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导读
最近的研究表明，亲子互动过程影响着孩子的大脑结构和功能的发育。然而，这种关联背后的神经生物学过程尚不明晰。超扫描作为研究亲子之间社会互动的方法，尤其适合于研究人际动力学，如对互动信号的神经夹带和大脑活动的人际同步。尽管超扫描具有多方面的潜力，这个不断发展的领域仍然面临着各种挑战，包括方法上的局限性，本文将提供解决这些问题的方法。此外，关于超扫描的研究有助于加深我们对亲子互动如何支持儿童健康发展的理解。
互动的大脑，身体和思想
单个大脑研究的方法代表了发育神经科学的基础。早期社会认知的发展神经科学研究大多依赖于单向刺激-反应偶发的研究。在社会领域中，主要是研究婴儿或儿童对屏幕上出现的社会刺激的神经反应。这类研究强调实验控制对生态效度的影响，例如，无面部表情的眼睛注视，因此这个过程通常抽离了为婴儿提供丰富而复杂的多感官刺激的情境。然而，儿童在现实生活中的学习方式在很大程度上取决于照顾者与儿童的双向和动态互动。这些互动需要照顾者和儿童多感官行为之间复杂的相互作用，这些时间上的变化是传统的单个大脑范式所不能捕捉到的。因此，照顾者-儿童交互的神经行为动力学仍是一个“黑匣子”。利用超扫描研究亲子互动，可以减少儿童日常生活经历与发展社会神经科学实验范式之间的差异。
为了研究社会互动的神经基础，Montague等人(2002)提出了一种新的方法，称为超扫描。超扫描被定义为同时测量参与社交互动的多个大脑活动。虽然Montague最初建议功能性磁共振成像(fMRI)作为神经探针的选择，但该方法目前已扩展到其他神经科学设备，如功能性近红外光谱(fNIRS)、脑电图(EEG)等。
超扫描为研究社交互动中大脑反应的时间动态提供了前所未有的机会，如互动中的神经振荡同步。人际神经同步被认为是通过言语和非言语交际中的信息传递而产生的。在社交过程中，双方体内的交流节奏通过环境传递，一个人的感觉系统与另一个人的运动系统耦合。因此，相互作用的双方的神经振荡调谐，可以通过彼此的大脑振荡相互交换的交流节奏来进行调节。在夹带过程中，振荡元素开始以与外力相同的周期循环，因此与外部节律刺激保持一致。两个或多个振荡系统的一致性被认为可以优化对相互作用刺激的加工，这是由于在神经元高兴奋性阶段的输入采样，导致对传入信息的处理和预测增强。
最近的研究表明，早期的互动是由照顾者提供的交流感觉节奏(例如，唱歌，触摸)构成的。这种社会节奏带来的影响被认为是人际同步和社交互动形成的基础，这是社会健康发展的先决条件。到目前为止，关于婴幼儿中人际神经同步和人际协调之间的联系，如行为同步和互惠，还缺乏相应的研究。基于对成人的研究发现，这种大脑节律的人际同步有可能在亲子协调中发挥重要作用。
在视觉领域，注视可以引导社会注意，从而促进共同注意和共同注意方面的协调。共享注意力不仅在社会学习方面为孩子提供了有意义的信息，而且在社会互动中也可以用来发起和回应交流信息。Piazza等人(2019)的研究发现，在母亲和婴儿自由玩耍时，相互注视与人际神经同步有关。除了相互注视的作用，共同注意或社会协调的视觉注意对早期社会认知的发展也是不可或缺的，但目前还没有在亲子超扫描范式中进行测试。在听觉领域，一般来说，婴儿定向言语、唱歌和音乐可用于促进照顾者和婴儿之间的协调。在触觉领域，应该考虑各种形式的触摸。例如对触摸(牵手)的调查，为成人超扫描在人际情感调节中的功能提供了相应证据，这个过程也与亲子互动高度相关。除了情感调节的影响外，人际神经同步也可能在长期的依恋发展中发挥作用。
综上所述，超扫描是增进我们对互动过程理解的理想方法，这可能支持亲子互动中的人际协调。通过捕捉亲子动态交流的神经过程，可以了解孩子的大脑是如何被这些经历塑造的。”接下来，本文将介绍该方法，回顾当前的研究结果，同时强调了在亲子互动中应用超扫描的突出挑战和局限性。
超扫描方法
近年来，超扫描研究主要利用功能近红外光谱(fNIRS)、功能磁共振成像(fMRI)、脑电图(EEG)、脑磁图(MEG)等研究人际神经同步(见图1)。最近的超扫描研究集中在亲子动力学的各个方面，如注意分享、偶发响应、明示信号、人际调节过程或神经与行为同步等。
神经同步的当前测量
目前对神经同步的测量包括参与者大脑相似区域内的同步活动，以及进行社会互动的参与者大脑不同区域之间的同步活动。根据信号的性质，估计神经同步的测量与频率或时域的不同计算算法有关。一般情况下，结合神经电数据进行频域分析，而神经血管耦合数据多采用时域分析。在频域上，锁相值(PLV)，部分定向相干性(PDC)、图论以及估计相移已被用于分析超扫描数据。时域分析包括Pearson相关性或基于格兰杰因果关系的相关性等测量。小波变换相干性(WTC)使用时域和频域来估计神经同步。值得注意的是，通过时域的测量，我们能够评估相位同步和时滞性相位同步，因此可以检测到两个大脑信号之间的延迟(图2)。
利用血流动力学数据的超扫描
近年来，亲子互动场景下的超扫描主要是使用fNIRS进行，而fMRI超扫描主要在成人对中进行。fNIRS和fMRI都能够测量血氧水平的变化。fNIRS的记录深度局限于皮层区域，而fMRI可以同时显示皮层下区域和皮层区域。这两种方法都适用于在几秒或几分钟的较长时间尺度上检查大脑反应的人际动力学。根据参与者的年龄，诱发的血流动力学反应滞后约为2-4s，在5-10s达到峰值。对年幼的参与者进行研究时，使用fNIRS技术的优势更为明显，如fNIRS具有便携性和对运动的容忍度，以及生态效度更高等等。
第一个双脑fNIRS研究考察了照顾者和学龄儿童在按键任务期间的人际神经同步，该任务改编自成人超扫描研究。在合作条件下，通过与个人条件或额外竞争条件的比较，对人际神经同步性进行评估，并利用小波变换相干性进行计算。与其他条件相比，亲子对在合作条件下，在0.08-0.5Hz的频带内，通常表现出更高的左前额叶、额极和颞区神经同步。合作过程中的人际神经同步性能够预测后续任务的表现。这种联系证实了成人超扫描研究中关于神经同步促进合作的发现，也符合人际神经同步促进协调和沟通的假设。至关重要的是，当对自闭症谱系障碍(ASD)的父母和儿童进行同样的范式研究时，更严重的自闭症症状与大脑额叶区域人际神经同步性较低以及合作任务表现下降有关。这一发现强调了ASD中人际神经同步是受社会不规率影响的一种神经机制。
Reindl等人(2018)认为，除了促进合作外，亲子神经同步似乎中介了父母和孩子自我报告的情绪调节之间的联系。这一发现意味着亲子神经同步可能参与了儿童情绪调节的发展。Miller等人(2019)也测试了神经同步和儿童依恋关系之间的可能联系，但没有发现强有力的证据。生理性别差异是需要进一步考虑的因素，尽管研究结果不一致。这些研究都为亲子互动中的神经同步提供了首要的经验证据，但是它们的影响仅限于高度标准化的人为环境。有研究进一步探索了更为生态有效的亲子互动环境。在对学龄前儿童及其照顾者的研究中，他们使用七巧板任务来研究共同解决问题的情景，在这个任务中，双分体必须用七个几何形状重新创建模板(即房屋、火箭、动物等)。此外，有研究在自由言语交谈或使用有吸引力的玩具自由玩耍的情况下，对亲子神经同步进行了测量。研究结果发现，人际行为同步性和互惠性与较高的神经同步性相关，无论是通过WTC评估还是前额叶区域(包括额中回、额下回和颞区)的互相关性评估。
总的来说，亲子互动的双脑fNIRS研究表明，通过时域和频域测量来评估的人际神经同步，既发生在标准化的环境中，也发生在自然的面对面环境中，包括合作、解决问题、交谈和玩耍。人际神经同步似乎涉及认知控制和情绪调节相关的皮层区域，这意味着神经同步与早期社会认知之间存在联系。有趣的是，神经和行为层面上的人际同步性是相关的，这表明神经同步性是社会互动质量的一个生物标志物。然而，这些研究的可比性是有限的，因为用于估计神经同步的算法各不相同，但这种比较可以帮助我们理解不同的神经同步测量的含义。
利用电生理数据进行超扫描
脑电图(EEG)是社会交互神经科学超扫描范式中最常用的方法之一，主要用于成年人的人际神经同步研究中。近年来，EEG超扫描在发育性脑研究中也得到了大量关注。脑电图是一种非侵入性的神经生理学方法，通过直接放置在头皮上的电极来测量大脑中的神经振荡。这使得大脑活动的记录具有非常高的时间分辨率(毫秒级)，这是在研究快速时间尺度上的社会互动时，该技术具有的一个优势。便携式设备为婴儿和儿童的EEG超扫描应用提供了方便，因为对他们来说，长时间保持静止不动是一种挑战。
脑磁图(MEG)是一种类似于脑电图(EEG)的方法，它记录同步活动神经元的电流引起的磁场，具有较高的时空分辨率。MEG对切向电流引起的神经活动更敏感，而EEG可以同时检测径向和切向源，因此两种方法可以互补使用。由于磁场不太可能受到头皮阻力的影响，与脑电图相比，脑磁图具有更好的空间分辨率。鉴于MEG数据是由大型扫描仪进行记录的，所以面对面的自然社会互动需要通过向参与者展示关于彼此的实时双视频演示来实现的。随着最近便携式MEG设备的发展，该方法可以进一步开发，以便于在更自然的环境中执行超扫描。
Leong等人(2017)对8个月大的婴儿进行了首次EEG超扫描研究，当成年人以直接或间接的目光向婴儿背诵儿歌时，测试了注视对成人-婴儿对之间人际神经同步的影响。通过计算广义部分定向相干性来量化人际神经同步。结果显示，婴儿和成人之间在这种生活社会互动中具有显著的神经同步。成人和婴儿在婴儿的theta(3-6Hz)和alpha(6-9Hz)振荡带的中枢和后脑区域显著影响了对方的大脑活动，这与注意和社会协调有关。至关重要的是，与间接注视相比，直接注视时的神经同步增强。尽管该研究首次提供了双脑EEG评估成人-儿童互动中人际神经同步的经验证据，但其局限性包括由于运动伪影而只纳入了两个EEG通道(C3/C4)，以及只关注婴儿的alpha和theta波段。
除了注视在人际神经同步中的作用，Santamaria等人(2019)还表明，人际神经同步还受双向社会互动的情绪质量和语气的调节。在这些互动过程中，母亲对婴儿表现出积极和消极的情绪。然后，计算PLV和部分定向相干性(PDC)来评估婴儿额叶、中央和顶叶区的alpha振荡带的神经同步性。结果显示，与消极情绪相比，母亲和婴儿的神经过程在积极情绪上更加协调。
此外，Leong等人(2019)评估了社会学习过程中的亲子神经同步，让父母及其11个月大的婴儿一起探索新奇的玩具，同时评估婴儿的社会参照。研究结果发现，在大脑额叶、中央和顶叶区域的alpha振荡带中，更强的人际同步(即更高的锁相值[PLV])预示着婴儿更有可能进行社会学习。此外，在成功的学习过程中，更长的眼神接触和母亲讲话时间的增加与人际神经同步的增加有关。
综上所述，双脑EEG研究强调了交流节奏(如通过注视、言语和韵律诱发的节奏)在亲子互动中对人际同步的重要性。研究进一步表明，神经同步的增加调节了婴儿的注意和行为，导致社会学习的增强。重要的是，EEG和NIRS超扫描研究一致认同神经同步与积极情绪表达和情绪调节的关系。这一共识强调了两种方法在神经同步性评估中的共性。
除了评估人际关系的同步性，各种脑电图超扫描研究还考察了亲子神经模式的相似性，以及婴儿行为和父母神经反应之间的联系。有研究发现，在互动过程中，母亲和孩子的额叶EEG不对称性更多地与对方的行为有关，而不是与自己的行为有关。Wass等人(2018)研究了父母的神经反应如何与10-12个月大的婴儿在非互动性和互动性社交游戏中的注意力相关联。偶然性行为反应被认为是社会互动的一个关键因素:婴儿和成人都对彼此的社会信号的偶然性反应很敏感。通过计算父母脑电图功率(神经反应)和婴儿视觉注意之间的平均时滞互相关发现，与单独玩耍相比，父母与孩子联合玩耍的行为表现出更高的神经反应，父母神经反应的提高与婴儿注意力的增加有关。这些研究强调了在超扫描范式中评估其他形式的人际协调的可能性。此外，关于亲子互动的MEG超扫描研究中，母子二人在实时视频显示中观看彼此的面部表情，同时用两个MEG系统记录他们的大脑活动，研究揭示了mu抑制的强度之间的显著相关性，mu抑制是与行动感知和模仿相关的社会能力指数。基于此，随着近年来开发的便携式设备的应用，MEG超扫描在未来研究自然情景中亲子互动的人际神经动力学方面具有更大的潜力。
超扫描面临的挑战
超扫描与各种收集大脑活动数据的方法一起使用，包括血流动力学和电生理测量。这些方法中的每一种都给婴儿和儿童群体的研究带来了特殊的困难，因而在超扫描中应用任何一种方法都有一些常见的挑战。
亲子超扫描研究中数据收集的挑战
超扫描最基本的实际挑战之一是，它需要几个数据流的同步。在某些情况下，使用相同的记录设备从两个大脑收集数据是可行的，然而，在大多数情况下，一些记录系统需要锁时。在fMRI和MEG中，空间限制通常会阻碍在同一设备中同时记录多个大脑的活动。特别是对于使用高时间分辨率的测量方法时，如脑电图，跨设备记录的同步对精确度的要求较高。进一步的挑战是，从婴儿和儿童群体中收集不含伪迹的数据本身就很困难。而且实验所需的准备时间(例如，在EEG记录时需要使用导电膏)，给婴儿和儿童有限的耐心带来了很大的挑战。此外，涉及的技术设备和数据流越多，整个记录设置就越容易出现错误和技术缺陷，这几乎不可避免地增加了数据丢失的风险。
超扫描数据分析的挑战
考虑到超扫描研究中收集数据的复杂性和丰富性，数据分析也会带来特殊的挑战就不足为奇了。由于该领域还比较‘年轻’，无法建立容易遵循的明确的黄金分析标准。特别是在使用电生理测量时，与成人相比，婴儿的EEG以较慢的频率节律为主，而且婴儿出现功能等效神经振荡的频率较低。因此，在分析婴儿和成人的脑电图数据时，常用的测量方法来自成人双脑EEG研究，如锁相值，这可能不适合于亲子超扫描研究，而跨频率耦合分析方法可能在未来被证明是一种有用的分析方法。
解读超扫描实验结果的挑战
在解释任何一种超扫描研究的结果时，需要考虑的一个问题是，互动双方之间的大脑活动同步是否是由于实验设置中共享的感知输入而产生的一种附带现象。换句话说，每个人的大脑活动都可能独立地连接到相同的感知输入，这可能会导致高水平的同步，而两者之间没有直接的联系。现有的结果反驳了个体刺激与大脑的耦合是所有或大部分神经同步效应的基础的观点。例如，Fishburn等人(2018)报告称，与一起看电影的成年人相比，一起完成谜题任务的成年人的神经同步程度更高。因此，相互协调而不是共享相同的感知输入导致了大脑活动的同步性。同样，Nguyen的研究发现，与一起观看屏幕上的水族馆视频相比，4-6个月大的婴儿及其母亲在面对面的自由游戏互动中有更大的神经同步。因此，人际神经同步似乎与有效的沟通和相互理解有关，而不仅仅是听者对肢体语言信号的生理反应。然而，在每一项研究中，潜在的混淆和潜在的低水平驱动神经同步仍需要细细斟酌。
原文：Studying parent-child interaction with hyperscanning.
https://doi.org/10.1016/bs.pbr.2020.05.003