合作在人类进化过程中至关重要。合作是一个动态且持续的社会过程，合作者通过协调各方努力，以实现共同的目标。在复杂的合作进程中，合作者的行为和神经活动是怎样动态变化的，以及他们的行为和神经活动又是如何相互关联，以促进成功的合作的？
北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室，IDG/McGovern脑科学研究院马燚娜课题组在Nature Neuroscience 2025年1月刊发表研究成果Simultaneous intracranial recordings of interacting brains reveal neurocognitive dynamics of human cooperation，揭示了人际互动中合作动态的认知神经机制。在课题组的前期研究基础上，该研究创设了新的动态合作范式，揭示了不同合作状态具有其独特的行为动机、大脑神经活动特征和脑间同步特性，提供了理解人类合作动态的新视角和新机制。
该研究设计了一项新颖的“两人三足”多人互动合作范式。面对动态数据，研究者一方面将任务划分为合作建立和维持两种状态；另一方面，通过运动速度分解，研究量化了两个关键合作动机：人际协调（coordination）和共同目标（collective goal）。结果表明，人际协调和共同目标分别是合作的建立和维持阶段的主导要素，合作动机的变化预示了合作状态的转变。其中，更高的人际协调水平是建立持久合作的重要条件，并促进了合作者获得胜利。
研究者记录了杏仁核和颞顶联合区（TPJ）的颅内电生理信号。通过时频分析方法，研究发现伽马频段兴奋性和抑制性的神经活动分别表征了合作的建立和维持状态（图1）。解码分析进一步表明，伽马频段的神经活动可以预测合作状态的转换，其中在合作建立到维持状态的转换期间观察到早期且持续的解码，表明合作的建立是一个渐进的过程。
图1高频神经活动对不同合作状态及合作状态转换的特异性表征
对合作动机的编码，发现不同的神经元群在编码人际协调和共同目标方面存在差异性（图2），在杏仁核和TPJ中具有更多的神经元群编码共同目标。更重要的是，研究发现颞顶联合区的神经元群优先编码当前合作状态下的主导合作动机。在合作建立状态下，TPJ更多的神经元群实时编码人际协调，而在合作维持状态下更多的神经元群实时编码共同目标。该结果表明了TPJ在整个合作过程中灵活监测主导合作动机的关键作用。
图2高频神经元群活动对合作动机的选择性编码
合作者双方的高频脑间同步性在杏仁核和TPJ中均显著，且受到合作状态的调控。杏仁核和TPJ分别在合作的建立和维持状态表现出更高水平的伽马频段脑间神经同步性。研究进一步发现，脑间神经同步性的高低预测了合作者之间的行为协同水平，即在表现出更高脑间神经同步性的合作状态下，神经同步性越高，合作者之间的行为差异就越小。该研究工作提供了互动个体脑间神经同步性的直接证据，尤其是在皮层下结构——杏仁核中也发现了显著的脑间神经同步性。同时，本研究还强调利用多维和高时间分辨率的物理变量作为行为指标的分析方法，对研究人类和动物社会互动行为在方法学上提供了创新。
Nature Neuroscience 同期Research Briefing刊登了简报Neurocognitive dynamics of human cooperation unveiled by intracranial recordings。评论指出“该研究的突破性在于采用了颅内记录技术，使其能够以其他超扫描方法无法达到的层次深入洞察合作行为的神经基础”。
马燚娜课题组研究生王佳鑫(已毕业)、天坛医院孟凡刚主任、宣武医院徐翠萍研究员为本文共同第一作者，马燚娜教授为通讯作者。课题组多位研究生对此工作出了重要贡献。本研究获得国家自然科学基金项目、科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目青年科学家项目，中央高校基本科研业务费专项资金资助。
论文链接
https://www.nature.com/articles/s41593-024-01824-y
同期评论链接
https://www.nature.com/articles/s41593-024-01825-x
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