儿童双人组自然情境合作七巧板解题过程中的脑间耦合：一项探索性fNIRS超扫描研究

《Brain Structure and Function》：Inter-brain coupling during naturalistic collaborative Tangram solving in child dyads: an exploratory fNIRS hyperscanning study

　　

合作问题解决在儿童的认知与社会发展中扮演着核心角色，然而神经活动与实时同伴协调之间的关系仍知之甚少。研究人员采用功能性近红外光谱（fNIRS）超扫描技术，在一项自然情境的七巧板谜题任务中，同时记录了15组学龄儿童双人组的脑活动，任务条件包括静息、独立解题、观察与合作。研究人员考察了任务相关神经激活和脑间连接（IBC），以评估人际神经动力学与任务情境和行为之间的关系。预设感兴趣区（ROI）的激活效应无一通过多重比较校正。在探索性的通道水平分析中，一个后顶叶通道在合作条件下相对基线表现出正向的氧合血红蛋白（HbO）反应。全局IBC在不同实验条件间无显著差异，表明脑间同步并非仅由合作或社会在场决定。尽管如此，一项探索性分析显示，双人合作（Duo）条件下的全局HbO耦合与总手动活动之间存在具有实际意义的相关性（Spearman rho = 0.581），bootstrap 95%置信区间不包含零[0.038, 0.891]，在每一次留一对双人组分析中均为正系数，且在剔除每个区块前8秒后仍保持相似幅度（rho = .538），尽管该结果未通过更广泛的敏感性分析族的错误发现率（FDR）阈值（q = 0.131）。基于新兴的儿童双人便携式fNIRS超扫描文献，本研究进一步证实了该方法在生态效度较高的实操性任务中的可行性，并提示分块水平的脑间耦合可能捕捉到双人组水平行为参与度的有意义的变异。

**儿童双人组自然情境合作七巧板解题中的脑间耦合：一项探索性fNIRS超扫描研究的解读**

**一、研究背景与问题**

人类认知发展深嵌于社会环境之中。从儿童早期开始，学习、问题解决和推理往往通过与他人的合作实现，共享注意、协调行动和沟通深刻影响认知发展。合作问题解决是儿童社会互动的核心形式，已有元分析证据表明，合作性目标结构和面对面合作学习比竞争性或个体化结构更能促进学业成就和积极同伴关系。然而，尽管行为证据充分，儿童在合作过程中协调思想与行为的神经机制仍知之甚少。

理解儿童在真实互动中大脑如何同步，是发展社会神经科学面临的重要挑战。合作需要双方表征共享目标、监控彼此行为、预测后续动作并实时调整自身反应。背外侧前额叶皮层（dlPFC）支持任务目标维持、计划和工作记忆操作；后顶叶区域整合视觉、空间和躯体感觉信息与动作计划，对伸手、抓握和物体操作尤为重要；颞顶联合区（TPJ）作为心理化网络的一部分，参与区分自我与他人表征、推理信念与意图，且右颞顶联合区（rTPJ）在学龄儿童中已有功能分化。超扫描技术能够同时记录两个或多个个体的神经活动，为考察社交互动中的脑间同步提供了独特视角。成人研究已显示合作、言语交流、协调运动和共享注意中脑间耦合增强，且共同意向性和相互协调是驱动神经对齐的关键，单纯物理邻近或同时行动不足以诱发稳健的脑间同步。然而，这一区分是否适用于儿童尚不清楚。儿童期大量表现为平行游戏和观察学习，确定儿童神经同步究竟源于社会在场还是需要主动行为参与，是一个关键的科学问题。

已有发展性超扫描研究主要关注亲子互动，同伴互动因其双方均处于认知社会发展中且贡献更为对称而具有理论独特性。新兴的儿童–儿童超扫描研究表明人际神经耦合可能随同伴关系、互动情境及合作竞争行为需求而变化。功能性近红外光谱（fNIRS）因对运动耐受性好，适合生态效度高的研究设置，然而对儿童同伴在需要持续物体操作和相互行为调整的自然情境、动手型问题解决中，脑间动力学及其潜在网络拓扑如何运作，仍是亟待填补的空白。

本研究的主要目的是在一项生态效度较高的动手型合作任务中考察儿童双人组的脑间动力学，对比主动联合参与与个体行动、观察和静息。研究基于具身认知理论（认知过程根植于身体互动），通过同时记录背外侧前额叶、后顶叶和颞顶联合区（分别对应执行控制、视觉运动整合、动作监控和社会认知）的活动，检验联合认知表现是否与手动动作的物理动力学共变。研究提出三个具体假设：第一，合作问题解决相比静息在后顶叶和背外侧前额叶区域诱发更强激活；第二，合作条件下的脑间耦合强于静息、个体行动或观察；第三，整体任务相关手动参与度更高的双人组在合作中表现出更强的全局HbO脑间耦合。鉴于儿童–儿童文献有限及15组双人组的样本量，神经分析明确视为探索性。

**二、研究方法概述**

研究经伦理委员会批准，招募30名学龄儿童组成15组双人组（18男12女；平均年龄=9.47岁，SD=1.61，范围6–12岁），均来自同一学校社区的熟悉同学。实验采用自然情境七巧板拼图任务，儿童需将iPad上呈现的二维目标图形用实体七巧板拼出，包含静息、单人操作、观察和双人合作四种条件。fNIRS数据使用便携式NIRSport2系统以10.17 Hz采样率采集，光极覆盖额叶和右侧颞顶区域，基于10–20系统放置。数据预处理在Satori v1.8软件中完成，包括运动校正、短通道回归和0.01–0.50 Hz带通滤波。行为数据通过视频离线编码量化手动动作频率和持续时间。统计分析采用广义线性模型（GLM）、Fisher r-to-z变换计算分块Pearson脑间相关、Friedman检验、Wilcoxon符号秩检验、置换检验、bootstrap置信区间及伪双人组对照。

**三、研究结果**

**（一）双人儿童fNIRS超扫描数据完整性**：30名儿童全部完成16分钟fNIRS采集，无数据因技术故障或信号不可用被排除。

**（二）合作产生行为上独特的任务状态**：双人组平均完成4.13个谜题，平均产生229.67个手动动作片段。动作频率和持续时间在不同条件间存在显著差异（频率：Friedman chi-square(2)=22.80，p < 0.001；持续时间：chi-square(2)=14.53，p < 0.001）。Duo条件比Child 1和Child 2条件包含更多动作片段，而两个单人操作条件之间无差异，确认合作条件在行为上具有独特性。

**（三）任务相关神经激活**：确认性的双人组水平ROI分析未发现通过Holm校正的HbO效应。Duo > 基线的后顶叶ROI估计为正但未达显著。在探索性通道水平，通道17（CH17，约CP4-CP6位置）在Duo > 基线对比中显示正向HbO效应（M = 21.14，SD = 37.99，t(14) = 2.16，未校正p = 0.049，FDR q = 0.594，dz = 0.56，95% CI [0.11, 42.18]），且HbO与HbR估计呈负相关（rho = ?0.76，p = 0.001），但未通过通道水平FDR校正，且去除单组双人组后p值范围0.035–0.098。

**（四）跨任务条件的脑间连接**：全局HbO IBC在Rest、Child 1、Child 2和Duo条件间无显著差异（Friedman chi-square(3) = 1.40，p = 0.706，FDR q = 0.916，Kendall's W = 0.031）。剔除每块前8秒后结果不变。各ROI特异性Pearson汇总指标均无校正后的条件效应，无单个跨脑通道对在Duo-Rest、Duo-Child 1或Duo-Child 2对比中通过FDR校正。Duo期间真实双人组（mean Fisher z = 0.0046）与时间匹配伪双人组（mean = 0.0033）的全局HbO耦合无显著差异（置换p = 0.890）。

**（五）脑–行为关联**：初步分析中报告的Duo期间全局HbO Pearson IBC与总会话水平手动活动之间的关联得到复现（Spearman rho = 0.581，置换p = 0.024，bootstrap 95% CI [0.038, 0.891]，N = 15）。该结果具有四个支持特征：系数幅度具有实际意义；bootstrap区间排除零；在每一次留一对双人组分析中保持为正（rho范围0.485–0.695）；剔除前8秒后系数相似（rho = 0.538，置换p = 0.041）。但该关联未通过扩展脑–行为家族的FDR校正（q = 0.131），且修剪后bootstrap区间包含零。当行为限于合作区块时，关联减小（Duo动作频率rho = 0.360；累计持续时长rho = 0.057）。

**四、讨论与结论**

本研究通过fNIRS超扫描结合手动行为测量，考察了儿童在动手型七巧板任务中合作问题解决的神经相关。主要发现有三方面：第一，双人儿童fNIRS超扫描在身体互动和行为要求较高的任务中可行；第二，Duo条件产生手动动作频率和持续时间的显著增加，确认合作构成行为上独特的实验状态；第三，这种行为分化并未伴随条件水平的全局或区域脑间耦合的可靠增强。焦点探索性分析显示Duo期间全局Pearson耦合的组间变异与会话水平手动活动共变，该关联得到置换推断、bootstrap区间和留一法稳定性支持，但未通过扩展多重性校正。

研究者指出，儿童期发展变异可能增加双人组间神经协调的异质性，使全局条件对比在儿童中敏感性降低。此外，大尺度、通道无关的IBC指标汇总了广泛的跨脑协方差，可能同时包含交互相关和条件不变的成分，这种聚合可能降低对类别对比的敏感性，同时保留对稳定组间差异的敏感性。后顶叶激活发现虽未通过校正，但其中等效应量、解剖学合理位置及HbO-HbR反向模式提示了一个初步的空间假设，后顶叶区域在物体操作和空间引导行为中广泛参与感知与行动的整合。脑–行为关联提示，在合作条件下，行为参与度更高的双人组倾向于表现出更高的全局分块跨脑协方差，这与强调具身协调和感知–行动耦合的框架一致，但该关联不建立耦合与相互协调之间的因果关系。

研究局限包括：自然任务不可避免地引发头部运动；年龄跨度涵盖显著神经认知发展期；样本量仅能可靠检测大效应；同伴熟悉度未正式量化；拼图难度差异可能造成认知需求波动；行为编码由单一研究者完成；为隔离共享手动动作效应而禁止言语和有意手势，限制了生态效度。未来研究需采用更大、聚焦发展性问题的样本，纳入更宽年龄范围和多种互动情境（如合作与竞争对比），并加入执行功能和社会认知的独立测量。

研究结论认为，儿童同伴间的非言语、动手型合作可以在行为上显著，但并未产生相应稳健的条件水平全局脑间耦合增强。分块对齐的Fisher变换Pearson分析、区域汇总、通道对校正、遗留效应控制和伪双人组均未能可靠区分合作与静息、个体行动或观察。尽管如此，Duo耦合与更广泛手动活动之间的探索性关联表现出相关幅度、排除零的bootstrap区间、留一对双人组分析中的稳定性及剔除早期区块后的相似效应。由于该关联未通过多重性校正且对合作特异性行为较弱，应将其视为假设生成而非确认性证据。本研究为刻画人际神经测量与真实世界儿童互动之间的关系做出了贡献，为未来研究提供了信息，并确定了分块对齐跨脑协方差与双人组水平参与度关联的可检验边界条件。