fNIRS超扫描研究中脑间同步的计算与验证方法研究

作者及发表信息

本研究由Yinying Hu、Zixuan Wang、Bei Song、Yafeng Pan、Xiaojun Cheng、Yi Zhu和Yi Hu共同完成，分别来自华东师范大学心理与认知科学学院脑与教育创新研究所、哈尔滨音乐学院音乐学系、瑞典卡罗林斯卡医学院临床神经科学系以及深圳大学心理学院。该研究于2021年9月发表在*Journal of Visualized Experiments (JoVE)*期刊上，DOI为10.3791/62801。

学术背景

本研究属于社会神经科学（social neuroscience）领域，重点关注脑间同步（Inter-Brain Synchronization, IBS）的计算与验证方法。脑间同步是指当个体在社交互动中协调行为时，他们的大脑活动会表现出时间上的耦合现象。近年来，超扫描（hyperscanning）技术的发展使得同时记录多个个体的大脑信号成为可能，而功能性近红外光谱（functional Near-Infrared Spectroscopy, fNIRS）因其对头部运动的限制较小，成为研究自然社交互动中脑间同步的重要工具。

然而，尽管fNIRS超扫描研究已广泛应用于合作行为、音乐协调、语言交流等场景，但如何准确计算和验证脑间同步仍缺乏标准化流程。本研究旨在提供一套完整的实验和分析方案，详细介绍如何利用小波变换相干性（Wavelet Transform Coherence, WTC）方法计算脑间同步，并通过置换检验（permutation test）验证其特异性。

研究流程

1. 实验准备

1.1 参与者招募

• 招募右利手的本科生和研究生，确保其听力、视力正常，且无专业音乐训练背景（学习音乐时间少于3年）。
  
• 随机配对成双人组（dyad），并确保组内成员此前互不相识，以减少熟悉度对实验结果的影响。
  

1.2 实验刺激

• 使用音乐软件生成节拍（meter）和非节拍（non-meter）两种听觉刺激：
  
  • 节拍刺激：每12秒的纯音序列（440 Hz，660 ms），第一个音增强（+6 dB），形成强弱拍模式。
    
  • 非节拍刺激：所有音强度相同（40 dB）。
    

1.3 实验任务

实验分为协调（coordination）和独立（independence）两部分，结合节拍/非节拍刺激，形成四种条件：
1. 节拍协调（meter coordination）：双方听到节拍刺激，并接收对方的敲击反馈。
2. 非节拍协调（non-meter coordination）：双方听到非节拍刺激，并接收对方的敲击反馈。
3. 节拍独立（meter independence）：双方听到节拍刺激，但仅接收自己的敲击反馈。
4. 非节拍独立（non-meter independence）：双方听到非节拍刺激，仅接收自己的敲击反馈。

每组完成60次试验（每种条件15次），总时长约26分钟。

1.4 fNIRS设备准备

• 使用自制fNIRS帽（基于标准EEG 10-20系统），覆盖前额叶皮层（frontal cortex），包含8个发射器和7个探测器，形成22个测量通道（optode separation = 3 cm）。
  

2. 数据采集

• 实验前30分钟启动fNIRS系统，并进行信号校准。
  
• 在实验过程中，要求参与者尽量减少头部运动，并实时监测信号质量。
  

3. 数据分析

3.1 数据预处理

1. 信号转换：使用Homer2工具箱将原始光密度数据转换为含氧血红蛋白（oxy-Hb）和脱氧血红蛋白（deoxy-Hb）浓度。
   
2. 噪声去除：
   
   • 主成分分析（PCA）去除全局生理噪声（如呼吸、血压波动）。
     
   • 基于相关性的信号改进（CBSI）去除运动伪影。
     

3.2 脑间同步计算（WTC方法）

• 使用小波变换相干性（WTC）计算相同脑区通道对的相干性值，分析时间窗口为0.5-1 Hz（与敲击任务频率匹配）。
  
• 以静息状态（20秒）为基线，计算任务期间的相干性增量（IBS = 任务相干性 - 静息相干性）。
  

3.3 统计检验

• 置换t检验（permutation t-test）：比较各条件下的IBS是否显著高于零（5000次置换，FDR校正）。
  
• 置换验证：通过随机配对试验、个体或条件，验证IBS是否由真实互动而非刺激相似性引起。
  

主要结果

1. IBS的存在：仅在节拍协调条件下，左侧背外侧前额叶（DLPFC, Brodmann area 9）的通道5表现出显著IBS（图2a）。
   
2. 条件对比：节拍协调的IBS显著高于非节拍协调和节拍独立条件（图2b）。
   
3. 置换验证：真实配对的IBS显著高于随机配对（图2c），表明IBS确实由社交协调行为驱动，而非刺激或运动相似性。
   

结论与意义

本研究提供了一套标准化的fNIRS超扫描数据分析流程，首次证明音乐节拍在社交协调中可诱发特异的脑间同步，且该同步主要发生在DLPFC，可能与注意力调控和社会认知相关。

科学价值

1. 方法学贡献：WTC+置换检验的组合可作为fNIRS超扫描研究的标准化分析流程，提高结果的可重复性和可靠性。
   
2. 理论意义：DLPFC的IBS可能反映了社交协调中的高级认知调控机制，如共同注意和意图理解。
   

应用前景

• 可推广至亲子互动、教学场景、精神疾病（如自闭症）的社交障碍研究。
  
• 未来可探索多脑网络（multi-brain network）在自然互动中的动态耦合。
  

研究亮点

1. 创新方法：结合WTC和置换检验，系统解决IBS的计算与验证问题。
   
2. 自然实验设计：采用音乐协调任务，更贴近真实社交互动。
   
3. DLPFC的发现：首次揭示该脑区在节拍协调中的关键作用，拓展了社会神经科学的认知。
   

其他有价值内容

• 详细讨论了fNIRS数据预处理的多种方法（如PCA、CBSI、小波滤波）的优缺点，为后续研究提供参考。
  
• 开源代码和工具箱（如Homer2、xjview）的推荐，便于其他研究者复现实验。
  

本研究不仅提供了fNIRS超扫描研究的标准化方案，还为理解社交互动中的神经机制提供了新视角。