近十年来，认知神经科学领域最重要、最有趣的发现之一是，即便没有神经纤维束的结构性连接，人与人之间仍然会出现大脑活动的功能性同步，即两个大脑的活动会随着时间共同变化。但是，两个物质上并不相连的大脑为什么会同步呢？以往研究者对此深感困惑。
2022年12月，北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室卢春明课题组在Brain Stimulation杂志发表论文《Transcranial direct current stimulation of the right anterior temporal lobe changes interpersonal neural synchronization and shared mental processes》，结合无创脑刺激技术和自然语言交流范式，揭示了脑间神经同步背后的认知机制。
图1 使用“心灵之剪”检验“心有灵犀”的认知机制。
以往研究采用诱发-观测的方式，难以厘清脑间神经同步与外部交互行为、内隐认知状态之间的关系。针对这一挑战，本研究采用了无创脑刺激技术，通过直接改变大脑神经同步水平，考察自然语言交流过程中外部交互行为和内隐认知状态是否以及如何发生改变，从而确定三者之间的因果关联。
关于三者之间的关系，以往理论主要有三种假设。一种假设认为，交互双方的交互行为构建了相同的外部刺激情境，进而导致双方出现相似的神经活动。因此，脑间神经同步只与共享的外部交互行为有关，而与内隐认知状态无关。在这种假设下，预期通过脑刺激改变脑间神经同步，只会影响外部交互行为，不会影响内隐认知状态。另一种假设则认为，在交互过程中，双方会共享相同的内隐认知状态，从而出现与之关联的脑间神经同步，与外部交互行为无关。因此，改变脑间神经同步只会影响内隐认知状态，不会影响外部交互行为。第三种假设则认为，交互双方通过交互行为构建相同的内隐认知状态，从而出现与内隐认知状态对应的脑间神经同步。根据这一假设，改变脑间神经同步只会影响内隐认知状态，并不改变外部交互行为；并且，外部交互行为在二者之间发挥中介作用。
为检验上述假设，研究招幕了30对被试，采用无创经颅直流电刺激（tDCS）技术刺激其中一人的右侧颞叶前部（rATL），随后两人进行自然语言交流（图2a），旨在考察脑间神经同步的降低是否会影响与rATL对应的内隐认知状态（即共情水平，假设1）以及自然语言交流中的外部交互行为（包括言语和非言语，假设2和3）。除真实刺激以外，研究还设置了虚假刺激（sham stimulation）和控制脑区刺激（control brain region stimulation）两个对照条件（图2b-c）。
图2 实验设置。a）实验流程。b）光极位置。c）tDCS参数设置。
组间比较的结果发现，相比两种对照条件，真实刺激显著地降低了自然语言交流过程中女性颞叶前部和男性感觉运动区（ATL女-SMC男）之间的神经同步（图3a-d）。进一步的被试内验证分析发现，即便在同一组被试内部，从对照条件切换到真实刺激条件时，该脑间神经同步显著降低；当从真实刺激条件切换到对照条件时，该脑间神经同步则显著增强（图3e），从而有效验证了脑间神经同步降低与真实脑刺激之间的因果关系。
研究进一步考察了上述神经同步降低是否源于自发神经活动的改变。通过分析静息状态下的脑间神经同步发现，在真实刺激后，自发神经活动的同步也有显著降低，但是仅能解释互动过程中脑间神经同步降低的12%变异，表明真实刺激诱发的互动过程中的神经同步降低不是自发神经活动改变造成的。
图3 不同刺激类型间交流过程中神经同步的比较。a）真实与虚假（上）、真实与控制脑区（中）以及控制脑区与虚假刺激（下）的区别。黑色矩形表示在真实刺激与其他两种控制条件间存在显著差异，但是在两种控制条件间不存在显著差异的时滞和频段。b）图a中0.04-0.05Hz神经同步的置换检验结果。（c-e）真实刺激显著降低了ATL女-SMC男间的神经同步。c）ATL女-SMC男的位置图。d）ATL女-SMC男的置换检验结果。e） 无论被试在第几次实验接受真实刺激，都会诱发显著更低的神经同步。
为考察脑间神经同步的降低与外部交互行为和内隐认知状态之间的关系，我们对脑刺激前后被试的共情水平和交互行为进行了分析。结果发现，真实刺激显著降低了情感共情的水平，但是并没有改变外部的交互行为（包括言语和非言语，图4a）。虽然交互行为本身没有发生改变，但是非言语行为却中介了神经同步降低与情感共情降低之间的关联（图4b）。
图4 行为和认知的改变。a）真实刺激显著降低了状态性情感共情水平。b）真实刺激诱发的ATL女-SMC男神经同步改变通过非言语行为影响状态性情感共情。
总之，该研究结合无创脑刺激技术和自然语言交流范式，从因果关系的角度验证了脑间神经同步与外显交互行为和内隐认知状态之间的关联，表明交互双方通过交互行为构建起共享的内隐认知状态，形成与共享内隐认知状态对应的特异性脑间神经同步。这一结果为我们课题组前期提出的双脑层级结构模型提供了有力支撑（Jiang et al., 2021，见https://mp.weixin.qq.com/s/N56g_EYRETD5nUnXAgHQqQ）。
论文第一作者龙宇航博士毕业于北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室，现为北京师范大学“励耘”博士后，研究兴趣是人际互动的认知神经机理。卢春明教授为论文的通讯作者。此外，重点实验室的硕士生钟苗和茹辉亚·艾力、天津师范大学心理学部张环博士、北师大心理学部方晓义教授也对研究做出了重要贡献。该研究得到了国家自然科学基金重大项目、面上项目、中国博士后基金和认知神经科学与学习国家重点实验室开放课题的资助。
论文链接：
Long Y, Zhong M, Aili R, Zhang H, Fang X, Lu C*. (In press) Transcranial direct current stimulation of the right anterior temporal lobe changes interpersonal neural synchronization and shared mental processes. Brain Stimul.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1935861X22002571
联系方式：卢春明luchunming@bnu.edu.cn; 龙宇航longyuhangwork@163.com
卢春明课题组网站：
