超扫描研究的热点与未来发展趋势：基于文献计量学的分析*

刘 燊 甘烨彤

（中国科学技术大学人文与社会科学学院，合肥230022）

1 引 言

社会互动对人类的发展非常重要，人类之所以能建设如此有秩序的文明，原因之一就是在社会互动中发展了一套完整的社会沟通系统与交流技巧。然而，传统的社会互动研究长期存在的局限之一是主要关注了实验室模拟的、单人的社会互动特征，本质上体现了离线认知（off-line cognition）。但事实上，人类大多数的社会互动都是实时的、自然的（Konvalinka&Roepstorff，2012；Schilbach et al.，2013），是一种在线认知（on-line cognition） 甚至是超脑认知（transcranial cognition 或extraneural cognition）。因此从这个意义上而言，人们的活动并不是单个个体大脑活动的简单叠加（Hari & Kujala，2009；Konvalinka & Roepstorff，2012），而应该在特定的环境中同时考察 多 个 大脑 的 活 动（Koike，Tanabe，&Sadato，2015）。研究问题的需要促进了研究技术的发展，这里的研究技术主要是指同时记录多个大脑活动的超扫描（hyperscanning）技术。所谓超扫描，是指借助神经影像学技术同时记录共同完成某一认知活动的多人脑活动的技术，可用于分析大脑信号间的相似性、相关性、相干性以及因果关系等（Smith，Lohrenz，King，Montague，&Camerer，2014），主要有基于脑电（electroencephalography，EEG）、脑磁图（magnetoencephalography，MEG）、功能性磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）、功能性近红外光谱成像（functional near-infrared spectroscopy，fNIRS）的超扫描技术等。当前，超扫描技术发展迅速并成为主流的认知神经科学研究手段之一。

总体而言，超扫描技术主要被应用于人际神经科学（interpersonal neuroscience）领域，旨在揭示社会交流或决策中群体的神经活动模式（成晓君，刘美焕，潘亚峰，李红，2021；Konvalinka & Roepstorff，2012；Schilbach et al.，2013）。研究者往往从感知运动、信息交流、社会决策等方面开展脑际认知同步的研究，并考察相应的影响因素（李先春等，2018；Li et al.，2020；Nguyen et al.，2020）。感知运动方面的研究主要涉及不同手势动作的模仿或协作发生时的多脑耦合机制（Holper，Scholkmann，& Wolf，2012；Miyata et al.，2021）；信息交流方面的研究探索了言语交流（Liu et al.，2017，2021）、眼神交流（Dravida et al.，2020；Noah et al.，2020）、情感交流（Goldstein et al.，2018；Liu et al.，2018）等活动发生时的多脑耦合机制；社会决策方面的研究则围绕协作、合作与竞争等互动发生时的多脑耦合机制展开探讨（卑力添，蒋柯，李先春，熊哲宏，2019；Zhang，Jia，& Zheng，2020）。随着研究的不断深入，社会互动中情感交流、情绪调节的脑际认知同步机制也越来越受到研究者的关注（Hu et al.，2017；Koole & Tschacher，2016；Reindl et al.，2018）。此外，研究者还尝试采用电刺激技术如经颅交流电刺激（transcranial alternating-current stimulation，tACS），从调控和干预的视角试图揭示脑际认知同步与信息传递、情感交流等现象之间的因果关系（Liu et al.，2019；Pan et al.，2021）。

鉴于真正理解社会互动的重要性和必要性，研究者从上述多个不同的角度借助超扫描技术开展了大量社会或人际神经科学研究。然而，目前零散的研究难以客观地梳理及探索超扫描研究的发展脉络、研究热点以及未来研究趋势。随着可视化技术的日益成熟，科学知识图谱越来越多地应用于展现知识结构、探索研究热点、挖掘研究主题以及构建演化规则，已经成为研究领域动态和发展趋势的主要知识发现工具。基于此，本研究采用科学计量学技术，结合知识图谱方法对超扫描研究进行可视化分析，从而为后续研究提供新的思路和方向。

2 方 法

2.1 数据来源

基于中国知网文献数据库以及Web of Science 核心合集的SSCI 和SCI 引文检索文献数据库获取文献数据信息，时间为2021 年6 月9 日。分别以“超扫描”“脑间同步”“脑脑耦合”“人际神经同步”“多人交互同步记录”“多人同步交互记录”“多脑同时扫描”“脑间活动同步性”和“hyperscanning”“inter-brain coherence”“interbrain connectivity”“inter-brain correlation”“inter-brain synchronization”“interpersonal neural synchronization”“brain- to-brain coupling”“brain-to-brain synchronization”“inter-brain phase synchronization”“brainto-brain synchrony”“between-brain connectivity”“inter-individual neural synchronization”作为中英文文献数据库检索的主题词，发表时间限定为1900 年1 月1 日至2021 年6 月9 日，中文文献类型限定为已出版的期刊论文，英文文献类型限定为“Article”和“Review”，分别获得10 篇中文文献数据和257 篇英文文献数据。由于中文文献数量较少，不适合进行文献计量分析，因此本研究仅针对检索到的英文文献进行文献计量分析。具体的文献检索流程见图1。

图1 文献检索流程

2.2 研究工具和程序

借鉴已有研究中采用的方法（甘烨彤等，2021；颜志强，王笑楠，苏彦捷，2019），借助Python（Version 3.6.3）编写文本处理程序抽取文献数据信息，包括每篇文献的作者、发表年份、关键词、发表杂志等，以便后续进行文献计量分析。此外，使用CiteSpace（Version 5.7R5W） 和VOSviewer（Version 5.5.R2）对文献数据进行可视化分析。

3 描述统计分析

3.1 年度发文量、引文量以及发文趋势

超扫描研究文献年度发文量、引文量以及发文量趋势的拟合方程如图2 所示，总体的发文量呈指数型增长，表明超扫描研究持续得到学界的关注，对发文量进行拟合所得到的拟合方程也支持了该发现。257 篇英文文献累计被引8389 次，篇均被引32.64 次。最早的文献发表于2002 年（Montague et al.，2002），迄今已被引348次。

图2 超扫描研究文献年度发文量、被引量以及发文趋势

3.2 高频关键词与聚类分析

经检索，超扫描研究文献共涉及2038个关键词，累计出现次数排名前十的关键词见表1。值得关注的是，采用超扫描技术研究“合作”“社会互动”等行为是当前的热点议题，以期揭示脑—脑耦合、脑际认知同步等现象潜在的神经机制。从技术手段层面来看，fMRI、EEG 和fNIRS 是目前超扫描研究所依托的主要技术。相较于fMRI 和EEG，fNIRS 出现的平均年较近（2016 年），表明其是近期更受超扫描研究青睐的依托技术。这可能是由于fNIRS 兼具高空间分辨率和高生态效度的优势，更加适合在自然情境或伴随动作等互动情境中研究脑际认知同步（Balconi，Fronda，& Bartolo，2021；Zhang，Jia，&Zheng，2020；Zhao et al.，2021）。

表1 超扫描研究中出现次数排名前十的关键词

上述表1 的结果在如图3 所示的超扫描研究关键词突显分析中得到了验证，其中，“mind（心智）”属于最新出现的一个关键词，从2019 年首次出现至今一直活跃。

图3 超扫描研究关键词突显分析

采用VOSviewer 对超扫描研究所涉及的关键词进行聚类分析，结果见图4。蓝色聚类以“fNIRS”“cooperation”等关键词为代表，反映了该聚类主要是以基于功能性近红外光谱成像的超扫描技术来研究合作行为的认知神经机制；绿色聚类以“EEG”“social interaction”“joint action”等关键词为代表，反映了该聚类更多是以基于脑电的超扫描技术来研究以联合行动为代表的社会互动行为的认知神经机制；红色聚类以“fMRI”“cognition”“connectivity”等关键词为代表，反映了该聚类主要是以基于功能性磁共振成像的超扫描技术来研究人类认知的神经机制；此外，黄色聚类和粉色聚类中的关键词较为分散，与上述几个规模较大的聚类有较多重叠，反映了这两种聚类尚未形成特色鲜明的研究主题。

图4 超扫描研究关键词聚类网络

4 研究趋势分析

采用Citespace 对超扫描研究的关键词进行聚类分析，并将发表时间加入考察以呈现时间线视图，其中纵轴体现了聚类信息，横轴反映了发表年份，通过观察时间线视图能分析该聚类的开始年份、持续时间等，结果见图5。该分析一方面可以通过聚类凸显研究主题，更能明确研究方向；另一方面借助时间线视图侧重于展现各个聚类研究演变的时间跨度，可揭示不同研究方向的发展趋势（陈悦，陈超美，刘则渊，胡志刚，王贤文，2015）。根据陈悦等人（2015）的建议，聚类模块值大于0.3 且平均轮廓值大于0.7 时，聚类结构显著且具有较高可信度。采用对数似然率算法对关键词聚类进行调整，获得的聚类模块值及平均轮廓值分别为0.42 和0.74。更为详细的聚类情况如表2 所示，以下将分别从特殊群体、应用范畴、社会脑和心理过程四个方面分析超扫描研究未来的发展趋势和方向。

图5 加入发表时间的超扫描研究关键词聚类

表2 超扫描研究聚类分析

正如聚类0 所示，近年来，以社会交往障碍为典型特征的自闭症谱系障碍（Autistic Spectrum Disorder，ASD）群体成为揭示社会脑的重点研究对象之一（Holz&Meyer-Lindenberg，2019）。研究者通过面对面的囚徒困境任务探索合作或背叛发生时的认知神经机制，发现右侧颞顶联合区（right temporo-parietal junction，rTPJ）的脑际认知同步与解读合作意图有关，并推测该脑区可能在ASD 患者的社会互动中发挥了重要作用（Jahng et al.，2017）；Wang 等人（2020）采用基于fNIRS 的超扫描技术，考察了不同ASD 程度的儿童在与父母的合作互动中表现出的脑际认知同步差异，发现其神经同步与合作表现存在共变关系。以上关注真实互动情境中ASD 的认知神经机制研究为诊断和治疗ASD 奠定了重要的基础，也基于特殊群体的研究发现推动了人际神经科学的发展（刘涛，刘星辰，2017；Liu et al.，2019）。

此外，研究者格外重视超扫描研究的实际应用，如聚类1，主要包括三个方面：一是教与学过程中的师生互动交流，如师生在音乐学习或概念学习过程中的行为和脑际认知同步特征（Pan et al.，2018，2020）；运动同步对随后的教学质量、脑际认知同步以及学习绩效的影响（Nozawa et al.，2019）；沟通方式与学生先验知识的交互作用对教学效果的影响及其认知神经机制（Liu et al.，2019）；专家和新手老师在师生合作互动中的行为和脑际认知同步差异等（Sun et al.，2020）。根据社会性学习理论，学习在很大程度上是在社会互动情境中通过对他人的观察和模仿而实现的社会性发展过程（乔新虹，杨文伟，李先春，裴新宁，2018）。因此，超扫描技术在教育神经科学中的应用为有效的教与学过程提供了新的视角，人际神经同步（interpersonal neural synchronization，INS）也成为动态评估师生互动及教学效果的重要指标（Brockington et al.，2018；Liu et al.，2019）；二是心理咨询与临床心理治疗，相较于闲聊，心理咨询中来访者与咨询师在右侧颞顶联合区的脑际认知同步更强，并且非言语性的情感交流在治疗关系中也发挥了至关重要的作用，从而为心理咨询的合理性及其行为和脑际认知同步提供了来自神经层面的解释（Schore，2021；Vaisvaser，2021；Zhang，Meng，Hou，Pan，& Hu，2018）；三是团体创造活动中的多脑互动，如基于人际互动视角探索互动模式、交流形式、反馈评价或团队类型对团队创造力的影响等（Lu，Qiao，& Hao，2019；Lu，Xue，Nozawa，& Hao，2019；Lu，Yu，&Hao，2020；Xue，Lu，&Hao，2018）。

此外，超扫描的研究离不开对社会脑（social brain）的探讨。涉及镜像神经元系统（mirror neuron system）和心智系统（mentalizing system）的社会脑是表征社会认知的神经基础（Wang et al.，2018），它们与社会交流、决策等行为密不可分（Astolfi et al.，2011）。正如聚类2 所示，有研究采用联合行动的协作任务考察合作与心智系统的关系，发现联合任务增强了右侧颞顶联合区的脑际功能连接（Abe et al.，2019；Barraza，Perez，&Rodriguez，2020）；探索联合行动反馈对认知能力及脑际认知同步的影响，发现无效的联合行动与竞争均减弱了脑际功能连接（Balconi & Vanutelli，2018；Balconi，Vanutelli，&Gatti，2018）；考察抑郁倾向对社会合作的影响，发现抑郁群体在合作情境中脑际认知同步程度的减弱可能与心智系统的功能性缺陷有关（张丹丹等，2020）。除了社会交流与决策，非言语交流同样是社会互动的重要组成部分，亦是揭示社会互动神经基础的重要主题之一，如聚类5 和6 中的目光接触、感知运动等（Dravida et al.，2020；Hirsch et al.，2017；Noah et al.，2020）。

如聚类3 所示，脑际认知同步潜在的心理过程是超扫描研究中的重要议题，引发了研究者的广泛关注。例如，有研究发现，互动中的脑—脑耦合与运动协调或共同意图有关（Barraza et al.，2020；Salazar et al.，2021；Tang et al.，2016）；Dai 等人（2018）采用基于fNIRS 的超扫描技术，同时测量了自然交流情境中倾听者与多名说话者的大脑活动，发现在多名说话者交流情境中，言语选择性加工的脑际认知同步与言语内容而非言语感知的神经预测有关，从而在一定程度上揭示了“鸡尾酒会效应（cocktail party effect）”的认知神经机制。此外，还有研究逐渐在行为同步的基础上，细化了亲子关系或异性/ 同性成员的互动模式（Hoyniak et al.，2021；Lu，Teng，& Hao，2020），这有助于进一步探索不同互动形式背后的脑际认知同步差异，从而为厘清社会互动的多脑耦合机制奠定了重要的基础。

5 当前研究的局限和未来研究趋势的展望

尽管超扫描技术已经成为探索具有较高生态效度的社会互动内在机制的一种有力的研究工具和手段，但日常生活中社会互动的复杂性给后续超扫描研究带来了极大的挑战和改善的空间。就目前而言，超扫描研究尚存在如下局限：第一，现有的超扫描研究中发现的脑际认知同步，其实质是两个或多个神经信号之间的相似性、相关性或相干性等，是社会互动过程中不同个体的脑活动特征。但人们往往忽略了一个更为底层的问题，即脑际认知同步的理论基础或神经机制是什么？现有的超扫描研究在理论建构方面还较为薄弱，缺乏从心理学或哲学理论层面去思考脑际认知同步的科学意义究竟是什么。如果无法回应这一基本问题，则无法全面采用超扫描技术诠释社会互动的内在机制；第二，现有的超扫描研究所涉及的互动情境仍较为单一，基本都是局限于实验室环境，生态效度有待提高。最常见的超扫描研究实验设置是两个被试面对面共同完成某一社会互动任务，采用神经影像学技术同步记录两个被试的神经信号，然后再进行统计分析（Reinero，Dikker，& van Bavel，2021；Zhang，Jia，Zheng，& Liu，2021）。这些人为设置的任务往往缺乏必要的生态效度，与真实的社会互动相差较远。

结合上述研究局限和聚类分析的结果，本研究立足于超扫描研究所揭示的脑际认知同步现象获得了如下关于未来研究趋势的展望：第一，进一步探索超扫描技术在认知科学视角转换中的作用以及推动个体与群体研究范式的相互促进。在很长一段时间内，研究者关注的是单个个体的认知和心理特征，反映到认知神经层面则是单个大脑的活动情况。这本质上是一种旁观者的视角，体现了离线认知（徐献军，2007）。随着人际神经科学研究的深入，研究者们日益发现个体的认知活动只有在社会互动中才能得以进化，所以研究视角需要转变，相应的研究手段也需更新，对多个大脑的超扫描研究便提上议事日程。问题的推进对技术的发展提出了新的要求，随着超扫描技术的发展，同时研究多个大脑的神经活动成为了可能，这引导着单个个体朝着群体的方向调整自身的行为，促进了复杂认知行为的产生。但离线认知框架下个体水平的神经影像反映了个人在完成某一认知任务时的大脑活动模式，每个人的大脑对认知任务的激活模式和强度可反映个体认知能力的差异以及疾病状态下的异常变化。相较而言，超扫描技术则反映了多人共同完成某一认知活动时的脑活动，以探索大脑信号间的关系，体现了在线认知框架下群体层面的神经影像。因此，离线认知框架下个体水平的神经影像探索和在线认知框架下群体层面的神经影像探索应该是互补的，未来的研究应推动这两种研究范式的相互促进。第二，进一步揭示脑际认知同步现象所蕴含的认知科学哲学意义尤其是对具身认知研究的促进作用。超扫描技术可以通过创设共享的环境进而实现脑际认知同步，处于共享环境中不同个体的神经元会彼此协调各自的活动来达到一致、保持同步，协调的过程中可以不发生实际的互动（Rizzolatti&Craighero，2004），在这种“静止”状态中发挥作用的主要是镜像神经元系统。镜像神经元主要是对具身认知的解释，其所展现的机制被认为是行为理解的一种直接方式。该机制表明，行为观察可以导致观察者在大脑中的与被观察者相同神经元区域的自发激活，而且镜像神经元的工作模式是依附于身体的（Gallese，2013）。由此，具身认知便有了来自认知神经科学层面的证据。除了镜像神经元网络，心智推理网络在脑—脑耦合中也发挥了重要作用（Schilbach et al.，2013）。研究发现，心智推理网络的激活并不需要情绪加工或外显的心理状态推断（Schilbach et al.，2010），即心智推理系统依靠眼神注视或意图推断（Liu et al.，2016）。其认知科学哲学意义在于，这为我们解释某些内在体验提供了一种媒介，为解释人类自身行为建构了一个经验性理解的基本层次，而该层次甚至无须借助语言表征便可以实现。而在更为广泛的哲学层面，镜像神经元系统和心智推理系统的存在表明，人类的心灵交流可以通过这两座“桥梁”，心灵从此不再是虚无缥缈的“黑箱”。因此，共享的环境信息塑造了个体外在的行为和内在的大脑活动。尽管环境的部分特征由物理环境所决定，但环境的其他特征却是由共同建立的一系列规则的群体所决定。耦合的大脑可以产生新的行为，如言语和非言语交流系统等。然而，在那些缺乏脑—脑耦合的物种中则不会出现上述行为。因此，脑—脑耦合塑造了个体的社会世界，并为此提供了新的研究视角，从而推动了真实的社会互动机制的研究。第三，进一步发挥超扫描技术在教与学情境中的应用从而为教育工作者有针对性地改善教学活动和提升教学效果提供了实证证据。近年来，研究者们通过观察教学活动中大脑活动的群体模式，探索了教师与学生在生理层面产生的联结，从而更全面客观地揭示了教学过程中师生交互现象的实质，为教育的有效性提供了有力的科学依据（乔新虹，杨文伟，李先春，裴新宁，2018）。例如，脑际认知同步可能是衡量注意投入的一个指标，教师与学生的脑际认知同步可以预测学生的课堂投入度（Dikker et al.，2017）。因此，良好的师生关系对学生课堂投入度的影响可能是通过增强师生的脑际认知同步来实现的。这时便可以借助超扫描研究领域所发现的脑际认知同步可以通过互动来增强的发现（Zheng et al.，2020），进一步提升教学质量；第四，进一步发挥超扫描技术在评估异常人群社会功能缺陷中的作用。近年来，超扫描技术广泛应用于评估自闭症谱系障碍个体的社会功能缺陷上，发现自闭症谱系障碍个体与正常个体在右侧额下回部位的脑际认知同步明显减弱，进而导致他们社会交往功能上的缺陷（Sato，Toichi，Uono，& Kochiyama，2012）。这表明，借助超扫描技术所发现的神经靶点能揭示包括自闭症谱系障碍在内的社会交往障碍的原因，并且也有助于医务工作者依据具体的指标为社会交往功能缺陷个体提供相应的干预和评估方案。