网球游戏中合作与竞争的fNIRS超扫描研究揭示前额叶-感觉运动皮层跨脑区耦合模式差异

本研究通过功能性近红外光谱(fNIRS)超扫描技术，创新性地探究了自然情境下网球游戏中合作与竞争两种社会互动模式的神经机制。研究人员设计了包含合作、竞争和单人观察三种条件的运动感知网球游戏范式，系统分析了36对男性参与者的跨通道脑间耦合(IBC)特征。研究发现竞争情境下背外侧前额叶皮层(DLPFC)与感觉运动区的跨脑耦合显著强于合作情境，而合作情境则特异性地增强了前额叶皮层内的神经同步。该研究为理解自然社会交互的神经基础提供了新证据，揭示了高阶认知网络在不同互动模式中的动态参与机制。

　　

在人类复杂的社会互动中，合作与竞争是两种最基本也最引人入胜的互动形式。从远古的集体狩猎到现代的团队协作，从体育竞技到商业竞争，这两种模式塑造了人类社会的运行方式。然而，这些行为背后的大脑如何运作？特别是当人们进行实时互动时，不同大脑之间会产生怎样的"对话"？这些问题一直是社会神经科学领域的重大挑战。传统单脑研究虽然揭示了镜像神经元系统、心理化系统和执行控制网络在社会认知中的作用，但难以捕捉真实互动中多脑系统协同工作的动态过程。

清华大学心理学与认知科学系的研究团队创新性地将运动感知网球游戏与功能性近红外光谱(fNIRS)超扫描技术相结合，对36对男性参与者开展了系统研究。他们设计的实验范式包含合作(双人对抗AI)、竞争(双人对抗)和单人观察三种条件，通过分析氧合血红蛋白(HbO)信号，采用小波变换相干性(WTC)方法量化了脑间耦合(IBC)强度。这项发表在《Social Cognitive and Affective Neuroscience》的研究首次揭示了自然非言语互动中前额叶-感觉运动皮层跨脑耦合的模式差异，为理解社会互动的神经机制提供了新视角。

研究采用了多项关键技术：fNIRS超扫描系统(采样频率11Hz，24光源16探测器形成61个通道)同步记录双人脑活动；靶向主成分分析(tPCA)和样条插值法进行运动伪迹校正；基于非参数聚类置换检验分析不同频段(0.01-0.7Hz)的IBC差异；使用国际10-20系统进行通道定位，重点覆盖前额叶、颞顶联合区(TPJ)和感觉运动皮层等区域。

研究结果呈现出丰富的发现。在行为层面，参与者对合作和竞争条件的主观评分差异显著，验证了实验操纵的有效性。神经层面的核心发现可分为三个方面：

跨条件共性特征显示，与静息态和单人条件相比，合作和竞争都显著增强了双人感觉运动皮层间的IBC，以及一方的感觉运动皮层与另一方的DLPFC、TPJ等高级认知区域的跨区耦合。这些耦合主要分布在0.01-0.014Hz、0.05-0.1Hz和0.35-0.7Hz三个频段，表明社会互动同时涉及慢波神经同步和相对快速的认知过程。

竞争特异性模式尤为突出。研究发现4个显著簇(Cluster No.1-4)在竞争中表现出更强的IBC，这些簇均涉及一方双侧DLPFC(BA9/46区)与另一方感觉运动皮层的耦合。其中3个簇位于BA46区(与认知控制密切相关的区域)，1个簇位于更靠近前运动区的BA9区。这种DLPFC-感觉运动耦合在竞争中比合作平均增强41-50%(Cohen's d=0.35-0.50)，提示竞争需要更密集的跨脑执行功能监控。值得注意的是，这种耦合强度与合作表现呈负相关(r=-0.45，p=0.006)，表明过度的"对手监控"可能损害合作效能。

合作特异性模式体现在前额叶内的神经同步增强。Cluster No.5显示，合作期间前额叶眼区(BA8)与额极区(BA10)的IBC显著高于竞争(d=0.35)。这种模式可能反映了合作特有的共同目标表征机制。单脑分析发现，相关通道的激活水平在合作与竞争间无差异，凸显了IBC作为社会互动特异性指标的价值。

讨论部分深入阐释了这些发现的科学意义。DLPFC-感觉运动耦合的竞争性增强可能源于该脑区在动作-结果关联编码中的核心作用。在竞争情境下，预测对手行为结果的效用更高，促使参与者投入更多认知资源监控对手的动作意向，这种"效用驱动的注意力分配"假说得到行为-神经耦合相关性的支持。相比之下，前额叶内耦合的合作性增强可能支持了"我们模式"的共享表征，这与问题解决等言语互动中观察到的前额叶同步机制形成有趣对比。

该研究也存在若干局限：仅使用男性参与者和AI对手可能限制结果的普适性；网球游戏的特殊性需要其他范式验证；未能完全解析IBC与行为表现的复杂关系。未来研究可探索真实四人互动、混合性别组合以及不同难度设置下的神经耦合动态。

这项研究通过创新的自然范式设计和高时空分辨率的fNIRS超扫描技术，首次系统描绘了非言语社会互动中跨脑神经耦合的精细图谱。不仅证实了前人在言语互动中发现的关键脑区参与社会认知的普遍性，更揭示了合作与竞争在神经耦合模式上的本质差异。这些发现为发展针对社交障碍的神经调控干预提供了潜在靶点，也为构建更自然的人机交互系统奠定了理论基础。该研究标志着社会神经科学研究从静态"观察大脑"向动态"对话大脑"的重要转变，开辟了探索真实社会互动复杂性的新途径。