來(lái)自耶魯大學(xué)醫(yī)學(xué)院精神病學(xué)系的Joy Hirsch等人，最近在social cognitive and affective neuroscience上發(fā)文，他們使用近紅外超掃描方法研究人與人之間口頭交流的神經(jīng)機(jī)制。
文獻(xiàn)導(dǎo)讀：

盡管研究調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)社會(huì)互動(dòng)的神經(jīng)機(jī)制具有進(jìn)化意義，但該領(lǐng)域仍未得到深入研究。交互式大腦假說(shuō)提出，交互式社交線索由腦內(nèi)的專門區(qū)域進(jìn)行處理，并為研究社交交互的潛在神經(jīng)機(jī)制提供了一般的理論框架。本研究測(cè)試了這一假說(shuō)，該假說(shuō)提出，在基于交談和聆聽(tīng)的社交互動(dòng)過(guò)程中，規(guī)范的語(yǔ)言區(qū)域會(huì)被正調(diào)節(jié)并在腦間進(jìn)行動(dòng)態(tài)耦合。使用功能近紅外光譜（fNIRS）獲取同伴（被試）大腦中同步發(fā)生的脫氧血紅蛋白（deOxyHb）信號(hào)，這些被試在有互動(dòng)和沒(méi)有互動(dòng)的自然交流環(huán)境中進(jìn)行對(duì)象命名和描述任務(wù)，他們會(huì)輪流執(zhí)行描述和聆聽(tīng)任務(wù)?；?dòng)和非互動(dòng)條件的比較證實(shí)了互動(dòng)過(guò)程中，威爾尼克區(qū)(Wernicke)的顳上回（STG,superior temporal gyrus）相關(guān)的神經(jīng)活動(dòng)有所增加（P = 0.04）。但是，布羅卡區(qū)(Broca)的結(jié)果不支持該假設(shè)。通過(guò)小波分析STG和中央下區(qū)域(subcentral area)的信號(hào)，發(fā)現(xiàn)跨腦活動(dòng)相干在交互過(guò)程中比非交互中大（P <0.01）。研究支持了交互式大腦假說(shuō)，這些發(fā)現(xiàn)提出了一種動(dòng)態(tài)耦合的跨腦神經(jīng)機(jī)制，專門用于共享人際信息。 

實(shí)驗(yàn)   

方法任務(wù)和刺激   

口頭任務(wù)基于完善的“對(duì)象命名和描述”任務(wù)，該任務(wù)通常用于fMRI的臨床應(yīng)用，其中人類語(yǔ)言系統(tǒng)的映射是神經(jīng)外科計(jì)劃的目標(biāo)。在fMRI研究中，由于說(shuō)話會(huì)產(chǎn)生頭動(dòng)從而在掃描中會(huì)造成大量偽跡，該任務(wù)通常以隱性（無(wú)聲）語(yǔ)音執(zhí)行。要求患者想象產(chǎn)生與命名和描述物體有關(guān)的語(yǔ)音。已通過(guò)術(shù)中記錄證實(shí)了該任務(wù)激活的神經(jīng)區(qū)域是布羅卡和威爾尼克區(qū)域。     

實(shí)驗(yàn)范式

互動(dòng)模式中，實(shí)驗(yàn)中的兩名被試在對(duì)象命名和描述任務(wù)的時(shí)間序列如圖1A所示。被試被隨機(jī)分配到“描述者”和“聆聽(tīng)者”，角色每15秒切換一次。描述和聆聽(tīng)任務(wù)會(huì)持續(xù)3分鐘，并重復(fù)兩次。被試之間彼此隔絕，以防止混淆與語(yǔ)言相關(guān)的互動(dòng)的面對(duì)面互動(dòng)。兩位被試觀看的新圖片出現(xiàn)表示任務(wù)開(kāi)始。在控制條件下，即獨(dú)白模式中，沒(méi)有任何互動(dòng)的獨(dú)白者，要獨(dú)自完成對(duì)圖片的命名和描述。也會(huì)在不同的時(shí)間中，分別扮演“描述者”和“聆聽(tīng)者”。互動(dòng)模式與獨(dú)白模式的任務(wù)基本相同，不同之處在于，互動(dòng)模式中，每一位描述者在對(duì)新的圖片開(kāi)始描述之前，都要對(duì)上一位描述者的評(píng)論做出評(píng)論。

圖1.（A）兩人對(duì)象命名和描述任務(wù)的實(shí)驗(yàn)范例。（B）42個(gè)通道的平均位置（紅色圓圈）。（C-F）對(duì)deOxyHb（左列）和OxyHb（右列）信號(hào)的體素對(duì)比，C和D反映的是沒(méi)有去除全局成分的原始信號(hào)，E，F是使用高通濾波去除全局成分后的信號(hào)。紅色/黃色表示[描述>聆聽(tīng)]，藍(lán)色/青色表示[聆聽(tīng)>描述]，其顯著性級(jí)別由右側(cè)的色條指示。圖像包括左右組矢狀面。E（左半球）中顯示的三個(gè)圓圈代表規(guī)范語(yǔ)言區(qū)域：Broca區(qū)（前），Wernicke區(qū)（后）和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)（中樞）。

被試

本研究共計(jì)招募62名健康成人（31組）。其中27組數(shù)據(jù)可用。單腦分析中，在排除的4組中，納入4名沒(méi)有伴侶且可用的被試數(shù)據(jù)(n = 58)。

在實(shí)驗(yàn)之前，對(duì)被試進(jìn)行篩選，通過(guò)執(zhí)行兩項(xiàng)任務(wù)來(lái)確定參加研究的資格：右手手指敲打任務(wù)和觀看棋盤格任務(wù)。在這些實(shí)驗(yàn)中，活動(dòng)和休息時(shí)期以15s的間隔交替進(jìn)行，每個(gè)任務(wù)重復(fù)兩次（每次三分鐘）。如果在手指敲打任務(wù)的左手運(yùn)動(dòng)區(qū)域觀察到相關(guān)的deOxyHb和OxyHb信號(hào)，在被動(dòng)觀察棋盤任務(wù)中有雙側(cè)枕葉的激活（P <0.05），則該參與者符合條件，并參與兩人互動(dòng)實(shí)驗(yàn)。被試配對(duì)是按招募順序分配的，確保同伴在實(shí)驗(yàn)之前是陌生人，或者是偶然結(jié)識(shí)的同學(xué)，以防止產(chǎn)生額外變量。     

信號(hào)采集

使用64光纖（84通道）連續(xù)波fNIRS系統(tǒng)（Shimadzu LABNIRS）收集血流動(dòng)力學(xué)信號(hào)，該系統(tǒng)設(shè)置為對(duì)兩個(gè)參與者進(jìn)行腦掃描。圖1B顯示了在兩個(gè)半球上42個(gè)通道的分布。通道間距通過(guò)個(gè)體頭大小的差異進(jìn)行調(diào)整，小頭為2.75厘米，大頭為3.0厘米。這樣可以確保將無(wú)論其頭部大小如何，發(fā)射器和探測(cè)器最佳地放置在每個(gè)被試的頭皮上。由于光在組織中的傳輸?shù)难簞?dòng)力學(xué)反應(yīng)還取決于包括組織的散射性質(zhì)，光的波長(zhǎng)，對(duì)象的年齡和顱骨厚度在內(nèi)的因素。而測(cè)量的準(zhǔn)確性隨這些效應(yīng)的變化而變化，這些差異被稱為微分路徑長(zhǎng)度因子（DPF，differential pathlength factors）。盡管DPF最常用于額葉結(jié)構(gòu)，但DPF模型的變化也會(huì)改變體感，運(yùn)動(dòng)和枕骨區(qū)域的敏感性。但是，由于本研究的頭部覆蓋范圍大，并且通道位于未經(jīng)DPF事先標(biāo)準(zhǔn)化的區(qū)域，因此未針對(duì)DPF調(diào)整這些數(shù)據(jù)。信號(hào)采集的時(shí)間分辨率為27ms。在LABNIRS系統(tǒng)中，每個(gè)發(fā)射器均發(fā)出三種波長(zhǎng)的光（780、805和830 nm）。     

通道定位   

 使用3D定位儀對(duì)每個(gè)被試的通道進(jìn)行定位（很重要，建議fNIRS實(shí)驗(yàn)室都予以配備）。使用NIRS-SPM獲得MNI的通道坐標(biāo)，并確定每個(gè)通道的相應(yīng)解剖學(xué)位置。根據(jù)共享的解剖結(jié)構(gòu)，將通道自動(dòng)進(jìn)一步聚類為解剖學(xué)區(qū)域，并將此分組用于跨腦相關(guān)性分析。每個(gè)區(qū)域的平均通道數(shù)為1.68±0.70。通過(guò)獲取的通道中自動(dòng)識(shí)別12個(gè)ROI，這些感興趣區(qū)域包括：角回（BA39），背外側(cè)前額葉皮層（BA9），背外側(cè)前額葉皮層（BA46），額下回三角部（BA45），上臀回（BA40），梭狀回（BA37），顳中回（BA21），顳上回（STG）（BA22），體感皮層（BA1、2和3），前運(yùn)動(dòng)皮層和輔助運(yùn)動(dòng)皮層（BA6），中央下區(qū)域（SCA）（BA43）和前極皮層（BA10）。     

信號(hào)處理

使用小波分析（NIRS-SPM）去除基線漂移。當(dāng)信號(hào)幅度大于平均信號(hào)的10倍時(shí)，會(huì)通過(guò)原始數(shù)據(jù)的均方根自動(dòng)識(shí)別具有強(qiáng)噪聲的通道。并假設(shè)這些事件是由于光源與頭皮接觸不足所致。根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，大約4％的渠道被自動(dòng)排除。   

 去除全局成分

先前研究表明，全身性整體影響（例如血壓，呼吸和血流量變化）會(huì)改變相對(duì)血紅蛋白濃度。在進(jìn)行一般線性模型（GLM）分析之前，使用主成分分析空間濾波器去除全局成分。該技術(shù)通過(guò)消除由于來(lái)自全身心血管功能的整體活動(dòng)引起的信號(hào)成分，從而利用分布式光電極覆蓋范圍的優(yōu)勢(shì)來(lái)區(qū)分來(lái)自局部信號(hào)源（與所研究的神經(jīng)事件相關(guān)）的信號(hào)。     

信號(hào)選擇

fNIRS采集了deOxyHb和OxyHb信號(hào)。本研究的信號(hào)選擇是根據(jù)兩種數(shù)據(jù)（deOxyHb vs OxyHb）在不同實(shí)驗(yàn)條件下（獨(dú)白 vs 互動(dòng)）的語(yǔ)言區(qū)(描述, Broca; 聆聽(tīng) ,Wernicke）中的比較來(lái)確定的。圖1中，C和D反映的是未處理的原始信號(hào)，和使用高通濾波去除全局成分的信號(hào)（E和F）。最終本研究選擇除去全局成分后的deOxyHb信號(hào)代表實(shí)際的描述和聆聽(tīng)任務(wù)。       

ROIs

ROI是通過(guò)對(duì)比兩種情況下，描述和聆聽(tīng)數(shù)據(jù)的對(duì)比效果以及體素和信道信號(hào)處理方法來(lái)綜合決定的。體素分析(圖2，右圖)使用了傳統(tǒng)應(yīng)用于fMRI的計(jì)算工具，并使用通道間finegrained 插值提供了最精確的活動(dòng)空間位置。通道分析(圖2，左圖)提供了單個(gè)通道內(nèi)的活動(dòng)平均值的離散報(bào)告。最后，調(diào)整通道以覆蓋所有被試相同的大腦區(qū)域。所有ROI均位于左半球。

圖2.由功能決定的用于描述和聆聽(tīng)的ROI。獨(dú)白和互動(dòng)條件相結(jié)合，以分離出與描述（紅色/黃色，描述>聆聽(tīng)）和聆聽(tīng)(藍(lán)色,聆聽(tīng)>相關(guān)描述)的腦區(qū)。圖左為通道分析，圖右為體素分析。分析使用deOxyHb信號(hào)（n = 58）。

     體素水平的ROIs分析

將每個(gè)被試的42通道fNIRS數(shù)據(jù)集重塑為3D腦圖，以使用SPM8進(jìn)行一級(jí)GLM分析。使用線性插值將Beta值標(biāo)準(zhǔn)化為標(biāo)準(zhǔn)MNI空間。排除距大腦表面≥1.8cm的體素。計(jì)算模板由3753個(gè)2×2×2 mm的體素組成，它們“平鋪”了由42個(gè)通道覆蓋的殼區(qū)域?？绫辉嚨慕馄首兓糜谏煞植际椒磻?yīng)圖。這種方法通過(guò)在被試之間和通道之間進(jìn)行插值來(lái)提供空間分辨率優(yōu)勢(shì)。結(jié)果呈現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)化的MNI模板的大腦上。參見(jiàn)圖2，右圖和表1。使用NIRS-SPM確定體素活性峰值的解剖位置。

表1 ROI中:所有條件下，各通道的GLM對(duì)比(deOxyHb信號(hào))

^a坐標(biāo)基于MNI系統(tǒng)，（-x）表示左半球；  ^bBA，布洛卡腦區(qū)；  ^c包含的可能性；  ^dSTG，顳上回。
     通道水平的ROIs分析

盡管基于體素的分析通過(guò)從空間分布的信號(hào)計(jì)算出的插值活動(dòng)提供了精確的空間定位估計(jì)，但是此方法提供了對(duì)數(shù)據(jù)的高度處理后的描述。本研究利用fNIRS的離散實(shí)際空間采樣，使用單獨(dú)的通道作為基本分析單元。將每個(gè)被試的通道位置轉(zhuǎn)換為MNI空間，并使用非線性插值到中間位置。在標(biāo)準(zhǔn)化空間中，跨條件的比較將基于最初獲取的離散通道單位而不是插值體素單位。參見(jiàn)圖2，左圖和表2。

表2 ROI中:所有條件下，體素水平的GLM對(duì)比(deOxyHb信號(hào))

^a坐標(biāo)基于MNI系統(tǒng)，（-）表示左半球；  ^bdf，自由度；  ^cBA，布洛卡腦區(qū)；  ^dSTG，顳上回。

所有報(bào)告的結(jié)果都通過(guò)兩種分析進(jìn)行觀察，并用于確定本研究中使用的ROI。這些區(qū)域與使用無(wú)聲語(yǔ)音功能磁共振成像以及當(dāng)前人類語(yǔ)言系統(tǒng)模型確定的對(duì)象命名和描述任務(wù)的中的激活區(qū)一致。具體地說(shuō)，在描述（生產(chǎn)性語(yǔ)言）中，活動(dòng)區(qū)包括左半球opercularis部、三角部和額葉下回，以及左半球初級(jí)、運(yùn)動(dòng)前和輔助運(yùn)動(dòng)皮層（表1和表2，頂行）。對(duì)于聆聽(tīng)（接受性語(yǔ)言），活動(dòng)區(qū)域包括左半球、STG、額上回、初級(jí)和聯(lián)合聽(tīng)覺(jué)皮層以及梭狀回(表1和表2，底部行)?？偟膩?lái)說(shuō)，觀察到的ROI包括用于發(fā)送和接收語(yǔ)言相關(guān)信息的規(guī)范區(qū)域，并提供了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)的和常規(guī)的框架來(lái)驗(yàn)證以下假設(shè)：在交互式交談和傾聽(tīng)中使用的神經(jīng)系統(tǒng)與在非交互式(獨(dú)白)交談和傾聽(tīng)中使用的神經(jīng)系統(tǒng)是不同的。   

 跨腦效應(yīng)的小波分析

使用小波分析評(píng)估跨腦同步性（相干）。小波核是由MATLAB提供的復(fù)數(shù)高斯。八度音階(octaves)為4，頻率范圍為0.4～0.025 Hz。每個(gè)Octaves的聲音數(shù)也是4，因此使用了16個(gè)音階（小波分析的參數(shù)），其波長(zhǎng)差為2.5s。分析是通過(guò)使用相同類型的連接片段（談話和傾聽(tīng)）進(jìn)行的，并在整個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)間序列中取相干值的平均值。這種方法提供了一種非對(duì)稱耦合動(dòng)力學(xué)的測(cè)量方法，其中聽(tīng)者的神經(jīng)信號(hào)與說(shuō)話者的神經(jīng)信號(hào)同步，表示兩個(gè)大腦之間可預(yù)測(cè)的轉(zhuǎn)換。從預(yù)先定義的解剖區(qū)域獲得的信號(hào)被分解成不同的時(shí)間頻率，這些時(shí)間頻率在去除任務(wù)回歸變量后與每個(gè)二人組在兩個(gè)大腦之間相關(guān)聯(lián)，這是心理生理相互作用分析的常規(guī)方法。理論上，根據(jù)此技術(shù)對(duì)剩余信號(hào)進(jìn)行分析，可以消除在指定的時(shí)間段內(nèi)同時(shí)執(zhí)行的不同任務(wù)（如說(shuō)話和收聽(tīng)）引起的相關(guān)和反相關(guān)影響。在這里，剩余信號(hào)用于排除主要任務(wù)引起的效果以外的其他影響。
結(jié)果     

獨(dú)白與互動(dòng)條件下ROI的比較

根據(jù)功能定義的區(qū)域（圖3），接收語(yǔ)言（聆聽(tīng)）的Wernicke腦區(qū)下ROI包括通道號(hào)30、36、37和42，而生產(chǎn)性（描述）語(yǔ)言的Broca腦區(qū)下ROI包括通道號(hào)34，  40和24。組平均信號(hào)強(qiáng)度顯示在y軸上。獨(dú)白和交互兩種狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)比較(圖3)分別顯示了這兩種ROI:Broca區(qū)域，左側(cè)，紅色條形圖；和Wernicke的區(qū)域，右側(cè)，藍(lán)色條形圖。水平虛線表示兩種情況下的平均信號(hào)強(qiáng)度相等：獨(dú)白和交互，交互信號(hào)強(qiáng)度大于獨(dú)白信號(hào)強(qiáng)度為正的y值。Wernicke腦區(qū)的ROI的互動(dòng)活動(dòng)的平均信號(hào)顯著強(qiáng)于獨(dú)白活動(dòng)的平均信號(hào)（P <0.04，t = 2.07，d = 57）（右圖），但是Broca腦區(qū)ROI的獨(dú)白和互動(dòng)條件沒(méi)有顯著差異（左圖）。

圖3. Broca區(qū)和Wernicke區(qū)ROI信號(hào)幅值的統(tǒng)計(jì)比較（deOxyHb信號(hào)，n = 58）

除了上面的平均信號(hào)強(qiáng)度比較之外，我們還針對(duì)通道分析和體素分析對(duì)每個(gè)ROI的聚類分析進(jìn)行了比較。圖4A和B分別顯示了交互式和非交互式（獨(dú)白）條件的解剖學(xué)“熱圖”。在與[聆聽(tīng)>描述]（藍(lán)色）條件相關(guān)的團(tuán)塊激活的情況下，聚類大小從獨(dú)白條件下的一個(gè)通道增加到交互條件下的五個(gè)相鄰?fù)ǖ馈＿@些結(jié)果與體素分析中體素?cái)?shù)目的比較相似。表3（逐通道，獨(dú)白）和4（逐體素，獨(dú)白）和5（逐通道，獨(dú)白，交互）和表6（逐體素，獨(dú)白，交互）提供了體素/通道位置，解剖學(xué)標(biāo)記，這些發(fā)現(xiàn)的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)和報(bào)告進(jìn)一步證明了Wernicke區(qū)在互動(dòng)條件的激活最高。

圖4.對(duì)比結(jié)果。圓圈中的數(shù)字表示通道。紅色和藍(lán)色分別表示[描述>聆聽(tīng)]和[聆聽(tīng)>描述]。(deOxyHb信號(hào)，n = 58）。

表3 獨(dú)白條件下，通道水平GLM對(duì)比(deOxyHb信號(hào))

表4 獨(dú)白條件下，體素水平GLM對(duì)比(deOxyHb信號(hào))

表6 互動(dòng)條件下，體素水平GLM對(duì)比(deOxyHb信號(hào))

在互動(dòng)條件下，Wernicke腦區(qū)的顳上回（STG）和中下部地區(qū)（SCA）跨腦相干顯著增強(qiáng)。STG的左右半球（大腦1）與SCA的左右半球（大腦2）耦合，反之亦然。將血流動(dòng)力學(xué)信號(hào)分解成小波分量（圖5，x軸）的時(shí)間振蕩與參與描述和聆聽(tīng)聯(lián)合任務(wù)（y軸）時(shí)獲得的伙伴信號(hào)之間的相關(guān)性進(jìn)行對(duì)比。在真實(shí)的伙伴中，8~14s之間的小波分析顯示，交互（紅色）條件下的跨腦相干比獨(dú)白（藍(lán)色）條件大，如5A圖左所示（P <0.01）。但是，非真實(shí)伙伴（即隨機(jī)與其他被試配對(duì)）中，沒(méi)有統(tǒng)計(jì)上的區(qū)別。相干對(duì)（cohenrence pairs）的神經(jīng)解剖如圖5C所示。

總結(jié)

本研究使用近紅外的方法研究人與人之間口頭交流的神經(jīng)機(jī)制，證實(shí)了互動(dòng)過(guò)程中，Wernicke區(qū)STG的相關(guān)的神經(jīng)活動(dòng)有所增加。通過(guò)小波分析對(duì)來(lái)自STG和中央下區(qū)域的信號(hào)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)跨腦活動(dòng)相干在交互過(guò)程中要比非交互性大，支持了交互式大腦假說(shuō)。
原文：A cross-brain neural mechanism for human-to-human verbal communication

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