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       耶魯醫(yī)學院神經生物學和精神病學教授Joy Hirsch博士
       在生命科學的所有挑戰(zhàn)中，對大腦的了解是難中之zui。大腦是人體zui復雜的器官，擁有超過1千億個神經元和其他細胞，形成了超過100兆個連接。這些連接由多種神經化學因子調節(jié)，這些因子跨越空間維度，從分子開始并發(fā)育到細胞、循環(huán)、系統(tǒng)、并zui終導致包括認知過程、情緒、感知、記憶和目標導向行為。從出生到生命終結的人類發(fā)育所有階段的大腦疾病在世界范圍內的流行，導致了嚴重的醫(yī)學、政治、經濟、法律和生活質量問題。無論如何，在健康和疾病領域，大腦仍是一項科學前沿問題。
        不過，這種廣泛而未被滿足的醫(yī)療需求的緊迫性再加上神經系統(tǒng)科學領域的近期進展已經激發(fā)了這樣一個充滿希望的愿景：對于大腦的全面理解是一個可以實現(xiàn)的目標。在美國，這一愿景zui近已經集中到了一項被稱為BRAIN（通過推進創(chuàng)新神經科學技術來進行大腦研究）倡議的行動計劃上。此項倡議于2013年4月2日由美國總統(tǒng)巴拉克·奧巴馬（Barack Obama）公布，他宣布“加速對能夠讓研究人員生成顯示設想速度下個體腦細胞與復雜神經回路間互相作用的大腦動態(tài)圖片的新技術的開發(fā)和應用”是一項巨大挑戰(zhàn)（The White House，2013年）。隨后，國立衛(wèi)生研究院（NIH）制定了一項10年計劃，用以實現(xiàn)加速技術開發(fā)以便獲得關于神經系統(tǒng)在健康和疾病中所起到功能的基礎見解這一主要目標。一開始，BRAIN倡議的終點是大腦中的神經回路，包括組成細胞的表征、突觸連接、以及行為相關活動的動態(tài)集合。這一總體目標橫跨多個研究領域，從管理短程細胞回路的分子和細胞過程到由人類神經成像觀察到的管理復雜行為的遠程流程。

行動過程人類大腦成像
       針對這一倡議的一個主要目標包括現(xiàn)有技術的改善以及用于大腦機制及行為之間關系探索和建模的全新技術的開發(fā)。主要采用核磁共振成像（MRI）和諸如腦磁圖描記術（MEG）及腦電圖描記術（EEG）等電磁技術的現(xiàn)有腦成像技術，是正常及病理條件下人類大腦研究的基礎。這些技術對一個重點為功能性腦活動與認知及行為之間相關性的神經系統(tǒng)科學主要分支做出了大量貢獻。尤其是大腦成像技術的爆發(fā)式成長，實現(xiàn)了對于人類語言、記憶、決策制定、視覺和聽覺過程、情緒、學習及社交互動等復雜認知行為相關的專門神經過程的操作性了解。
       總之，這些系統(tǒng)的神經學和生理學組成部分1) 局限于特定的大腦區(qū)域和接收及傳輸信息的短程神經回路，并且2) 通過涉及的大腦區(qū)域之間的遠程途徑相互連接。因此，出現(xiàn)了兩大大腦組織原則。首先是隔離原則，大腦特定區(qū)域專門用于特定的任務和處理；第二是互動原理，在特定任務需求下大腦中共同有效區(qū)是相互連接的。例如，在人類語言系統(tǒng)中，位于左顳上回的一個通常被稱為威爾尼克語言區(qū)（Wernicke’s area）的區(qū)域，專門用于語言接收功能（理解并解讀說出的語句）。此外，位于左額下回的一個通常被稱為布魯卡語言區(qū)（Broca’s Area）的區(qū)域專門用于產生語言功能（產生語音）。 

       這兩種大腦區(qū)域的復合體通過廣為人知的途徑相互連接，包括弓狀纖維束和用于傳輸了解語言并用于說話的過程相關當?shù)匦畔⒌墓毋^突。其他被廣泛認可為和記憶及情緒有關的大腦區(qū)域，在特定任務過程中和語言系統(tǒng)功能性連接。語言相關操作過程中這些互動區(qū)域之間的動態(tài)關系，已經采用當代神經成像技術進行了廣泛研究。

技術進步
       主要由于采用磁共振成像（MRI）技術研究大腦過程的限制，主流神經成像技術被局限于單個個體的研究。在掃描儀環(huán)境下，兩個個體之間的自然人際互動是不可能的。不過，實時交流涉及語言和非言語交流，包括目光接觸，動態(tài)面部表情和反應手勢。雖然涉及兩個個體之間動態(tài)交流的互動社會行為是人類社會化的一個基本方面，但這些隱含的溝通線索不會出現(xiàn)在僅包含一個個體的掃描環(huán)境中。主要是由于這些技術的局限性，導致人類對調節(jié)和調制自然人際互動和交流的潛在神經回路知之甚少。因此，具有社交互動相關潛在深刻缺陷的神經?。ɡ绻陋毎Y譜系障礙、精神分裂癥、焦慮癥和抑郁癥）的神經生理學機制仍無法確定。用于生態(tài)學上有效的條件下兩個個體間交流過程中大腦成像的新技術的開發(fā)，為在傳統(tǒng)神經成像中收集的信息不足的大型臨床全體的需求的解決提供了一個特別有影響力的機會。

近紅外光譜法（NIRS）的基礎性新角色
       一種新興的神經成像技術——功能性近紅外光譜法（fNIRS）采用了固定在頭戴帽上的光極，并且適合在自然情況下用于多位受試者而且不受頭部移動影響。和MRI一樣，NIRS能夠在無離子化造成的毒性的情況下，實現(xiàn)對個體受試者運作中神經系統(tǒng)的觀察。此項技術利用了活躍神經組織回路氧合的血液比例比非活躍神經組織更大這一生理學原理的優(yōu)勢。在這一過程中局部微脈管系統(tǒng)內脫氧血紅蛋白（deOxyHb）的順磁性作用降低。被稱為血氧水平依賴性（BOLD）信號（Ogawa等人，1990年）的MRI中信號放大是由于deOxyHb比例降低以及由此導致的順磁性作用減少。BOLD信號也是利用光譜吸收（J?bsis，1977年）通過NIRS測定的，這種方法能夠區(qū)分氧合血紅蛋白、OxyHb和deOxyHb信號。脈沖激光（采用島津NIRS系統(tǒng)）發(fā)射三種波長的光，而檢測器則測量氧合血紅蛋白（OxyHb）和脫氧血紅蛋白（deOxyHb）濃度的變化。對于每個通道，測量在780nm、805nm和830nm下的近紅外光吸光度，并根據(jù)改良朗伯-比爾定律（Beer-Lambert Law）分別換算為相應的deOxyHb、總Hb（HbT）和OxyHb（Matcher & Cooper，1994年）（圖1）。

 圖1. 脫氧血紅蛋白與氧合血紅蛋白吸收光譜這些函數(shù)顯示了OxyHb和deOxyHb在780nm及830nm波長處的zui大吸光度差異。大腦血液中的氧濃度影響著反射的光波長。改良朗伯-比爾定律被用于換算對應于deOxyHb（780nm）、總血紅蛋白（805nm）和OxyHb（830nm）濃度變化的三個波長下的光衰減直接測量結果。 

       Shimadzu Corporation（日本東京）是一家fNIRS系統(tǒng)的制造商。圖2顯示了專門用于超高掃描的島津LABNIRS配置，可為參與互動任務的兩個個體同時獲取信號。這種特殊系統(tǒng)可利用配備場景及瞳孔攝像頭的SMI鏡片實現(xiàn)實時NIRS信號的獲取及眼球追蹤采集。在此示例中，每頂帽子都包含42個通道，并為每位受試者分為兩個半球。帽子配置是靈活性的，可以根據(jù)實驗目的修改。NIRS信號的獲取速率范圍為10至33毫秒，空間分辨率為約3厘米。這種時間分辨率非常適合大腦內和大腦間活躍區(qū)域連接性的測量，不過和fMRI相比空間分辨率方面相對有所損失。
       fMRI和fNIRS信號都反映出了大腦血流和大腦血氧飽和度的變化，而這些和潛在神經活動關聯(lián)。后者已經由Eggebrecht及其同事（Eggebrecht等，2012年）zui近在健康志愿者的視覺刺激過程中得到證實。fMRI BOLD和deOxyHb及OxyHb之間高度的正相關性目前已經得到很好證實（Sato等人，2013年；Scholkmann等人，2014年）。
       在單個受試者、單次運行和單個光極的大拇指敲擊任務中獲得的“原始”fNIRS信號顯示，同時獲得了對任務相關時間系列作出響應的OxyHb和deOxyHb信號（圖3）。注意OxyHb和deOxyHb信號之間的反相關性，和理論預期一致。由于和神經（而非心血管）事件的已知相關性，deOxyHb信號預期將是和fMRI BOLD信號zui緊密相關的信號（Franceschini等人，2006年）

 
圖2. 耶魯大學醫(yī)學院大腦功能實驗室的fNIRS系統(tǒng)（LABNIRS，ShimadzuCorp.）。采用LABNIRS系統(tǒng)的參與者以SMI（ETG-2）眼部追蹤鏡片顯示。

單個受試者/單個通道/單個位置

 圖3顯示了在不采用島津LABNIRS系統(tǒng)（白色箭頭）進行濾波的單次運行、單個受試者、單個通道手指大拇指敲擊任務中，OxyHb（紅色）和deOxyHb（藍色）信號之間的反相關性。

大腦覆蓋*的帽子設計
       兩位受試者相應大腦半球上的光極放置如圖4所示。表1中包含了每個通道解剖學位置的示例（單個受試者），采用現(xiàn)行蒙特利爾神經學研究所系統(tǒng)（Montreal Neurological Institute）以標準解剖學坐標表示（ICBM152，Mazziota等人，2001年）。由于NIRS不會和MRI一樣提供結構信息，使用標準腦圖譜將通道位置與已知解剖結構相關聯(lián)。
       在兩位受試者身上，光極被放置在相似的頭部位置上，以便獲得來自幾乎相應腦區(qū)的皮質信號。探針被放置在每位受試者的頭部，和被定義為從鼻根通過Cz到枕骨隆突的中線對齊。探針的位置以10-20坐標系統(tǒng)（Jasper，1958年）為基礎，可提供與皮質解剖結構之間的準確關系（Koessler等人，2009年）。諸如PATRIOT Polhemus（Colchester，VT）等3D磁數(shù)字化儀通常被用于識別光極位置從而識別每位受試者的通道位置，根據(jù)受試者頭骨的形狀和尺寸進行標準化（Singh等人，2003年）。除了個體光極的位置之外，還記錄了頭部解剖學標志的三維坐標（Okamoto等人，2004年）。這些坐標被用于估計每個通道的位置，由發(fā)射器-檢測器光極對采用比如NIRS-SPM

       （http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/）（一種基于MATLAB的應用）等標準軟件包進行定義。

繼續(xù)所有渠道。
表1 通道為止MNI坐標示例
通道幾何中心位置：MNI坐標

 圖4兩個腦半球的通道分布

 兩個或以上個體的新神經系統(tǒng)科學
       兩人或以上個體間互動的近期研究已經證實了NIRS技術的功效，目前正著一種個體間自然交流的新神經系統(tǒng)科學之路（Babiloni和Astolfi，2014年；Scholkmann等人，2013年）。技術、計算算法和實驗范式的突破，為社會大腦理論框架開發(fā)、以及通常社交功能受損的多種精神疾病和神經疾病的治療的未來進展保證了一個質的飛躍。一種新的神經系統(tǒng)科學的新型基礎，源于用以觀察特定功能相關大腦間同步的計算方法。例如，已經采用小波分析測量了某項計算機任務合作過程中額葉皮質信號的一致性，并且顯示了在同一個任務上進行競爭的受試者之間的一致性更高，表明了一種對合作特定的人際關系敏感的神經生理學底物（Cui等人，2013年）。在一項采用四個受試者群組同步記錄的方法進行的合作性文字游戲中報告了相似的額極結果（Nozawa等人，2016年）。采用左前額和頂葉腦區(qū)同步NIRS記錄的方法，對群組中和追隨者的出現(xiàn)進行了研究。研究發(fā)現(xiàn)揭露了團隊的出現(xiàn)，與和追隨者之間神經同步相對于追隨者之間同步的增加相關（Jiang等人，2015年）。這些發(fā)現(xiàn)表明，未來可采用超高掃描方法和NIRS來了解領導能力的神經學機制。面對面交流中觀察到的大腦間左半球神經同步相對于背對背交流中同步的增加表明面部表情為人際交流提供了特殊的神經信號，并且為將生動面部表情作為自然個體間交流的基礎組成部分的研究指明了道路（Jiang等人，2012年）。參與某項手指敲擊模仿人物的兩個大腦的運動前區(qū)的同步，大于以自身步調進行的控制任務中的同步（Holper等人，2012年）。目光接觸也可以增加大腦之間的一致性（Hirsch等人，2017年）。其他示例包括合作性按按鈕（Funane等人，2011年）和正回任務（Dommer等人，2012年）。這些研究發(fā)現(xiàn)都為關于大腦間作用特定于某些神經區(qū)域、以及在不同人際交流條件下一致性出現(xiàn)增加提供了證據(jù)。這些基礎性發(fā)現(xiàn)是記錄基于NIRS的新型超高掃描技術潛在重要性的早期切入點，并且前進的軌跡正在以非?？斓乃俣纫苿?。

當兩人互相對話時兩個大腦會發(fā)生什么？
       在我們對健康成人配對組之間面對面交流過程中進行的大腦間同步互動早期研究中，在15秒的回合內關于對話和傾聽對象的畫面交替出現(xiàn)。這些回合是結構化的，并且決定了講話和傾聽的順序。對受試者配對組在獨白/對話和面對面/阻擋條件下獲得的信號的神經活動進行了比較。三分鐘的運行時間被分為十二個15秒長的回合。此處假設與獨白相比，在對話過程中講話及傾聽相關的腦區(qū)中大腦內和大腦間同步將增加。對于每個回合，監(jiān)視器上將顯示某個對象的單獨照片并由每位受試者查看。任務在面對面交流條件下以及面部被阻隔的條件下（即受試者無法看到他們的搭檔）進行。
結構化獨白任務：在*個示例中，受試者1識別了圖片對象并提供了和對象相關的口頭敘述。受試者2進行了傾聽但并未回應。第二個回合采用了一個新的圖片。受試者2說出了對象的名字并進行了口頭敘述，而受試者1則進行了傾聽。這種講話和傾聽的交換持續(xù)了3分鐘，如圖5所示。
結構化對話任務：除了講話的人對先前講話人敘述進行了回應之外，結構化對話任務和結構化獨白任務是相同的。預期是對話條件將揭露面對面條件下由于動態(tài)互動強度變化而到導致的語言系統(tǒng)的上調。
 

圖5. 獨白和對話范式
 

圖6. 單獨通道的fNIRS信號：通道12背外側前額葉皮層（DLPFC，頂行）和通道18額極皮質（底行）顯示了講話和傾聽過程中來自兩位互動受試者的同源位置S1和S2的反相關信號。圖片顯示了OxyHb（中列）和deOxyHb（右列）的信號平均值并證實了配對受試者之間對應于角色變換（傾聽和說話）的預期反相關性、以及OxyHb和deOxyHb信號之間的反相關性。
       圖6展示了兩位受試者源自對講話和傾聽敏感的腦區(qū)S1和S2的信號之間的反相關性。和fNIRS信號的預期相同，每位受試者每個通道內的deOxyHb和OxyHb信號反相關（詳見上文吸收光譜和示例）。

對話過程中大腦內功能連接性大于獨白期間：采用常規(guī)線性模型和心理生理互動（PPI）分析技術。
       旨在了解傳統(tǒng)人物相關、單個大腦功能連接性作用的分析，證實了面對面互動中對話的神經顯著性。大腦偏遠區(qū)域間功能連接性的測量表明，和獨白相比在對話過程中同步會增加。尤其是在一項面部敏感性大腦區(qū)域梭狀回（Kanwisher等人，1997年）被選定為重點區(qū)域的心理生理學互動（PPI）（Friston等人，1997年）的分析中，證實了面對面目光下對話可以增強威爾尼克語言區(qū)和布魯卡語言區(qū)之間神經共變的強度（圖7）。研究發(fā)現(xiàn)證實了對面對面過程中布魯卡語言區(qū)和威爾尼克語言區(qū)間互動性增加的規(guī)范性語言系統(tǒng)的預期。

對話過程中大腦間一致性大于獨白過程：旨在研究大腦間互動的大腦間一致性（采用小波比較）。
       根據(jù)內部（大腦內）功能連接性研究發(fā)現(xiàn)預計，這些區(qū)域在面對面條件下也會產生大腦間的共鳴。根據(jù)在每個通道獲得的分級信號的小波核心，為對話（紅色）和獨白（藍色）條件下的大腦間一致性（圖8A）進行了繪圖。對于兩個大腦間大腦區(qū)域所有可行配對都以不偏不倚的方式進行了考慮。僅在對話和獨白條件下發(fā)現(xiàn)了布魯卡-威爾尼克語言區(qū)配對的核心范圍內約6.34秒的大腦間一致性的顯著差異（x軸）。語言產生區(qū)域（布魯卡語言區(qū)）和語言接收區(qū)域（威爾尼克語言區(qū)）推定功能之間的大腦間一致性和這些研究發(fā)現(xiàn)一致，并且和以當前對這些區(qū)域的了解為基礎的預期結果一致（圖8B）（Jiang等人，2012年）。

 
圖7. 在雙方面對面目光下，對話條件下的大腦內功能連接性（PPI）大于獨白條件下。依據(jù)是梭狀區(qū)（綠色），連接區(qū)域（p ≤ 0.05）為布魯卡區(qū)（-55, 20, 16）和威爾尼克區(qū)（-48, -36, 40）deOxyHb信號。（Hirsch, J., Noah, A., Zhang, X., Yahil, S., Lapborisuth, P., & Biriotti, M.（2014年10月）。背外側前額葉皮層內于人際交流的神經專區(qū)：一項NIRS研究。神經系統(tǒng)科學協(xié)會年度會議上的演講，美國伊利諾斯州芝加哥。）

       這些研究表明了采用fNIRS和超高掃描技術研究互動人腦間動態(tài)關系的潛在未來方向。此外，語言超高掃描研究記錄了諸如語言系統(tǒng)組分等廣為人知的功能性神經解剖結構是可以采用fNIRS觀察到的，而且兩個個體間大腦一致性和同步的其他特征可以被作為新型探索方向進行研究，以便對作為社交互動神經事件基礎的未知問題進行表征。這些研究還證實了光極覆蓋范圍可涵蓋整個頭部表面的技術的優(yōu)勢（Zhang等人，2016；Zhang等人，2017年；Dravida等人，2017年）。由于神經系統(tǒng)依賴于多個區(qū)域之間的信號合作（整體性原則），zui成功的NIRS技術將取決于整個大腦的大腦功能采樣。潛在獲益包括可實現(xiàn)人際交往和相互交往過程中涉及的神經組織原則的方法及技術的標志性突破。進一步的研究可采用這些新的技術來進一步了解交流障礙的神經學基礎，以及發(fā)育障礙中的社交能力障礙的神經學基礎是如何偏離正常發(fā)育基礎的。

 之后我們應該怎么做？
       功能性NIRS是一種正在快速成長的神經成像技術，在過去的20年間每3.5年相關著作數(shù)量就會翻一倍（Boas等人，2014年），且目前的增長軌跡呈指數(shù)型。主要開發(fā)領域包括神經發(fā)育、感知和認知、運動控制、以及精神疾病及神經疾病和治療等傳統(tǒng)神經系統(tǒng)科學主流領域中應用的儀器、分析方法、以及實驗程序優(yōu)化。神經反饋（Lapborisuth等人，2017年）和成人沖突認知神經系統(tǒng)科學（Noah等人，2017年）的近期應用展現(xiàn)了這些新的目錄。不過，fNIRS的主要優(yōu)勢和自然環(huán)境中信號獲取相關，而不受到高磁場以及限制頭部運動及交流的不適成像條件帶來的局限性的限制。這些優(yōu)勢讓fNIRS成為了神經系統(tǒng)科學領域一種新前沿的潛力技術；這一前沿旨在了解社會行為和大腦間人際互動的神經相關性（Pinti等人，2015年；Noah等人，2015年；Hirsch等人，2017年）。旨在實現(xiàn)這一主要進展的各方各面基本已就緒。這一特定zui終目標的關鍵開發(fā)優(yōu)先事項
      包括：1) 專注于代表和系統(tǒng)及其他非神經組分區(qū)分的信號的神經貢獻的信號組分的計算算法（Kirilina等人，2012年； Zhang 等人，2016年）；2) 光極*覆蓋頭部以便獲取潛在遠程神經回路的動態(tài)活動；3) 同步EEG、fNIRS、以及眼部追蹤綜合測量（例如）用于遠程大腦機制綜合性報告的多模式系統(tǒng)。BRAIN倡議和fNIRS作為主流神經技術興起的共同發(fā)生，催動了專門針對兩個或以上個體之間人際互動的未開發(fā)神經系統(tǒng)的有效潛力。

圖8. 大腦間同步的一致性分析。A. 為獨白（藍線）和對話（紅線）條件下威爾尼克及布魯卡語言區(qū)（WA和BA）的deOxyHb fNIRS信號繪制了一致性，表明了和獨白相比對話條件下同步性顯著更高（p < 0.005），并且僅在面對面條件下觀察到。研究發(fā)現(xiàn)在成對受試者中具有雙邊意義，并且在目標區(qū)域方面無偏倚。B. 這些一致性研究結果于布魯卡和威爾尼克語言區(qū)（群組數(shù)據(jù)）。（Hirsch, J., Noah, A., Zhang, X., Yahil, S., Lapborisuth, P., & Biriotti, M.（2014年10月）。背外側前額葉皮層內于人際交流的神經專區(qū)：一項NIRS研究。神經系統(tǒng)科學協(xié)會年度會議上的演講，美國伊利諾斯州芝加哥。）

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