幼儿脑电图功率反映自然亲子互动中的行为社交参与状态

《Brain and Language》：Toddler EEG power reflects behavioral social engagement state during naturalistic parent-child interaction

　　

•我们从幼儿及其父母在自然互动过程中采集了脑电图（EEG）数据。
•我们对社会参与行为进行了逐时刻的编码。
•幼儿在社会参与期间表现出α波抑制和θ波增强。
•结果不因儿童语言能力或自闭症诊断而有所差异。
•EEG指标可能有助于研究社会参与的发展。

**引言**

发展认知神经科学的一个关键目标是阐明支持儿童与世界互动的有意义行为背后的神经基质。特别是，社会参与是语言和社交发展的重要基础（Adamson等人，2019）。我们将社会参与定义为儿童与照顾者之间的共享注意状态；这结合了Adamson等人（2004）描述的两种结构：当儿童仅与照顾者共享注意时（人际参与），或当双方同时积极关注同一物体并彼此关注时（共同参与），两者均涉及与照顾者共享注意。社会参与使儿童能够参与有回应性的互动，并在注意力增强的背景下听到词语。因此，参与更多社会互动的儿童具有更好的语言发展结果（Carpenter等人，1998；Delgado等人，2002；Farrant & Zubrick，2012；Salo等人，2018）。社会参与的差异是自闭症谱系障碍（ASD）的定义性特征，并且与语言发展障碍相关（American Psychiatric Association，2013；Bottema-Beutel，2016），同时也是基于证据的早期干预的重点（Ingersoll & Schreibman，2006；Kasari等人，2008）。然而，关于社会参与的神经基础知之甚少，尤其是儿童-照顾者二元互动中动态展开的行为。

脑电图（EEG）等测量方法可作为神经指标，用于检测在发展过程中偏离典型发展模式的发育过程和模式，甚至在行为表现之前即可检测到（Bosl等人，2018；Nelson等人，2026；Nikolaeva等人，2024）。在社会参与方面，它通常通过目光注视等行为标记进行评估，在没有持续目光接触或指向性交流的情况下，很难客观地测量儿童的注意力。因此，在幼儿和发育障碍儿童中评估社会参与尤其具有挑战性，因为他们的目光注视和语言能力可能仍在发展中或使用不一致。诸如EEG功率这样的社会参与指标可能有助于研究这些人群。与MRI不同，EEG可在面对面互动的场景中应用，并具有足够的时空分辨率来捕捉参与状态的快速变化。利用EEG研究社交发展的第一步，是在对典型发育儿童进行严格控制的实验研究中，调查社会信息处理瞬间的底层神经活动。

以往的研究试图利用EEG频谱功率来调查儿童社交发展的神经基础。EEG信号可以分解为不同的频段，这些频段被认为反映了在认知过程中协同活跃的神经元群体；该信号的强度可以以功率来衡量。包括α波（在幼儿中约为6–9 Hz）和θ波（在幼儿中约为3–6 Hz）在内的EEG频段与典型发育儿童的社交信息处理相关（Bell & Cuevas，2012；Cuevas & Bell，2022）。α波功率的抑制（相对于基线的降低）已被证明与婴儿和幼儿的社会注意相关，例如观看面孔与物体时的差异（Nystr?m等人，2011；Southgate等人，2009）。与观看实验者手中的物体相比，当儿童观看唱歌的实验者面孔时，α波受到抑制（Jones等人，2015）；当实验者指示儿童关注计算机屏幕而非儿童独立观看屏幕时，α波也受到抑制（St. John等人，2016）。具体而言，顶枕区α波最常被用于研究与幼儿注意力的关系，且与社会信息处理相关。例如，Orekhova等人（2006）发现，在社会信息处理过程中，顶叶头皮区域的α波受到抑制，同时额叶θ波功率增加。Jones等人（2015）报告了在枕叶区域α波受到抑制的同时，额叶区域θ波功率增加。类似地，θ波功率的增强已显示与社会启动相关，例如在静态面孔范式（still-face paradigm）中成人情感缺失的时刻（Bazhenova等人，2007），以及与社交观察相关，例如听到面向儿童的言语或歌曲时（Jones等人，2015；Orekhova等人，2006；St. John等人，2016；Stroganova等人，1997）。具体而言，额叶θ波似乎与社会注意和社会信息处理相关（Bazhenova等人，2007；Jones等人，2015；Orekhova等人，2006）。Orekhova等人（2006）发现，与其他大脑区域相比，额叶θ波在社会与非社会效应之间的差异最为显著，并且额叶θ波具体与社会刺激参与相关，而不仅仅是注意力的总体表现（Jones等人，2015；Marshall等人，2002）。

尽管EEG功率在研究社交发展方面前景广阔，但大多数先前的研究采用的是高度结构化的实验范式，在儿童观察社会刺激的过程中进行，而非主动参与；使用的是实验者而非照顾者；且仅针对典型发育儿童。这是将社会信息处理与其他认知过程区分开来的必要步骤；然而，这与行为学和临床研究中通常定义的社会参与方式相去甚远。将注意力引导至屏幕或演员身上，与日常生活中对玩具或照顾者的真实注意力截然不同，因为它缺乏互惠性。迄今为止，关于社会参与这种互动性、互惠性、自发性且具有更高生态效度的过程的神经基础，知之甚少，尤其是在其自然展开时。近年来，神经科学研究的进展使研究人员能够在更自然化的情境中使用研究，例如结构化游戏、玩具玩耍和对话（Hoyniak等人，2021；Leong等人，2017；Liao等人，2015；Nguyen等人，2020；Piazza等人，2020；Qui?ones-Camacho等人，2020；Wass等人，2018；Wass, Whitehorn, Marriott, Haresign, Phillips & Leong，2020）。然而，尚未研究的领域是具有临床意义的亲子社会参与这一发育构建体，它对社会和语言发展具有独特的意义。相反，游戏已被用于研究其他发育构建体，例如作为恢复任务来研究情绪调节（Qui?ones-Camacho等人，2020）。能够刻画这一过程的范式对于建立社会参与的神经标记物以及区分典型与非典型发展路径至关重要。如果能确定在社会参与期间出现的EEG标记物，它们可能有助于更广泛地研究社交发展，作为经典行为范式之外的补充，同时也是对底层神经活动更直接的测量。

因此，我们的目标是调查在观察到幼儿与其父母之间社会参与时刻时，预设频率带中的神经活动，并观察先前在严格控制的实验研究中首次建立的EEG活动模式（即α波抑制和θ波增强）能否在自然互动中得到重复验证。鉴于我们基于先前文献对α波和θ波频率带提出的强假设（Hoehl等人，2014；Jones等人，2015；Nystr?m等人，2011；Orekhova等人，2006；Southgate等人，2009；St. John等人，2016；Stroganova等人，1997），我们选择了这种预设分析方法。当前研究考察了儿童社会参与的神经特征，并采用了三项创新：1）我们让父母和幼儿自然互动，使用"Social EEG"范式（详见Norton等人，2022），并识别他们社会参与的瞬间，而不是通过实验刺激或严格控制的条件来操纵社会参与。尽管少数研究已通过行为编码儿童注意力的离散标记物（即注视人vs.玩具）来调查EEG功率（Jones等人，2015；Leong等人，2017；Piazza等人，2020；Wass等人，2020），但没有研究专门考虑社会参与状态的互惠动态，而这一点在行为学和临床研究中有着更为明确的定义。这一点至关重要，因为社会参与已显示出与语言结果的独特关联（Adamson等人，2019）。2）我们在儿童最常参与的场景中考察社会参与——与照顾者的游戏。3）最后，由于社会参与是语言和社交发展的重要发育构建体，我们考察了预测的神经关联在具有不同语言能力水平的典型儿童以及被诊断为自闭症的儿童中的效用。理解社会参与的神经基础是研究其如何典型发展以及在发育障碍中如何受损的关键第一步。

**方法概述**

我们在两个独立样本中调查了研究目标，这两个样本招募自两个较大的纵向研究，如下所述。在研究1中，我们考察了具有不同语言能力水平的典型发育幼儿的EEG功率。在研究2中，我们考察了两组在自闭症状态上存在差异的群体互动时的EEG功率：12名被诊断为自闭症的儿童和12名年龄和性别匹配的典型发育同龄人。

**研究1**

在研究1（n = 49名幼儿）中，我们考察了EEG功率……

**研究1问题1a：社会参与期间的EEG功率与观影参与期间是否存在差异？**

观影参与期间的组平均相对α波EEG功率为0.33（SD = 0.06），社会参与期间为0.29（SD = 0.04）。观影参与期间的平均相对θ波EEG功率为0.59（SD = 0.08），社会参与期间为0.60（SD = 0.06）。图1中描绘了每位个体在观影和社会参与期间的相对α波和θ波EEG功率。整体模型显示，两种EEG均存在显著差异……

**讨论**

本研究调查了基线状态（观影参与）与在自然化亲子互动中明确定义的社会参与状态之间的EEG功率差异。利用自然互动数据，我们将先前实验控制研究的结果进行了拓展，表明α波抑制和θ波增强与自然发生的社会参与时刻相关。使用基于状态的行为编码方法，我们观察到显著差异……

**CRediT作者贡献声明**

Brittany L. Manning：原稿撰写、可视化、指导、方法论、正式分析、数据管理、概念构思。
Megan Y. Roberts：审阅与编辑、资源、方法论、资金获取。
Lauren S. Wakschlag：审阅与编辑、资源、资金获取。
Elizabeth S. Norton：审阅与编辑、指导、资源、方法论、数据管理、概念构思。

**临床试验注册**
N/A（不适用）。

**伦理审批声明**
已获得当地机构审查委员会（IRB）的批准，所有参与者均提供了知情同意。

**转载其他来源材料的许可**
N/A（不适用）。

**资金**
NIH，资助/项目编号：R01DC016273，R01MH107652，R21DC017210，R01DC014709，UL1TR001422；西北大学。

**利益冲突声明**
作者声明不存在已知的可能影响本研究报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

**致谢**

本研究由NIH资助：R01DC016273（E.S.N.和L.S.W.）、R01MH107652（L.S.W.）、R21DC017210（E.S.N.）和R01DC014709（M.Y.R.）。B.L.M.由T32MH126368支持。本出版物中报告的研究部分得到了NIH国家转化科学推进中心（NCATS）资助UL1TR001422的支持。内容完全由作者负责，不一定代表NIH的官方观点。我们感谢我们的合作者、顾问和研究团队成员。

Brittany L. Manning | Megan Y. Roberts | Lauren S. Wakschlag | Elizabeth S. Norton