超掃描研究的熱點與未來發(fā)展趨勢：基于文獻計量學的分析*

劉 燊 甘燁彤

（中國科學技術大學人文與社會科學學院，合肥230022）

1 引 言

社會互動對人類的發(fā)展非常重要，人類之所以能建設如此有秩序的文明，原因之一就是在社會互動中發(fā)展了一套完整的社會溝通系統(tǒng)與交流技巧。然而，傳統(tǒng)的社會互動研究長期存在的局限之一是主要關注了實驗室模擬的、單人的社會互動特征，本質上體現了離線認知（off-line cognition）。但事實上，人類大多數的社會互動都是實時的、自然的（Konvalinka&Roepstorff，2012；Schilbach et al.，2013），是一種在線認知（on-line cognition） 甚至是超腦認知（transcranial cognition 或extraneural cognition）。因此從這個意義上而言，人們的活動并不是單個個體大腦活動的簡單疊加（Hari & Kujala，2009；Konvalinka & Roepstorff，2012），而應該在特定的環(huán)境中同時考察 多 個 大腦 的 活 動（Koike，Tanabe，&Sadato，2015）。研究問題的需要促進了研究技術的發(fā)展，這里的研究技術主要是指同時記錄多個大腦活動的超掃描（hyperscanning）技術。所謂超掃描，是指借助神經影像學技術同時記錄共同完成某一認知活動的多人腦活動的技術，可用于分析大腦信號間的相似性、相關性、相干性以及因果關系等（Smith，Lohrenz，King，Montague，&Camerer，2014），主要有基于腦電（electroencephalography，EEG）、腦磁圖（magnetoencephalography，MEG）、功能性磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）、功能性近紅外光譜成像（functional near-infrared spectroscopy，fNIRS）的超掃描技術等。當前，超掃描技術發(fā)展迅速并成為主流的認知神經科學研究手段之一。

總體而言，超掃描技術主要被應用于人際神經科學（interpersonal neuroscience）領域，旨在揭示社會交流或決策中群體的神經活動模式（成曉君，劉美煥，潘亞峰，李紅，2021；Konvalinka & Roepstorff，2012；Schilbach et al.，2013）。研究者往往從感知運動、信息交流、社會決策等方面開展腦際認知同步的研究，并考察相應的影響因素（李先春等，2018；Li et al.，2020；Nguyen et al.，2020）。感知運動方面的研究主要涉及不同手勢動作的模仿或協作發(fā)生時的多腦耦合機制（Holper，Scholkmann，& Wolf，2012；Miyata et al.，2021）；信息交流方面的研究探索了言語交流（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）等活動發(fā)生時的多腦耦合機制；社會決策方面的研究則圍繞協作、合作與競爭等互動發(fā)生時的多腦耦合機制展開探討（卑力添，蔣柯，李先春，熊哲宏，2019；Zhang，Jia，& Zheng，2020）。隨著研究的不斷深入，社會互動中情感交流、情緒調節(jié)的腦際認知同步機制也越來越受到研究者的關注（Hu et al.，2017；Koole & Tschacher，2016；Reindl et al.，2018）。此外，研究者還嘗試采用電刺激技術如經顱交流電刺激（transcranial alternating-current stimulation，tACS），從調控和干預的視角試圖揭示腦際認知同步與信息傳遞、情感交流等現象之間的因果關系（Liu et al.，2019；Pan et al.，2021）。

鑒于真正理解社會互動的重要性和必要性，研究者從上述多個不同的角度借助超掃描技術開展了大量社會或人際神經科學研究。然而，目前零散的研究難以客觀地梳理及探索超掃描研究的發(fā)展脈絡、研究熱點以及未來研究趨勢。隨著可視化技術的日益成熟，科學知識圖譜越來越多地應用于展現知識結構、探索研究熱點、挖掘研究主題以及構建演化規(guī)則，已經成為研究領域動態(tài)和發(fā)展趨勢的主要知識發(fā)現工具。基于此，本研究采用科學計量學技術，結合知識圖譜方法對超掃描研究進行可視化分析，從而為后續(xù)研究提供新的思路和方向。

2 方 法

2.1 數據來源

基于中國知網文獻數據庫以及Web of Science 核心合集的SSCI 和SCI 引文檢索文獻數據庫獲取文獻數據信息，時間為2021 年6 月9 日。分別以“超掃描”“腦間同步”“腦腦耦合”“人際神經同步”“多人交互同步記錄”“多人同步交互記錄”“多腦同時掃描”“腦間活動同步性”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”作為中英文文獻數據庫檢索的主題詞，發(fā)表時間限定為1900 年1 月1 日至2021 年6 月9 日，中文文獻類型限定為已出版的期刊論文，英文文獻類型限定為“Article”和“Review”，分別獲得10 篇中文文獻數據和257 篇英文文獻數據。由于中文文獻數量較少，不適合進行文獻計量分析，因此本研究僅針對檢索到的英文文獻進行文獻計量分析。具體的文獻檢索流程見圖1。

圖1 文獻檢索流程

2.2 研究工具和程序

借鑒已有研究中采用的方法（甘燁彤等，2021；顏志強，王笑楠，蘇彥捷，2019），借助Python（Version 3.6.3）編寫文本處理程序抽取文獻數據信息，包括每篇文獻的作者、發(fā)表年份、關鍵詞、發(fā)表雜志等，以便后續(xù)進行文獻計量分析。此外，使用CiteSpace（Version 5.7R5W） 和VOSviewer（Version 5.5.R2）對文獻數據進行可視化分析。

3 描述統(tǒng)計分析

3.1 年度發(fā)文量、引文量以及發(fā)文趨勢

超掃描研究文獻年度發(fā)文量、引文量以及發(fā)文量趨勢的擬合方程如圖2 所示，總體的發(fā)文量呈指數型增長，表明超掃描研究持續(xù)得到學界的關注，對發(fā)文量進行擬合所得到的擬合方程也支持了該發(fā)現。257 篇英文文獻累計被引8389 次，篇均被引32.64 次。最早的文獻發(fā)表于2002 年（Montague et al.，2002），迄今已被引348次。

圖2 超掃描研究文獻年度發(fā)文量、被引量以及發(fā)文趨勢

3.2 高頻關鍵詞與聚類分析

經檢索，超掃描研究文獻共涉及2038個關鍵詞，累計出現次數排名前十的關鍵詞見表1。值得關注的是，采用超掃描技術研究“合作”“社會互動”等行為是當前的熱點議題，以期揭示腦—腦耦合、腦際認知同步等現象潛在的神經機制。從技術手段層面來看，fMRI、EEG 和fNIRS 是目前超掃描研究所依托的主要技術。相較于fMRI 和EEG，fNIRS 出現的平均年較近（2016 年），表明其是近期更受超掃描研究青睞的依托技術。這可能是由于fNIRS 兼具高空間分辨率和高生態(tài)效度的優(yōu)勢，更加適合在自然情境或伴隨動作等互動情境中研究腦際認知同步（Balconi，Fronda，& Bartolo，2021；Zhang，Jia，&Zheng，2020；Zhao et al.，2021）。

表1 超掃描研究中出現次數排名前十的關鍵詞

上述表1 的結果在如圖3 所示的超掃描研究關鍵詞突顯分析中得到了驗證，其中，“mind（心智）”屬于最新出現的一個關鍵詞，從2019 年首次出現至今一直活躍。

圖3 超掃描研究關鍵詞突顯分析

采用VOSviewer 對超掃描研究所涉及的關鍵詞進行聚類分析，結果見圖4。藍色聚類以“fNIRS”“cooperation”等關鍵詞為代表，反映了該聚類主要是以基于功能性近紅外光譜成像的超掃描技術來研究合作行為的認知神經機制；綠色聚類以“EEG”“social interaction”“joint action”等關鍵詞為代表，反映了該聚類更多是以基于腦電的超掃描技術來研究以聯合行動為代表的社會互動行為的認知神經機制；紅色聚類以“fMRI”“cognition”“connectivity”等關鍵詞為代表，反映了該聚類主要是以基于功能性磁共振成像的超掃描技術來研究人類認知的神經機制；此外，黃色聚類和粉色聚類中的關鍵詞較為分散，與上述幾個規(guī)模較大的聚類有較多重疊，反映了這兩種聚類尚未形成特色鮮明的研究主題。

圖4 超掃描研究關鍵詞聚類網絡

4 研究趨勢分析

采用Citespace 對超掃描研究的關鍵詞進行聚類分析，并將發(fā)表時間加入考察以呈現時間線視圖，其中縱軸體現了聚類信息，橫軸反映了發(fā)表年份，通過觀察時間線視圖能分析該聚類的開始年份、持續(xù)時間等，結果見圖5。該分析一方面可以通過聚類凸顯研究主題，更能明確研究方向；另一方面借助時間線視圖側重于展現各個聚類研究演變的時間跨度，可揭示不同研究方向的發(fā)展趨勢（陳悅，陳超美，劉則淵，胡志剛，王賢文，2015）。根據陳悅等人（2015）的建議，聚類模塊值大于0.3 且平均輪廓值大于0.7 時，聚類結構顯著且具有較高可信度。采用對數似然率算法對關鍵詞聚類進行調整，獲得的聚類模塊值及平均輪廓值分別為0.42 和0.74。更為詳細的聚類情況如表2 所示，以下將分別從特殊群體、應用范疇、社會腦和心理過程四個方面分析超掃描研究未來的發(fā)展趨勢和方向。

圖5 加入發(fā)表時間的超掃描研究關鍵詞聚類

表2 超掃描研究聚類分析

正如聚類0 所示，近年來，以社會交往障礙為典型特征的自閉癥譜系障礙（Autistic Spectrum Disorder，ASD）群體成為揭示社會腦的重點研究對象之一（Holz&Meyer-Lindenberg，2019）。研究者通過面對面的囚徒困境任務探索合作或背叛發(fā)生時的認知神經機制，發(fā)現右側顳頂聯合區(qū)（right temporo-parietal junction，rTPJ）的腦際認知同步與解讀合作意圖有關，并推測該腦區(qū)可能在ASD 患者的社會互動中發(fā)揮了重要作用（Jahng et al.，2017）；Wang 等人（2020）采用基于fNIRS 的超掃描技術，考察了不同ASD 程度的兒童在與父母的合作互動中表現出的腦際認知同步差異，發(fā)現其神經同步與合作表現存在共變關系。以上關注真實互動情境中ASD 的認知神經機制研究為診斷和治療ASD 奠定了重要的基礎，也基于特殊群體的研究發(fā)現推動了人際神經科學的發(fā)展（劉濤，劉星辰，2017；Liu et al.，2019）。

此外，研究者格外重視超掃描研究的實際應用，如聚類1，主要包括三個方面：一是教與學過程中的師生互動交流，如師生在音樂學習或概念學習過程中的行為和腦際認知同步特征（Pan et al.，2018，2020）；運動同步對隨后的教學質量、腦際認知同步以及學習績效的影響（Nozawa et al.，2019）；溝通方式與學生先驗知識的交互作用對教學效果的影響及其認知神經機制（Liu et al.，2019）；專家和新手老師在師生合作互動中的行為和腦際認知同步差異等（Sun et al.，2020）。根據社會性學習理論，學習在很大程度上是在社會互動情境中通過對他人的觀察和模仿而實現的社會性發(fā)展過程（喬新虹，楊文偉，李先春，裴新寧，2018）。因此，超掃描技術在教育神經科學中的應用為有效的教與學過程提供了新的視角，人際神經同步（interpersonal neural synchronization，INS）也成為動態(tài)評估師生互動及教學效果的重要指標（Brockington et al.，2018；Liu et al.，2019）；二是心理咨詢與臨床心理治療，相較于閑聊，心理咨詢中來訪者與咨詢師在右側顳頂聯合區(qū)的腦際認知同步更強，并且非言語性的情感交流在治療關系中也發(fā)揮了至關重要的作用，從而為心理咨詢的合理性及其行為和腦際認知同步提供了來自神經層面的解釋（Schore，2021；Vaisvaser，2021；Zhang，Meng，Hou，Pan，& Hu，2018）；三是團體創(chuàng)造活動中的多腦互動，如基于人際互動視角探索互動模式、交流形式、反饋評價或團隊類型對團隊創(chuàng)造力的影響等（Lu，Qiao，& Hao，2019；Lu，Xue，Nozawa，& Hao，2019；Lu，Yu，&Hao，2020；Xue，Lu，&Hao，2018）。

此外，超掃描的研究離不開對社會腦（social brain）的探討。涉及鏡像神經元系統(tǒng)（mirror neuron system）和心智系統(tǒng)（mentalizing system）的社會腦是表征社會認知的神經基礎（Wang et al.，2018），它們與社會交流、決策等行為密不可分（Astolfi et al.，2011）。正如聚類2 所示，有研究采用聯合行動的協作任務考察合作與心智系統(tǒng)的關系，發(fā)現聯合任務增強了右側顳頂聯合區(qū)的腦際功能連接（Abe et al.，2019；Barraza，Perez，&Rodriguez，2020）；探索聯合行動反饋對認知能力及腦際認知同步的影響，發(fā)現無效的聯合行動與競爭均減弱了腦際功能連接（Balconi & Vanutelli，2018；Balconi，Vanutelli，&Gatti，2018）；考察抑郁傾向對社會合作的影響，發(fā)現抑郁群體在合作情境中腦際認知同步程度的減弱可能與心智系統(tǒng)的功能性缺陷有關（張丹丹等，2020）。除了社會交流與決策，非言語交流同樣是社會互動的重要組成部分，亦是揭示社會互動神經基礎的重要主題之一，如聚類5 和6 中的目光接觸、感知運動等（Dravida et al.，2020；Hirsch et al.，2017；Noah et al.，2020）。

如聚類3 所示，腦際認知同步潛在的心理過程是超掃描研究中的重要議題，引發(fā)了研究者的廣泛關注。例如，有研究發(fā)現，互動中的腦—腦耦合與運動協調或共同意圖有關（Barraza et al.，2020；Salazar et al.，2021；Tang et al.，2016）；Dai 等人（2018）采用基于fNIRS 的超掃描技術，同時測量了自然交流情境中傾聽者與多名說話者的大腦活動，發(fā)現在多名說話者交流情境中，言語選擇性加工的腦際認知同步與言語內容而非言語感知的神經預測有關，從而在一定程度上揭示了“雞尾酒會效應（cocktail party effect）”的認知神經機制。此外，還有研究逐漸在行為同步的基礎上，細化了親子關系或異性/ 同性成員的互動模式（Hoyniak et al.，2021；Lu，Teng，& Hao，2020），這有助于進一步探索不同互動形式背后的腦際認知同步差異，從而為厘清社會互動的多腦耦合機制奠定了重要的基礎。

5 當前研究的局限和未來研究趨勢的展望

盡管超掃描技術已經成為探索具有較高生態(tài)效度的社會互動內在機制的一種有力的研究工具和手段，但日常生活中社會互動的復雜性給后續(xù)超掃描研究帶來了極大的挑戰(zhàn)和改善的空間。就目前而言，超掃描研究尚存在如下局限：第一，現有的超掃描研究中發(fā)現的腦際認知同步，其實質是兩個或多個神經信號之間的相似性、相關性或相干性等，是社會互動過程中不同個體的腦活動特征。但人們往往忽略了一個更為底層的問題，即腦際認知同步的理論基礎或神經機制是什么？現有的超掃描研究在理論建構方面還較為薄弱，缺乏從心理學或哲學理論層面去思考腦際認知同步的科學意義究竟是什么。如果無法回應這一基本問題，則無法全面采用超掃描技術詮釋社會互動的內在機制；第二，現有的超掃描研究所涉及的互動情境仍較為單一，基本都是局限于實驗室環(huán)境，生態(tài)效度有待提高。最常見的超掃描研究實驗設置是兩個被試面對面共同完成某一社會互動任務，采用神經影像學技術同步記錄兩個被試的神經信號，然后再進行統(tǒng)計分析（Reinero，Dikker，& van Bavel，2021；Zhang，Jia，Zheng，& Liu，2021）。這些人為設置的任務往往缺乏必要的生態(tài)效度，與真實的社會互動相差較遠。

結合上述研究局限和聚類分析的結果，本研究立足于超掃描研究所揭示的腦際認知同步現象獲得了如下關于未來研究趨勢的展望：第一，進一步探索超掃描技術在認知科學視角轉換中的作用以及推動個體與群體研究范式的相互促進。在很長一段時間內，研究者關注的是單個個體的認知和心理特征，反映到認知神經層面則是單個大腦的活動情況。這本質上是一種旁觀者的視角，體現了離線認知（徐獻軍，2007）。隨著人際神經科學研究的深入，研究者們日益發(fā)現個體的認知活動只有在社會互動中才能得以進化，所以研究視角需要轉變，相應的研究手段也需更新，對多個大腦的超掃描研究便提上議事日程。問題的推進對技術的發(fā)展提出了新的要求，隨著超掃描技術的發(fā)展，同時研究多個大腦的神經活動成為了可能，這引導著單個個體朝著群體的方向調整自身的行為，促進了復雜認知行為的產生。但離線認知框架下個體水平的神經影像反映了個人在完成某一認知任務時的大腦活動模式，每個人的大腦對認知任務的激活模式和強度可反映個體認知能力的差異以及疾病狀態(tài)下的異常變化。相較而言，超掃描技術則反映了多人共同完成某一認知活動時的腦活動，以探索大腦信號間的關系，體現了在線認知框架下群體層面的神經影像。因此，離線認知框架下個體水平的神經影像探索和在線認知框架下群體層面的神經影像探索應該是互補的，未來的研究應推動這兩種研究范式的相互促進。第二，進一步揭示腦際認知同步現象所蘊含的認知科學哲學意義尤其是對具身認知研究的促進作用。超掃描技術可以通過創(chuàng)設共享的環(huán)境進而實現腦際認知同步，處于共享環(huán)境中不同個體的神經元會彼此協調各自的活動來達到一致、保持同步，協調的過程中可以不發(fā)生實際的互動（Rizzolatti&Craighero，2004），在這種“靜止”狀態(tài)中發(fā)揮作用的主要是鏡像神經元系統(tǒng)。鏡像神經元主要是對具身認知的解釋，其所展現的機制被認為是行為理解的一種直接方式。該機制表明，行為觀察可以導致觀察者在大腦中的與被觀察者相同神經元區(qū)域的自發(fā)激活，而且鏡像神經元的工作模式是依附于身體的（Gallese，2013）。由此，具身認知便有了來自認知神經科學層面的證據。除了鏡像神經元網絡，心智推理網絡在腦—腦耦合中也發(fā)揮了重要作用（Schilbach et al.，2013）。研究發(fā)現，心智推理網絡的激活并不需要情緒加工或外顯的心理狀態(tài)推斷（Schilbach et al.，2010），即心智推理系統(tǒng)依靠眼神注視或意圖推斷（Liu et al.，2016）。其認知科學哲學意義在于，這為我們解釋某些內在體驗提供了一種媒介，為解釋人類自身行為建構了一個經驗性理解的基本層次，而該層次甚至無須借助語言表征便可以實現。而在更為廣泛的哲學層面，鏡像神經元系統(tǒng)和心智推理系統(tǒng)的存在表明，人類的心靈交流可以通過這兩座“橋梁”，心靈從此不再是虛無縹緲的“黑箱”。因此，共享的環(huán)境信息塑造了個體外在的行為和內在的大腦活動。盡管環(huán)境的部分特征由物理環(huán)境所決定，但環(huán)境的其他特征卻是由共同建立的一系列規(guī)則的群體所決定。耦合的大腦可以產生新的行為，如言語和非言語交流系統(tǒng)等。然而，在那些缺乏腦—腦耦合的物種中則不會出現上述行為。因此，腦—腦耦合塑造了個體的社會世界，并為此提供了新的研究視角，從而推動了真實的社會互動機制的研究。第三，進一步發(fā)揮超掃描技術在教與學情境中的應用從而為教育工作者有針對性地改善教學活動和提升教學效果提供了實證證據。近年來，研究者們通過觀察教學活動中大腦活動的群體模式，探索了教師與學生在生理層面產生的聯結，從而更全面客觀地揭示了教學過程中師生交互現象的實質，為教育的有效性提供了有力的科學依據（喬新虹，楊文偉，李先春，裴新寧，2018）。例如，腦際認知同步可能是衡量注意投入的一個指標，教師與學生的腦際認知同步可以預測學生的課堂投入度（Dikker et al.，2017）。因此，良好的師生關系對學生課堂投入度的影響可能是通過增強師生的腦際認知同步來實現的。這時便可以借助超掃描研究領域所發(fā)現的腦際認知同步可以通過互動來增強的發(fā)現（Zheng et al.，2020），進一步提升教學質量；第四，進一步發(fā)揮超掃描技術在評估異常人群社會功能缺陷中的作用。近年來，超掃描技術廣泛應用于評估自閉癥譜系障礙個體的社會功能缺陷上，發(fā)現自閉癥譜系障礙個體與正常個體在右側額下回部位的腦際認知同步明顯減弱，進而導致他們社會交往功能上的缺陷（Sato，Toichi，Uono，& Kochiyama，2012）。這表明，借助超掃描技術所發(fā)現的神經靶點能揭示包括自閉癥譜系障礙在內的社會交往障礙的原因，并且也有助于醫(yī)務工作者依據具體的指標為社會交往功能缺陷個體提供相應的干預和評估方案。