《NeuroImage》：Training Interbrain Synchrony through Dyadic Neurofeedback Modulates Empathy-for-Pain
神经反馈长期以来被认为是一种通过实时反馈塑造神经活动、使个体学会调节特定脑信号的手段（Sitaram et al., 2017）。传统上，神经反馈训练应用于个体，其主要目标是阐明因果神经机制并调节行为。关于神经反馈的机制研究表明，强化学习是神经活动模式根据反馈信号逐步优化的基础（Sitaram et al., 2017）。因此，在反复迭代中，反馈依随的奖赏信号被认为选择性地稳定支持目标认知或行为状态的功能网络。虽然神经反馈研究已表明训练不仅可包括脑活动，还可包括脑内连接性（Sitaram et al., 2017），但最近研究人员尝试通过双人神经反馈训练脑间连接性（Won et al., 2024）。与传统神经反馈针对单一个体内的神经活动不同（Coscia et al., 2019; Liang et al., 2020; Sitaram et al., 2017），双人神经反馈提供了一个受控框架来靶向脑间同步性（定义为社会互动中两个个体神经活动的共激活），其中反馈信号依随于他们大脑之间的同步性水平（Won et al., 2024）。这种方法是为了回应以下证据而开发的：脑间同步性支持无法仅用个体神经活动水平完全捕捉的社会和认知过程（Schilbach and Redcay, 2025）。使用脑电图（EEG）超扫描的研究表明，双人神经反馈甚至可在单次会话内增强脑间同步性（Dikker et al., 2021; J?rvel? et al., 2019; Müller et al., 2021; Salminen et al., 2022; Susnoschi Luca et al., 2021），而fNIRS实施表明额叶区域的同步性可以被选择性增强（Francis et al., 2026）。此外，双人神经反馈与训练伙伴之间连接感增加等社会结果相关（Francis et al., 2026; J?rvel? et al., 2019; Salminen et al., 2022）。尽管有这一引人注目的进展，一个基本局限仍然存在。虽然双人神经反馈与训练伙伴之间连接感增加相关，但其效应是否扩展到训练二元组之外的社会反应尚不清楚。证明这种迁移对于评估其功能意义和转化潜力很重要。理论上，迁移可能涉及个体大脑内神经协调的变化，因为先前研究表明脑内和脑间同步性在功能上相互交织，并可能在反复社会互动中相互影响（Balconi and Fronda, 2021; Basso et al., 2021; Dumas et al., 2012; Fronda and Balconi, 2020; Müller and Lindenberger, 2024; Pan et al., 2021; Schilbach and Redcay, 2025）。近期EEG超扫描证据进一步表明，特定的脑内跨频率耦合与条件特异性脑间同步性密切相关（Qiao et al., 2025）。因此，反复的人际协调会话可能伴随大脑内部和之间的适应，潜在地促成后续社会反应的变化。与这一可能性一致，实验诱导的脑间同步性与学习表现相关，表明学习过程中神经效率得到优化（Davidesco et al., 2023; Pan et al., 2022; Yang et al., 2022）。图1展示了脑内和脑间同步性如何形成一个在反复社会互动中演化的互惠系统的假设模型。脑内协调的变化可能支持脑间同步性的出现或稳定，而反复的脑间对齐反过来可能伴随个体大脑内的进一步适应。这些协调的神经过程可能促成下游行为结果，并潜在地支持超越即时训练情境的迁移。双人神经反馈被提出作为实验性参与这一互惠系统的手段。一个特别适合作为检验泛化结果领域的关键社会能力是共情。共情是感知、分享和理解他人情绪状态的能力（Shamay-Tsoory, 2011）。共情回应构成社会功能的核心组成部分，在广泛的人际情境和社会对象中表达（Elliott et al., 2018; Hikmat et al., 2024; Muss et al., 2025; Nembhard et al., 2022; Nussbaum, 1996; Okonofua et al., 2016; Shamay-Tsoory, 2011）。与二元组特异性结果如人际亲密感或融洽关系不同，共情是一种使个体能够对不熟悉和熟悉的主角做出适当反应的能力（Boin et al., 2021）。虽然共情被证明是一种稳定特质（Leiberg and Anders, 2006），但它也对应激、倦怠和社会脱离等情境因素敏感（Wilkinson et al., 2017; Zenasni et al., 2012），表明它可以被改变和训练。疼痛共情代表一种特征明确的情感共情回应形式，反映对他人所观察到的痛苦的敏感性（Lamm et al., 2011）。由于这种反应可对不熟悉的个体而非仅对特定互动伙伴引出，疼痛共情为检验双人神经反馈的效应是否泛化到训练二元组之外提供了有用的结果指标。神经影像研究揭示，额下回（IFG）和顶下小叶（IPL）是情感共情系统的关键枢纽（Rizzolatti and Craighero, 2004）。IFG与动作-感知同步性和情绪镜像强烈相关，而IPL贡献于多模态社会信息（Bekkali et al., 2021; Rizzolatti and Sinigaglia, 2016）。重要的是，近期超扫描研究表明，共情互动由伙伴间的脑间同步性支持，IFG中存在稳健的同步性（Avnor et al., 2024; Czeszumski et al., 2022; Goldstein et al., 2018; Hasson and Frith, 2016; Jiang et al., 2012; Xu et al., 2020）。相反，这些区域脑间同步性的减弱与共情和社会理解力降低相对应（Azhari et al., 2025）。总之，这些发现提出了以下可能性：通过双人神经反馈主动促进IFG中的脑间同步性可能为增强共情提供新途径。本研究调查了旨在增强脑间同步性的双人神经反馈是否与对不熟悉社会对象的疼痛共情变化相关。参与者在同一周内进行了三次训练会话，与特定伙伴一起接受双人神经反馈训练，期间反馈依随于他们持续的脑间同步性。双人fNIRS神经反馈靶向IFG中的脑间同步性，同时记录来自其他区域的神经活动，以检查训练相关变化是否扩展到目标区域之外的更广泛脑间和脑内连接模式。为了评估超越训练二元组的泛化，在神经反馈干预前后测量了对他人疼痛的共情。考虑到基线共情较低的个体可能表现出更大的可塑性变化能力，这可能是由于天花板效应降低（Avlogiari et al., 2021; Dadds et al., 2012）或社会互动中神经对齐较不稳定（Goldstein et al., 2018; Schwartz et al., 2024），研究人员还检验了基线共情是否预测训练相关的脑间同步性和共情反应变化。最后，为了检查脑内同步性、脑间同步性和疼痛共情训练相关变化之间的关系，研究人员采用了结构方程模型（SEM）框架。基于将脑间同步性与潜在脑内协调联系起来的理论解释（Balconi and Fronda, 2021; Basso et al., 2021; Dumas et al., 2012; Fronda and Balconi, 2020; Müller and Lindenberger, 2024; Pan et al., 2021; Qiao et al., 2025; Schilbach and Redcay, 2025），研究人员检验了一个理论驱动的模型，该模型指定了神经反馈相关变化、脑内同步性、脑间同步性和疼痛共情变化之间的关联。该模型进一步检查了观察到的直接和间接关联模式是否与所提出的顺序一致，即脑内协调支持脑间同步性，且两者均与共情反应变化相关。
**研究背景与问题**
神经反馈训练传统上以个体为对象，通过实时反馈使个体学会调节特定脑信号，其机制被认为涉及强化学习对神经活动模式的逐步优化。近年来，研究人员开始尝试通过双人神经反馈训练脑间连接性，即反馈信号依随于两人大脑之间的同步性水平。已有研究表明，双人神经反馈可在单次会话内增强脑间同步性，并与训练伙伴之间连接感增加等社会结果相关。然而，一个基本局限仍然存在：双人神经反馈的效应是否扩展到训练二元组之外的社会反应尚不清楚。证明这种迁移对于评估其功能意义和转化潜力至关重要。理论上，迁移可能涉及个体大脑内神经协调的变化，因为脑内和脑间同步性在功能上相互交织，可能在反复社会互动中相互影响。共情——感知、分享和理解他人情绪状态的能力——是检验泛化的理想结果领域，因为共情回应可对不熟悉的社会对象引出，而非仅限于特定互动伙伴。疼痛共情代表一种特征明确的情感共情回应形式。神经影像研究揭示IFG和IPL是情感共情系统的关键枢纽，且IFG中的脑间同步性与共情互动相关。因此，本研究调查了旨在增强IFG脑间同步性的双人神经反馈是否与对不熟悉社会对象的疼痛共情变化相关，并检验基线共情是否预测训练相关变化，以及脑内同步性、脑间同步性和疼痛共情变化之间的关系。
**关键技术方法**
研究人员招募了186名参与者（年龄23.15±3.7岁），随机分配至双人实验组（47对同性二元组）或对照组（46对同性二元组）。训练包括三次会话，在一周内完成，间隔24–48小时。每次会话包括10个区块，每区块2分钟。采用NIRx fNIRS系统同时测量两位参与者的皮层氧合血红蛋白（O?Hb）和脱氧血红蛋白（HHb）浓度，构建46个通道的蒙太奇，覆盖mPFC、dlPFC、IFG和IPL。在线预处理使用Turbo-Satori进行频率滤波（0.01–0.20 Hz）和短分离通道回归，通过修正Beer–Lambert定律转换为浓度变化。相干性计算采用小波变换相干性（WTC），使用Morlet母小波，频率范围约0.033–0.167 Hz，以1秒间隔重复计算，使用最近30秒数据。实验组反馈速度直接与实时相干性值关联，对照组接受基于另一二元组时间匹配相干性值的伪反馈。离线分析使用Satori进行预处理，采用TDDR和尖峰去除校正运动伪影，带通滤波0.01–0.20 Hz，以头皮耦合指数（SCI）评估信号质量（阈值0.75），短分离回归后使用修正Beer–Lambert定律转换。离线WTC分析频率范围0.015–0.16 Hz。共情评估使用人际反应指针（IRI）测量基线特质共情，疼痛共情任务包含24张图片，参与者在0–10量表上评定情绪反应，在第一次训练前和第三次会话后施测。主观控制感和愉悦感在每次会话后评定。统计分析采用线性混合效应（LME）模型，使用最大似然估计，事后分析使用EMMEANS包并进行Tukey校正。ROI特异性分析对98个测试应用Holm族系误差校正。结构方程模型（SEM）在神经反馈组中构建，检验神经反馈相关变化、脑内同步性、脑间同步性和疼痛共情变化之间的关联。
**研究结果**
**神经反馈训练影响疼痛共情水平**：基线疼痛共情评分在两组间无显著差异（F(1, 184)=0.125, p=.724）。线性混合效应模型显示显著的Condition×Measurement交互作用（F(1, 181.22)=4.4719, p=.03582, η2=.02），表明疼痛共情评分的变化在两组间随时间不同。事后比较显示对照组从训练前（EMM=7.57, SE=0.173）到训练后（EMM=7.25, SE=0.173）显著下降（估计变化=?0.321, SE=0.121, p=.009），而神经反馈组无显著变化（估计变化=0.042, SE=0.121, p=.728）。经测试-重测调整后的敏感性分析显示，对照组调整后变化不显著（估计变化=?0.111, SE=0.121, p=.3634），而神经反馈组显示显著的调整后增加（估计变化=0.252, SE=0.121, p=.0389）。
**参与者的主观体验**：感知控制感模型显示显著的测量×条件交互作用（F(1,366.6)=4.4386, p=.03581, η2=0.01），对照组无显著变化（趋势=?0.086, SE=0.0922, p=.3460），而神经反馈组显著增加（趋势=0.187, SE=0.0919, p=.0423）。愉悦感模型未显示显著的交互作用（χ2(1)=2.8807, p=.08965），简化模型显示无显著条件主效应（F(1, 90.78)=0.07, p=.7919），但测量主效应显著（F(1, 367.29)=35.062, p=7.338e-09, partial η2=.09），表明愉悦感评分在两组中随测量显著下降。
**脑间同步性的变化**：基线脑间同步性在两组间无显著差异（F(1, 88)=0.779, p=.38）。混合效应模型显示显著的组×会话交互作用（F(1, 2583.69)=10.3258, p=.001328, η2=0.00398）。实验组ΔWTC随会话显著增加（Beta=0.009935, SE=0.00234, t(2584)=4.244, p<.0001），而对照组无显著变化（Beta=?0.000727, SE=0.00235, t(2584)=?0.309, p=.7573）。基线区块间比较显示无显著组主效应（F(1, 91.438)=0.9573, p=.3304）和基线区块主效应（F(1, 90.814)=1.3535, p=.2477）。
**特质共情与IFG脑间同步性变化**：线性混合效应模型显示显著的共情水平×会话交互作用（F(1, 958.51)=4.7576, p=.02941, η2=.00494），表明基线共情较低的参与者表现出更陡峭的ΔWTC增加。IRI子量表分析显示仅个人痛苦维度显示显著的会话交互作用（F(1, 958.55)=6.2562, p=.012542, η2=.00648），观点采择（F(1, 958.44)=2.2289, p=.1358）、共情关怀（F(1, 958.12)=0.3629, p=.5470）和幻想（F(1, 958.42)=0.9572, p=.3281）无显著交互作用。
**脑间同步性的探索性区域变化**：组×ROI交互作用显著（F(27, 40413)=6.0438, p<2.2e-16, η2=0.00402）。ROI特异性事后检验识别了几个在Session 1到Session 3之间显示未校正变化的脑间连接，但在对98个脑间和脑内Group×ROI测试应用Holm族系校正后，没有任何单个脑间ROI效应保持统计学显著。因此，这些ROI特异性脑间模式作为探索性和假设生成性呈现。
**脑内同步性的变化**：组×ROI交互作用显著（F(20, 34391)=5.5827, p<0.0001, η2=0.00324）。经Holm族系校正后，仅神经反馈组中右侧IFG–右侧IPL脑内同步性的增加保持统计学显著（ΔWTC=0.104, SE=0.022, t(177.33)=4.79, raw p=3.55×10??, Holm校正p<.001）。其余ROI特异性效应未通过校正，被解释为探索性。
**SEM模型**：在神经反馈组中，脑内Δ与共情Δ显著相关（β=.10, z=2.332, p=.020），脑间Δ也与共情Δ显著相关（β=.15, z=4.294, p<.001）。从神经反馈相关变化通过脑内同步性再到脑间同步性最终到疼痛共情变化的序列间接效应显著（β=.21, SE=.06, z=3.289, p=.001, 95% CI [.09, .34]）。仅通过脑内同步性的间接效应也显著（β=.18, SE=.08, z=2.209, p=.027, 95% CI [.02, .34]）。总间接效应显著（β=.39, SE=.10, z=4.117, p<.001, 95% CI [.20, .57]）。神经反馈相关变化与疼痛共情变化之间的直接关联为负（β=?.13, z=?3.427, p=.001）。模型拟合可接受（CFI=.94, TLI=.90, RMSEA=.06, SRMR=.04）。对照组相同SEM设定未能收敛，无法提供有效的组间比较。
**讨论与结论**
本研究检验了训练相关的脑间同步性增加是否会扩展到对不熟悉社会对象的行为反应。经探索性测试-重测调整后，疼痛共情评分在两组间显示不同轨迹：伪反馈组保持稳定而神经反馈组增加。疼痛共情一贯与ACC、AI和IFG的活动相关。IFG与动作-感知耦合和情绪镜像相关，兴奋性刺激右侧IFG可增强对替代性社会触碰的反应。本研究中，IFG脑间同步性的训练相关增加与疼痛共情反应的不同轨迹同时出现，提出了IFG中心的人际对齐与反复测量中共情反应的维持或调节相关的可能性。近期发现提供了额外证据表明双人神经反馈可影响训练二元组内的社会结果。与先前文献一致，本研究中观察到的对不熟悉个体的疼痛共情反应差异模式与双人神经反馈相关效应可能超越即时训练伙伴的可能性一致。泛化被认为是适应性学习的标志。一种可能性是，与伙伴的反复脑间同步化修改了IFG中心的人际对齐过程，有助于在随后与不熟悉社会对象的接触中维持或调节共情反应。神经反馈组二元组在三训练会话中IFG脑间同步性明显增加，而伪反馈组无相应趋势。这些变化在无任务、互动或反馈的基线期间未观察到，表明增加是神经反馈情境特异性的而非基线同步性的持续转变。跨会话的逐渐增加与Hebbian样或尖峰时序依赖性可塑性解释一致。值得注意的是，脑间同步性的增加受基线特质共情调节，初始共情评分较低的参与者表现出更大的神经反馈相关增加。尽管这种调节效应量较小，该模式表明基线共情倾向可能贡献于对双人神经反馈反应性的个体差异。探索性IRI子量表分析表明该模式在个人痛苦维度最为明显。探索性SEM提供了训练相关脑内同步性、脑间同步性和疼痛共情反应之间关联的额外证据。脑内IFG–IPL同步性的变化与脑间同步性的变化相关，后者反过来与疼痛共情变化相关。当同时建模时，神经反馈相关变化与疼痛共情之间的直接关联为负，而通过脑内和脑间同步性的间接关联为正。负直接关联应谨慎解释，因为它可能在考虑通过神经同步性变量的正间接关联后出现，可能部分反映共享方差导致的统计抑制。程序因素也可能有贡献：训练前疼痛共情评估在第一次神经反馈会话前进行，而训练后评估在第三次会话完成后进行，疲劳、习惯化或训练结束时反应性降低可能贡献于较低的训练后评分。脑间同步性在考虑脑内同步性后仍与疼痛共情相关，表明它解释了超出脑内过程单独相关的共情反应方差。观察到的关联与以下可能性一致：在神经反馈学习过程中脑内和脑间动态在功能上相关。脑内协调的变化可能提供支持脑间同步性出现的条件，而反复的脑间同步性事件反过来可能伴随脑内组织的进一步变化。在此观点下，脑内和脑间动态可能形成一个在反复互动中演化的互惠系统。双人神经反馈提供了通过强化伙伴间协调神经活动时刻来参与这一系统的潜在手段。尽管有这些令人鼓舞的发现，若干方法学考虑需要谨慎解释。参与者未被指示使用特定调节策略，策略使用未被系统评估；因此，贡献于成功神经反馈调节的认知过程无法确定。主要交互效应的量级也应考虑：尽管IFG脑间同步性的组×会话交互作用和疼痛共情的条件×测量交互作用均统计显著，但两者效应量均较小。样本也相对同质，主要由年轻大学生组成且女性显著多于男性。SEM分析仍为探索性。随访窗口相对较短，观察到的神经和行为效应的持久性仍未知。总之，本研究发现表明双人神经反馈可在反复训练会话中系统性增加IFG中心的脑间同步性。探索性网络分析进一步提示涉及IFG–IPL连接性的更广泛变化，尽管经族系校正后仅神经反馈组中右侧IFG–右侧IPL脑内同步性的增加保持统计学显著。神经反馈组和伪反馈组对不熟悉社会对象的疼痛共情反应也显示不同轨迹，神经反馈后评分保持相对稳定而伪反馈条件下下降。这一发现提供了双人神经反馈相关效应可能超越即时训练伙伴的证据，尽管本任务仅评估共情反应的一个特定方面，并未确立共情的泛化改善或真实世界社会功能。探索性SEM分析进一步识别了训练相关脑内同步性、脑间同步性和疼痛共情反应之间的关联，这些关联与理论提出的这些过程之间的关系一致。总之，这些发现支持进一步研究双人神经反馈作为实验性调节人际神经同步性的方法，并检查大脑内部和之间的神经变化如何与训练情境之外的社会反应相关。
