超扫描在社会互动脑机制研究中的应用：基于人际同步的视角

孙炳海 冯小丹 赵肖倩 李伟健 王雅楠

（浙江师范大学 应用社会心理研究中心，浙江 金华 321004）

在社会互动中，人往往是通过行为动作的同步形成对他人的认知或增强与他人的交流。人们肩并肩一起走路时，会无意识地与对方的步伐协调一致［1］；观众在观看一场精彩表演为之鼓掌时，掌声会自然地同步到一个稳定的节奏。［2］军事训练中的齐步走［3，4］、宗教的集体歌唱仪式［5］等都以同步的形式存在。同步成为人们日常生活中最为常见的社会互动方式之一。

从古至今，同步行为一直伴随着人类社会的发展，并深深根植于人们的行为模式中。同步行为的沿袭性和普遍性，充分体现出它对人类社会性能力发展的积极影响。［6-8］人类学家认为，与他人同步可以促进陌生个体间建立密切的社会联系。［9］McNeill甚至认为，同步化的军事演习可能是历史上最伟大的军事创新之一，能有效增强群体的凝聚力。［4］由此可见，与他人保持同步，可以产生积极的社会效应，大量实证研究进一步证实了这一观点。［10，11］从个体层面而言，人际同步有助于构建友好的人际关系［10］，加深对他人的喜爱度［12］、亲密关系［13］以及情感支持满意度［14］等；还能促进彼此的亲社会倾向或行为，如提高合作性［15］、增强助人意愿［16］、信任感［17］和共情［18］等；部分研究甚至表明人际同步是共情［19］和成功合作［20］的先决条件。从群体层面来看，人际同步能提升群体凝聚力和归属感。这些影响可能与同步过程中人体内源性阿片系统的激活有关。［4，21］以上均体现了同步对社会发展的积极作用。

随着社会认知神经科学的技术的发展，研究者们对人际同步的研究不仅停留在行为层面，更是在此基础上运用神经科学的手段探索其认知神经过程。在初探阶段，由于技术水平有限，加之社会互动的复杂性，研究者大多孤立考察单个被试执行实验任务时的神经活动。虽然研究单人对社会相关刺激（如面孔）的反应很容易，但还不足以解释双人或多人互动时大脑信号的实时变化，只有在同时研究两个或多个个体时，才能捕捉到社会互动过程中的神经活动。近年来，多人同步交互扫描（hyperscanning，后文以“超扫描”指代）应运而生。2002年，Montague首次创用超扫描（hyperscanning）技术，即通过借助fMRI、EEG、fNIRS/MEG等神经科学技术同时记录两人或多人的大脑神经活动［22］，它们为研究自然环境中的社会互动提供了可能。截至2018年12月1日，在web of science数据库中以“hyperscanning”为主题共搜索到132篇相关研究，被引频次总计达2 697次。其中，人际同步是超扫描研究中较为常用的范式，研究者们常常通过操纵人际同步来探讨社会互动中的科学问题，从而明晰社会互动的脑机制。

一、人际同步的概念及研究范式

McDougall是最早对同步这一概念进行阐述的人之一。他发现观众在观看表演时倾向于认为舞蹈者或运动员之间的动作姿势是相同的，并将其称为同步。［23］人际同步是指两个及两个以上的人，其行为表现在时间上的重合现象。［24，25］从狭义上来讲，时间上的重合可以理解为行为的同步发生。［26］从广义上来讲，人际同步不仅仅局限于行为同步，还包括在神经、生理和情感等层面上的同步，具体是指在社会互动过程中，个体与个体间或个体与群体间出现的情绪、行为和神经反应等方面高度协调一致的现象。

人际同步可以通过三种不同类型的同步过程来建立：“管弦乐式同步”、相互同步和单向同步。“管弦乐式同步”，简而言之，是与外部刺激（如音乐伴奏）的同步。在“管弦乐式同步”中，两个或两个以上的个体会接受外部“指导”的共享动作模式，像音乐指挥家指挥乐团的几十名音乐家一样，当他们的动作与“指挥家”发出的信号同步，也就实现了个体间的同步。以往研究通常采用让被试与节拍器产生的节拍同步的方式操纵人际同步。［10，27］在相互同步中，同步是通过一个相互给予和接受的过程来实现的。互动伙伴会相互观察并各自调整动作，有意识地与对方保持同步。单向同步是指在一定情境下，个体（“同步者”）单方面进行调整，将自己的行为融入到与之互动的伙伴（参照者）中以促进同步。这一过程与模仿任务中的互动行为类似，主动去同步的一方为追随者，被同步的一方为参照者。

在以往的行为研究中，为更好地将人际同步进行科学化操作，心理学家们设计了不同的研究范式。本文对其进行了总结，主要包含以下五种范式。

（1）齐步走范式。齐步走是较容易操作的一种同步范式。在生活中，常用于军人列队训练、学生军训等。Wiltermuth等人［15］运用齐步走范式探讨同步与合作之间的关系，结果表明同步不仅会促进合作，还会增加对同伴的信任感。

（2）手指同步范式。常见的手指同步范式有以下两种：一是两人面对面做手指同步动作［28］，实验要求跟随者的手指与引导者的手指保持一致的运动；另一种是通过手指敲击来实现被试间的行为同步。［19］Kokal等人研究发现，同步组被试的亲社会行为显著高于非同步组。［29］

（3）音乐伴奏同步范式。同步范式中，不少研究都与音律刺激有关，或是跟随简单节拍做相应动作［30］，或是通过集体舞蹈、合唱来控制同步行为［31，32］，抑或是佩戴耳机跟随音乐节奏移动塑料杯等［3］。音乐伴奏范式不仅能应用于成人实验研究，同样也适用于婴幼儿研究。Cirelli等人发现，在相同的音乐伴奏下产生同步行为的儿童亲社会行为会增加。［16］

（4）头部动作同步范式。Smith等人［33］将被试分为同步组（电脑屏幕中的头像跟随被试转动）、模仿组（电脑屏幕中的头像跟随被试转动，但延迟4秒）以及控制组（仅观看视频，无头部转动），结果表明同步组的被试自我-他人重合得分显著高于控制组和模仿组被试。

（5）人椅摇动范式。Valdesolo等人通过椅子摇动的方向和被试间的位置排列来操纵同步，其中同步组被试并列而坐，椅子以相同方向晃动，而非同步组被试背对背而坐，且椅子晃动方向相反，经过一定时间的人椅摇动后要求填写对同伴的喜爱度，结果表明同步组被试比非同步组更喜欢他们的同伴。［20］

二、基于人际同步的超扫描研究

超扫描技术的兴起使得社会互动的神经机制研究开始从“独立范式”转向了“双人/多人神经科学”，从单纯的观察到真正让两个或两个以上个体参与到社会互动的过程中，提高了研究的生态效度。fNIRS和EEG超扫描技术因其无创性、生态效度高等优点，逐渐成为该领域的热点技术，广泛应用于社会互动的各个领域/方面，包括合作竞争［34］、经济决策［35］、言语交流［36］等。截至2018年12月1日，通过检索Web of science数据库，使用关键词“hyperscanning”，其中以fNIRS和EEG手段进行的研究98篇，占70%以上。超扫描的目的是同时记录两个及以上被试的大脑活动，相同时间内的被试的活动相似度越高，从行为到神经结果的解释就更纯粹，减少了无关变量的影响。人际同步是社会互动的重要形式，其行为范式也开始逐渐运用于超扫描研究，以探究社会互动现象背后的神经机制。表1和表2分别列出了基于人际同步范式的fNIRS和EEG超扫描研究。［37-53］

表1 基于人际同步范式的fNIRS超扫描研究

表2 基于人际同步范式的EEG超扫描研究

1.基于手指同步范式

手指同步是超扫描研究中最为常用的范式之一，研究者们常常通过操纵手指同步运动来开展不同社会互动情境中的脑机制研究。Funane等人［37］最先借助fNIRS超扫描技术同时记录成对被试在合作数数按键时的脑活动，发现互动双方的腹侧前额叶出现显著的脑同步，该区域的同步可能与任务中涉及的工作记忆以及注意资源分配有关。Cui等人［38］进一步完善实验设计，增加控制条件（竞争按键以及单独按键），其结果也表明只有在合作条件下右侧额上回存在显著的脑同步，而该脑区的同步可能表明合作情境中心理理论起到了一定的作用。之后，Cheng等人［40］沿用该范式，就合作的性别差异进行探讨，发现异性被试组的脑同步显著高于同性被试组，即人们常说的“男女搭配，干活不累”。而后，Pan等人［42］根据异性被试组之间的熟悉度，将其划分为情侣、朋友以及陌生人，采用该范式研究不同关系类型在合作任务中的表现差异，结果表明情侣在同步按键时，右侧额上回的同步性显著高于其他两组。Reindl等人［45］则将该范式改编成适合儿童的合作情境，考察亲子之间的神经同步。考虑到被试量对实验结果的影响，Baker等人［43］采用大样本复制了Cheng等人的实验，却发现只有同性被试组存在显著的脑同步，且与行为表现呈正相关。

Naeem等人［48，54］通过分析与伙伴协调完成手指动作（完全相同或相反）和单独任务（自我节奏的手指动作）三种不同状态，借助EEG手段探究社会协调活动对应的脑电活动变化。结果发现，低（8-10 hz）和高（10-12 hz）mu波段在社会协调任务中出现功能分离。这与Tognoli等人［46］的研究结果相似，发现在协调任务前后，被试的大脑活动发生了变化，具体表现在alpha和mu波上。并且有研究发现，训练可以提高被试间的指尖同步性，同步性的提高与腹内侧前额叶（ventromedial prefrontal cortex，vmPFC）的θ波频率正相关。［28］腹内侧前额叶是共享回路的重要脑区，具有表征自我（反省能力）和他人（心理理论能力）的功能。［55］

Konvalinka等人［50］使用手指同步敲击任务，同时测量两组人的脑电信息。研究结果发现，在双向互动中，可以通过互动前和互动中的大脑活动来预测领导者-追随者关系。Astolfi等人［51］运用手指按键任务，发现联合动作条件下，脑间连接显著高于人机条件。在面临相同威胁时，脑间连接增强［53］，此外催产素也可以促进脑间连接的提高［52］。

2.基于音乐同步范式

音乐同步范式包含两种形式，一是合唱或演奏音乐，二是与音乐伴奏同步。目前在超扫描研究中更为常用的是合唱或演奏形式。Osaka等人［41］采用音乐同步范式，考察被试在合唱、单独唱以及只听不唱三种条件下的脑同步情况，发现在合唱过程中额下回出现显著同步，可能与音乐加工过程以及任务的合作性质有关。Lindenberger等人［47］让有经验的吉他手两两一起演奏音乐，同时用EEG记录脑电信息。结果发现在演奏开始的时候，吉他手之间的大脑同步（在大脑内部和大脑之间）最高。实验结果的有趣之处在于，大脑的同步不仅与起始有关，与游戏开始前的主吉他手的起始姿势也密切相关。当演奏结束后，大脑之间的同步完全消失。为了进一步探索同步震荡的大脑活动是否能支持音乐表演中人际协调行为，Sänger等［49］又进行了新的研究。他们仍采用EEG同时记录两个吉他手的演奏，同时在两位吉他手的每只手上都安装了一个加速度传感器，以跟踪手的动作。每对吉他手会进行两个阶段的演奏，第二阶段的节奏要快于第一阶段。演奏的过程同之前一样，由主吉他手发出信号进行合奏，但两名吉他手的身份会进行交换。我们发现，相位锁定与吉他手的音乐角色有关。主吉他手基本比辅吉他手表现出更高的相位锁定。而第二阶段的音乐节奏更快，需要更高的音乐协调，这时额叶和中央电极的相位锁定以及脑内、脑间的连接强度增加。

大量超扫描研究运用了手指同步范式和音乐范式，将人际神经同步作为重要神经指标，对多种社会互动现象背后的神经机制进行了探讨，不仅提高了研究的生态效度，也从认知神经科学的角度更深入地了解社会互动现象。

三、人际同步的理论基础

自人际同步的研究开展以来，学者们从不同的角度提出了人际同步的理论，以解释这种社会互动现象的发展模式或内在的心理机制，这些理论为实证研究提供了理论框架，同时实证研究也在一定程度上对这些理论进行了检验。目前，关于人际同步的理论有以下几种。

1.自我-他人重合理论

源于Aron等人［56］在研究亲密关系时，首次提出自我-他人重合（self-other overlap）的概念，并将其定义为自我和他人之间差异的减少。Susan等人［57］在构建共享神经回路模型（shared circuits model，SCM）时提出，人际同步的关键是感知和行为在时间上的高度重合，且立足于对同伴行为的预测和自我-他人重合。如果对某种行为的预测和个体实际的感受紧密契合，人们就会将这种行为归因于自我。但当另一个人的行为在形式和时间上都与自己的行为相似时，则会混淆自我-他人的归因，从而模糊自我-他人的界限。比如我想拍手，我会瞬间感觉到自己在拍手，双手在鼓掌；然而在与他人同步鼓掌的情况下，他人的掌声会与自己预想的掌声相吻合，因此很难区分自我产生和他人产生的动作。［10］因此，当同伴之间的行为达到高度同步时，会出现自我-他人重合［33］，甚至可能增加人际间的共情［57］。“橡胶手错觉”也可以很好地解释这一效应。当另一个人的行为取代了“橡胶手”时，人际间的行为同步会使个体将自我的积极观点投射到他人［33］，从而促使自我-他人感受的融合。研究者们常用自我-他人重合来解释人际行为同步的亲社会效应［25］，如预测合作行为［58］和同情［19］等。人际同步促进了自我-他人重合，从而支持个体将自我资源延伸至他人（此时，他人已融合为自我的一部分）［55］，产生积极的社会影响。认知神经的研究也表明，这种自我-他人重合的心理过程可能是在行为同步时，同伴感知到了彼此的行为并激活同一神经系统的结果。［59，60］

2.共享意向理论

人类拥有协调自我行为从而更好地与他人相处的能力，这种能力被称为共享意向。共享意向是指两个或两个以上的个体通过协调自己的行为来实现共同的目标。［61］从发展的轨迹来看，共享意向在婴儿出生后的几个月里就表现得很明显，如婴儿在与父母面对面的交流中表现出同步的反应能力［62］；在9～12个月时，婴儿会发展出更多的共享意向特征，可以通过互动将其注意力和行为目标引导到第三个人或物体上［63］；在15个月大的时候，共享意向的发展达到峰值。［64］在成人社会互动的研究中发现，人类有一种自然的倾向，即无意识地将自己的行为动作与共同从事某项任务的人相协调，而这种行为上的同步会促进同伴间的互动，加深对彼此的喜爱。［65］此外，当人际同步建立在合作等基础上时，同步行为会受到共享意向的驱动，个体会在一定的时空范围内使自己与同伴的行为同步，从而在他们所处的环境中实现共同的目标。Reddish等人研究发现，基于共享意向的人际同步以在更大程度上促进合作行为。［57］与同伴协调行动的个体，更能共情他人，更具亲社会性。同步行为可以增强个体在共享意向中的利他行为及合作。［65］Hu等人［44］运用fNIRS超扫描技术探讨人际同步的亲社会效应，结果发现人际同步过程中左侧额中回存在显著的脑同步，脑同步可以预测人际间的亲社会倾向，并且共享意向在人际同步的亲社会效应中起中介作用。以上论据均表明共享意向可能是行为同步产生一系列积极社会效应的心理过程及内在心理机制。

3.感知相似性理论

感知相似性是指个体感觉他人与自己的相似程度。［66］人们倾向于帮助与自己相似的人，甚至更愿意与自己相似的人繁衍下一代。［67］其中，相似性不仅仅是指物理或嗅觉特征上的相似，还包括相似的行为［68］，如人与人之间同步的行为。研究表明，人际间行为同步与感知相似性之间存在双向联系。一方面，人们更易与自己相似的个体保持同步［69］；另一方面，个体间行为的同步性越高，对彼此的感知相似性及亲密度越高；Valdesolo等人［19］在探讨人际同步对同情的影响时，发现感知相似性在其中起中介作用。由此可见，人际间的行为同步可能与相似性密切相关，也意味着人们有能力通过与他人同步，人为地诱导相似性和亲密感。Miles等人的研究也证实了这一观点，当人们想要加入一个群体时，他们会表现出更多与群体内的人同步的行为。［70］

4.联盟信号理论

Hagen等人在人际行为同步的研究中发现，在相互竞争的群体中，合唱可以将群体的合作力量传递给群体内成员，提升集体凝聚力，因此提出联盟信号理论。［6］该理论表明有共同意向的同步行为会衍生出一种联盟的信号，这一信号使群体内成员在竞争的环境中协同行动并高度合作。此后，Reddish等人丰富了这一理论并提供了实证支持，他们认为同步凝聚的合作力量不仅针对竞争对手，也可以为群体自身服务。［59］这种为群体所感知的合作力量反过来还能促进群体内的团结和信任感，从而增加了个体之间的合作倾向。也有越来越多的研究表明，人际行为同步不仅可以提高合作倾向，还可以提升生态情境中的合作行为。［20］Valdesolo等人还发现对同伴行为感知的高敏感度在人际行为同步的成功合作效应中起中介作用。由此可见，联盟信号理论可以很好地解释人际行为同步所引发的合作行为。

四、总结与展望

随着超扫描技术的不断创新和稳健发展，它已逐渐成为一项成熟的神经成像技术，在不同的社会领域得到广泛应用。尽管如此，超扫描在社会互动脑机制研究中的运用也面临许多挑战。未来，研究者们可以在完善现有研究的基础上，从以下几个方面进行思考和探究。

1.提高生态效度：从实验室研究到自然情境中的社会互动研究

Hyperscanning作为社会认知神经科学领域的新兴技术，在探索社会互动中具有重要作用，如果hyperscanning的研究范式能与人们的日常社会生活紧密联系，会更具有应用价值。目前由于实验范式及设备等方面的限制，大部分的研究仍然局限于实验室环境。研究者们也在不断尝试改进fNIRS设备，如ETG-7100可以实现120个通道的同时测量、全脑便携式近红外设备的积极研发等，都努力通过增加光纤和探头的数量的方式，以便在不需要购买多个fNIRS设备的情况下也能轻松实现多个被试的同步记录。同时，相比于fMRI，EEG设备因其灵活性和相对较低的成本，在hyperscanning中也得到了广泛的应用。就目前的技术而言，EEG扫描可以在复杂的实验范式中同时记录四个甚至更多的被试大脑信息，其需要改进之处可能在于如何在同一台机器上实现多个被试的同步记录。

2.拓宽互动范围：从双人的社会互动到多人的社会交流

人际同步的研究中，互动伙伴的数量也是值得考虑的因素。大部分人际同步的研究是通过两人一组配对而非团体形式进行的［58］，这也意味着人际行为同步产生的一系列积极社会效应（助人、合作等）可能取决于被试与一个同伴同步，而非多个同伴。在双人互动中，关于同步水平的反馈可能比团体互动中的反馈更直接，对他人同步的程度也仅局限于一人而非多人。同时，在双人互动中，由于给予了对方完整的关注，更容易将对方纳入自我概念中，自我-他人的界限也更容易模糊，自我-他人重合的效应更明显，但这一结论并不足以推广至团体的互动研究中。此外，人际间的熟悉度是研究者们常常规避或忽略的影响因素。迄今为止，少有研究直接对比与陌生人同步和与熟悉的人同步之间的差异，来探讨熟悉度对人际同步的相关影响。

3.深化应用情境：从单一学生样本到现实师生互动

大部分的hyperscanning实验依赖于学生样本，基于当前的数据，还不能将结果推广到现实场景和非学生样本。未来的研究可以从以下两个层面进行深化：一是加强对非学生成人、儿童甚至婴儿样本的研究。比如fNIRS在一定程度上降低了婴儿和儿童实验的难度，它不需要被试静止不动，而且允许他们与周围环境进行自由互动，为开展婴儿神经发育研究提供了契机。经颅脑图谱的研发也使得婴儿的大脑定位难题逐步得以解决。二是加强对多种社会情境的研究，拓宽同一研究中的人群维度。Holper等人［39］首次运用超扫描技术开展教学互动中师生脑同步的研究，结果表明师生脑际同步性增强是教学成功的重要标志。这一研究为开拓教师教育神经科学领域提供了重要启示。

虽然大量的实证研究表明人际同步可以产生积极的社会效应，然而目前的超扫描大多聚焦于人际同步范式，而较少关注这种效应背后的神经机制问题。未来的研究还可以利用hyperscanning技术，从神经层面深入探究人际同步引发的一系列积极社会效应，可能会对社会功能受损的相关疾病提供新的干预思路。