人際大腦同步在社會互動學(xué)習(xí)中的作用機(jī)制

2018年8月，胡誼課題組的研究論文Interpersonal synchronization of inferior frontal cortices tracks social interactive learning of a song被神經(jīng)影像國際權(quán)威期刊《NeuroImage》接受。該研究采用基于功能性近紅外腦成像（fNIRS）與多人同時(shí)掃描（hyperscanning）相結(jié)合的技術(shù)，探討了人際大腦同步在社會互動學(xué)習(xí)中的作用機(jī)制。

人類大多數(shù)的學(xué)習(xí)是以互動形式來完成的；這包括觀察和模仿、師生互動等。早在兩千多年前，教育家們就提出了通過互動的形式傳播知識（如“蘇格拉底式對話“等）。然而，這種社會互動學(xué)習(xí)的神經(jīng)機(jī)制尚不清楚。有意思的是，近年來的研究發(fā)現(xiàn)（如Cheng et al., 2015; Hu et al., 2017; Hu et al., 2018; Pan et al., 2017），人類在互動期間會產(chǎn)生大腦間的信號同步現(xiàn)象，這種同步機(jī)制與互動的過程和結(jié)果有密切的關(guān)系。人際大腦同步模式被認(rèn)為支持了人類的社會認(rèn)知加工，其在社會互動學(xué)習(xí)中是否也發(fā)揮重要作用呢？

為了回答上述問題，該課題組與英國倫敦大學(xué)學(xué)院研究人員合作，以24對教師-學(xué)生組合為研究對象，采集了教師在教授學(xué)生音樂歌曲期間的腦功能成像數(shù)據(jù)（圖1A）。互動學(xué)習(xí)過程中，教師可采用“部分學(xué)習(xí)“（part learning，PL；逐句教唱）或”整體學(xué)習(xí)“（whole learning，WL；整首教唱）兩種教學(xué)方法（圖1B），師生雙側(cè)額顳頂皮層大腦活動被同步記錄（圖1C）?；訉W(xué)習(xí)后，學(xué)生獨(dú)立完成歌曲演唱（用以事后評估學(xué)習(xí)效果）。師生大腦活動隨時(shí)間共同變化的關(guān)系被計(jì)算作為人際大腦同步的指標(biāo)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程由相機(jī)全程錄像用以事后行為編碼（圖2）。

（圖1. （A）社會互動學(xué)習(xí)范式。（B）部分學(xué)習(xí)和整體學(xué)習(xí)策略。（C）感興趣腦區(qū)。）

（圖2. 人際大腦同步與互動行為結(jié)合分析。（A）“部分學(xué)習(xí)”組的人際大腦同步時(shí)間序列。藍(lán)點(diǎn)表示非歌唱互動行為；紅點(diǎn)表示歌唱互動行為（學(xué)生觀察階段）；綠點(diǎn)表示歌唱互動行為（學(xué)生模仿階段）。（B）視頻中提取的對應(yīng)互動學(xué)習(xí)行為。）

該研究主要發(fā)現(xiàn)，“部分學(xué)習(xí)“相比”整體學(xué)習(xí)“互動次數(shù)更多（圖3B），帶來的學(xué)習(xí)結(jié)果更好（圖3A），且引發(fā)師生間額下回（inferior frontal cortex，IFC）出現(xiàn)同步現(xiàn)象（圖4A-C）。通過進(jìn)一步與視頻編碼的互動行為結(jié)合分析[包括歌唱互動行為（進(jìn)一步細(xì)分為學(xué)生觀察階段和學(xué)生模仿階段）、非歌唱互動行為和無互動行為]，發(fā)現(xiàn)這種人際大腦同步（interpersonal brain synchronization，IBS）現(xiàn)象在歌唱互動（vocal interaction，VI，圖5A）期間，尤其是學(xué)生觀察階段（OBSERVATION，即教師示范期間，圖6A）效應(yīng)最強(qiáng)，且與學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果顯著相關(guān)(圖4D，5B，6B)。值得注意的是，通過格蘭杰因果分析，研究發(fā)現(xiàn)在學(xué)生觀察期間，教師的大腦活動對于學(xué)生具有更高的預(yù)測效力（圖6C）。這些發(fā)現(xiàn)對于我們理解社會互動學(xué)習(xí)的認(rèn)知和神經(jīng)過程具有重要理論意義，同時(shí)對于教學(xué)、臨床實(shí)踐也提供了重要借鑒。

（圖3. 學(xué)習(xí)表現(xiàn)和互動學(xué)習(xí)行為。（A）學(xué)生學(xué)習(xí)表現(xiàn)。（B）互動學(xué)習(xí)行為次數(shù)。（C）互動學(xué)習(xí)行為持續(xù)時(shí)間比例。）

（圖4. 人際大腦同步結(jié)果。（A）感興趣頻段。（B）人際大腦同步的單樣本t檢驗(yàn)。（C）人際大腦同步的組間差異。（D）人際大腦同步與學(xué)習(xí)表現(xiàn)之間的相關(guān)。）

（圖5. 人際大腦同步與互動學(xué)習(xí)行為。（A）歌唱互動（VI）、非歌唱互動（NVI）、無互動（NI）期間的人際大腦同步。（B）人際大腦同步與互動學(xué)習(xí)行為的相關(guān)關(guān)系。）

（圖6.歌唱互動行為期間的人際大腦同步。（A）歌唱互動期間，學(xué)生觀察（OBSERVATION）、模仿(IMITATION)階段的人際大腦同步。（B）學(xué)生觀察期間的人際大腦同步與學(xué)生音高表現(xiàn)相關(guān)。（C）學(xué)生觀察期間的格蘭杰因果分析。教師對學(xué)生的大腦信號具有更高的預(yù)測效力。）

人-人高級社會互動的認(rèn)知神經(jīng)過程是心理學(xué)和神經(jīng)科學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。近年來，該課題組采用腦電、近紅外成像技術(shù)，結(jié)合多人同時(shí)掃描的方法，揭示了人類合作（Cheng et al., 2015; Pan et al., 2017）、決策(Hu et al., 2018)、親社會行為(Hu et al., 2017)等一系列社會互動過程的人際大腦同步模式。

該研究論文主要由胡誼教授課題組博士生潘亞峰(現(xiàn)由華東師范大學(xué)和布魯塞爾自由大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng))與英國倫敦大學(xué)學(xué)院助理研究員Giacomo Novembre共同合作完成，通訊作者為胡誼教授。該研究得到了國家自然科學(xué)基金的資助。博士生潘亞峰得到了國家留學(xué)基金委、華東師范大學(xué)優(yōu)秀博士論文培育計(jì)劃的資助。本研究的階段性結(jié)果在“社會腦 互動腦 健康腦”學(xué)術(shù)研討會（2017）進(jìn)行了口頭匯報(bào)；完整數(shù)據(jù)結(jié)果在法國第四屆功能性近紅外年會（4thAnnual Meeting of The French Community of Functional NIRS，2017）進(jìn)行了口頭報(bào)告展示。