on two persons）：在自然环境中，当刺激呈现给不止一个人时，就可以探索社会互动的脑基础。从方法学以及概念上讲，这种方式最早始于在时间上有一定间隔的两个有着慢频率互动的大脑活动研究，比如互动双方通过发短信、邮件等方式交流。这种交流方式的特点更接近于应答而不是互动，意味着接收者对发送者最近发出的信息做出反应，而不是直接体现出动态互动这一特点。尽管我们想要去探讨真实世界中存在的具身化或非具身化的社会互动，但并非一定要同时记录交互中多个被试的大脑活动，即可以分别记录发送者和接收者的大脑活动，前提是不进行大脑扫描的一方需要保持与进行扫描的一方的实时互动。采集好脑活动后两人交换，即刚才没有被扫描的一方进行脑活动扫描，而另一方则同样需要与他进行互动。采集好两次脑数据后，根据锁定时间点（如互动行为的开始时间等）分析两个大脑活动的时间序列的相关性或相干性，进而提供社会互动的脑—脑机制。另外一个比较好的实验范式是一些经济决策任务，比如信任游戏（Tomlin等，2006）等。（5）两人间动态、具身化的社会互动（dynamic，embodied interaction in dyads）：真正的社会互动的发生情境是快节奏的，互动双方的反应在时间上可以相互重叠。例如，谈话过程中说话者快速的话语轮换，在一起行走过程中无意识发生的步频相互调整，联合行动（如共同搬一个很重的箱子）中的相互适应等。同时记录互动中两个人的大脑活动是考察实时的具身化的社会互动所需要的，这种快速的、动态的互动不可能从真正的“两人神经科学”降低为轮流测量的“单人神经科学”。互动行为的时间构架决定了双人互动是一种最为有效和最富含信息的方式。比如，探讨自然情境下面对面互动的神经基础被称为2PN研究手段，上面所讲的考察互发信息的两个人的大脑活动则是有次序地考察手段。三、同时记录两人或多人的脑活动
自然情境下的社会互动是由一些具有特定时间—空间规律的事件组成，而发生这些事件的确切时间和内容通常来说是不可预测的。同样的互动效果是不能通过有次序地分别考察互动被试的脑活动来重复。因此，如果我们仅有互动被试中一个人的数据，有必要很好地衡量其中的互动方式，以便寻找用于支持互动的脑活动的证据。这种衡量具有一定的难度和挑战性，原因是它需要对行为进行高水平的诠释，比如，对互动同伴的心理活动进行连续的评价。相比之下，当我们可以同时收集互动双方的行为与脑活动时，就可以寻找两套数据间的关系和依赖性来揭示互动相关的脑活动（如图1-3A&B），而不用去对外部事件进行外显的推测与判断。因此，我们应致力于建立能捕获和预测互动双方的行为和脑活动耦合的研究设备和研究手段，并且这种耦合可以发生在互动过程中的被试内，也可以发生在被试间。数据分析方面，不像已有的神经影像学研究关注单个大脑由特定刺激所诱发的脑活动，2PN研究框架下重点关注两个或多个被试脑信号间的关系，因此，2PN的研究结果可以被认为是群体角度上的脑活动指标。在获取多个被试的脑活动数据后，2PN的数据分析开始于单个脑信号的预处理，即第一水平分析（如图1-3C），如滤波等。其次，进行多个脑信号间的关系分析，即第二水平分析，如相关性分析、相干性分析以及格兰杰因果分析（如图1-3C）。图1-3 两人神经科学研究范式示意图和基本数据分析方法
然而，在实际的实验设计、数据分析和结果解释中需要注意的是，共享简单的、低水平的感知觉也可以引发一定程度的两脑活动的相关。因此，研究工作者需要同时设计一个合适的对照任务或条件（如被动观察等），同时使用合理的分析方法来帮助剔除诸如共享的感知觉诱发的成分。举例来讲，我们之前的一项研究中主要考察人际合作的脑—脑机制，要求每对被试执行基于视觉信号的按键合作任务，我们发现该合作任务诱发了前额叶皮层部位显著的脑间活动同步（interpersonal neural synchronization，INS），而且只有在异性组合条件下INS与合作任务成绩间呈现显著的正相关。这些结果表明前额叶部位的INS增强是合作行为的脑—脑机制。但是，这种INS的增强也可能是由两个被试在完成任务过程中动作的同步诱发的，为了排除这个可能性，我们设置了合作任务的对照任务，即竞争任务，在实验流程上两种任务基本相似，只是在任务要求上有些差别，合作任务要求两被试通过按键后得到的反馈信息调整各自的按键速度，以求达到最大可能地同时按键的目的。而在竞争任务中，要求被试不需要关注对方的行为，而是尽可能早地按键。我们在合作任务中的前额叶皮层发现的INS增强以及与行为间的正相关关系在竞争任务时都没有出现（Cheng等，2015）。因此，通过对两种任务的结果对比，我们认为前额叶皮层的INS增强的确与合作行为相关。除此以外，为了排除2PN发现INS增强是由脑信号时间序列的随机性产生的，也可以采取将所记录到的脑信号进行随机化分布，然后再进行相同的第二水平分析（Jiang等，2015）。为了确定发现的INS增强的确是由实时的互动行为所导致的，也可以进行另外一种数据分析，即将不在实时互动的两名被试进行随机配对，再进行相同的第二水平分析（Jiang等，2015）。小结
共享的外部环境信息塑造了有机体的外在行为和脑活动。虽然环境的部分特征是由物理环境所决定的，但是环境的其他特征是由共同建立一系列规则（该规则将对成员的知觉和行为进行约束）的群体所决定的。比如，人类婴儿存在明显的知觉窄化（perceptual narrowing）的阶段，很小的婴儿就可以区分不同物种和文化中的社会信息，但是稍大点的婴儿将随着越来越多的社会信息的经验积累，逐渐将这种知觉精确化（Lewkowicz和Ghazanfar，2009）。耦合的大脑可以产生新的行为，诸如言语和非言语交流系统以及人际间的社会制度等。然而，在那些缺乏脑—脑耦合的物种中则不可能出现上述行为。因此，脑—脑耦合塑造个体的社会世界，并为此提供了新的研究视角，推动真实的社会互动的机制研究。参考文献
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