Нейронная синхронизация — это корреляция активности мозга у двух или более людей с течением времени. В социальной и аффективной нейронауке нейронная синхронизация конкретно относится к степени сходства между пространственно-временными нейронными колебаниями нескольких людей. Это явление представляет собой конвергенцию и сцепление нейрокогнитивных систем разных людей, и считается, что это нейронный субстрат для многих форм межличностной динамики и общего опыта. Некоторые исследования также называют нейронную синхронизацию межмозговой синхронизацией, связью мозга с мозгом, межсубъектной корреляцией, межмозговой связью или нейронной связью. В современной литературе нейронная синхронизация заметно отличается от внутримозговой синхронизации, иногда также называемой нейронной синхронизацией, которая обозначает сцепление активности в разных областях мозга одного человека.
Подходы нейронной синхронии представляют собой важный теоретический и методологический вклад в эту область. С момента своего зарождения исследования нейронной синхронии помогли прояснить механизмы, лежащие в основе социальных явлений , включая коммуникацию, обработку повествования, координацию и сотрудничество. Подчеркивая социальную динамику мозга, эта область исследований сыграла решающую роль в том, чтобы сделать нейронауку более настроенной на социальные склонности людей — перспектива, которая часто теряется при подходах к пониманию мозга на индивидуальном уровне.
Движимое желанием понять социальную природу человеческого мозга , изучение нейронной синхронии происходит из социального познания , подраздела психологии , который исследует, как мы понимаем и взаимодействуем с другими людьми посредством таких процессов, как ментализация или теория разума . [1] Учитывая, что она основана на измерении активности мозга , нейронная синхрония также имеет свои корни в когнитивной нейронауке . [2]
Несмотря на рост социального познания и когнитивной нейронауки до начала 2000-х годов, исследования мозга игнорировали межличностные процессы, сосредоточившись в основном на нейронных механизмах поведения людей. [2] Более того, исследования нейронауки, которые действительно исследовали социальные вопросы, изучали только то, как социальные процессы влияют на нейронную динамику в одном мозге. [3] Учитывая, что исследователи четко осознавали, насколько межличностное взаимодействие является основополагающим для человеческого познания, скудность исследований социальной и многомозговой нейронауки представляла собой напряженность в этой области. В ответ на несоответствие между сложностью социального взаимодействия и фокусом когнитивной нейронауки на одном мозге, исследователи призвали к многоличностному, ориентированному на взаимодействие подходу к пониманию мозга. [1] [2] [4] [5] [6]
В 2002 году американский нейробиолог П. Рид Монтегю [4] сформулировал необходимость изучения нейронной активности нескольких людей одновременно. До этого момента Монтегю и его коллеги писали: «Изучение социальных взаимодействий путем сканирования мозга только одного человека аналогично изучению синапсов при наблюдении либо пресинаптического нейрона, либо постсинаптического нейрона, но никогда обоих одновременно». [7] Они провели первое сканирование мозга более чем одного человека с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) для одновременной записи двух людей, участвующих в простой игре в обман. Хотя это исследование стало первым примером нейровизуализации нескольких мозгов, в 2005 году Кинг-Касас и другие [8] объединили нейровизуализацию с экономической игрой обмена, чтобы провести первое исследование, в котором напрямую сравнивалась нейронная активность между парами субъектов. [3] С тех пор исследования с использованием визуализации нескольких мозгов стали пользоваться все большей популярностью, что привело к формированию предварительных структур нейронной синхронности. [2]
Ранние концептуализации нейронной синхронности, в основном из лаборатории Хассона в Принстонском университете , были мотивированы моделями связи стимула с мозгом. В этих моделях аспекты физической среды испускают механические, химические и электромагнитные сигналы, которые мозг получает и преобразует в электрические импульсы, направляющие наши действия и позволяющие нам понимать мир. [2] Исследователи предположили, что синхронизация нейронной активности между двумя мозгами должна использовать ту же систему, которая связывает нейронную активность одного человека со стимулами окружающей среды. Если стимулом является другой человек, то перцептивная система одного мозга может соединяться с поведением или эмоциями другого человека, вызывая «косвенные активации» [9] , которые проявляются как синхронизированные нейронные реакции между воспринимающим и агентом. [2] Согласно теории, этот процесс также происходит посредством более сложных, синергических взаимодействий, особенно когда люди общаются и передают смысл. [10]
За последние два десятилетия нейронная синхрония стала все более распространенной темой изучения в социальных и аффективных нейробиологических исследованиях, стимулируя концептуальное и методологическое развитие. Наряду с акцентом на экологически обоснованных, натуралистических экспериментальных проектах, фокус на исследованиях нейронауки с участием нескольких мозговых структур увеличил способность исследователей изучать нейронную синхронию в социальных контекстах. В результате концептуализации нейронной синхронии были расширены, чтобы включить более широкий спектр идей, хотя ее часто рассматривают как нейронный коррелят для общего опыта двух или более людей. Исследования теперь включают в себя различные социальные процессы, с приложениями, охватывающими простую двигательную синхронизацию для обучения в классе. [3]
Заметные методологические достижения появились в результате развития методов мультимозговой визуализации за пределами фМРТ, особенно магнитоэнцефалографии / электроэнцефалографии (МЭГ/ЭЭГ) и функциональной ближней инфракрасной спектроскопии (фНИРС) — методов, которые позволяют проводить более социально интерактивные экспериментальные проекты. [3] [11] Эти технологии также дополняются комплексными методами обработки данных, которые полезны при мультимозговом анализе, [12] [13], такими как причинность по Грейнджеру [14] или значение фазовой синхронизации (PLV). [15]
Как прогрессивный парадигматический подход в социальной и аффективной нейронауке, нейронная синхрония лежит в основе поиска в этой области мозговой основы социального взаимодействия. [3]
Исследование, проведенное в 2022 году Хельсинкским университетом, измерило синхронизацию мозга у игроков во время совместных онлайн-видеоигр . [16]
Изучение нейронной синхронности основано на передовых методах нейровизуализации , в частности гиперсканировании. Придуманное в 2002 году Монтегю и др. [4], гиперсканирование относится к методу одновременного измерения гемодинамических или нейроэлектрических реакций двух или более мозгов, когда они взаимодействуют с одной и той же задачей или стимулом. [17] [18] [19] Возможность регистрировать заблокированную по времени активность из нескольких мозгов делает гиперсканирование благоприятным для изучения вариации активности в разных мозгах. Оно также позволяет экспериментаторам изучать различные аспекты нейронных записей в естественных сценариях, от обработки стимулов низкого уровня до социального познания высокого уровня. [13] По этим причинам гиперсканирование помогло способствовать систематическому исследованию межличностной динамики на уровне мозга. [19] [20]
Хотя гиперсканирование стало наиболее распространенной техникой визуализации для изучения нейронной синхронности, исследователям не обязательно сканировать мозг одновременно. Иногда его называют офлайн-измерением или «псевдогиперсканированием»; [20] этот альтернативный подход следует той же базовой предпосылке, что и гиперсканирование, за исключением того, что активность мозга участников регистрируется по одному за раз. Затем данные из разных сканирований изолированных участников анализируются для сравнения функциональных сходств во время идентичных задач или стимулов. [18] [19]
Методы гиперсканирования и офлайнового сканирования могут быть достигнуты с помощью обычных неинвазивных гемодинамических или нейроэлектрических методов визуализации мозга. Обзор исследований гиперсканирования нейронной синхронности показал, что наиболее распространенными методами являются ЭЭГ, фНИРС и фМРТ, на которые приходится 47%, 35% и 17% исследований соответственно. [3] Каждый метод предлагает уникальный вклад в понимание нейронной синхронности, учитывая их относительные преимущества и ограничения. [18]
ЭЭГ измеряет электрическую активность мозга через кожу головы. Она широко используется для изучения нейронной синхронности из-за своего превосходного временного разрешения в миллисекундном диапазоне . [21] Хотя ЭЭГ восприимчива к движениям головы, она все же позволяет исследовать нейронную синхронность с помощью натуралистических конструкций, где люди могут взаимодействовать социально. [11] Недостатком ЭЭГ является ее относительно низкое пространственное разрешение , что затрудняет выяснение пространственных качеств активации мозга в социальных контекстах. [18]
fNIRS использует волны ближнего инфракрасного диапазона для измерения реакции мозга, зависящей от уровня кислорода в крови (BOLD). Это все более популярный метод визуализации для исследований нейронной синхронности из-за его портативности и толерантности к движению , что делает его идеальным для тестирования реальных социальных стимулов. [22] fNIRS измеряет только корковые области мозга , и его временное разрешение не такое хорошее, как у ЭЭГ. Однако баланс между пространственными и временными свойствами в сочетании со способностью субъектов двигаться и взаимодействовать с относительной свободой во время сканирования квалифицирует fNIRS как универсальный вариант для исследования нейронной синхронности. [3]
фМРТ использует магнитный резонанс для измерения BOLD-реакции мозга. Главным преимуществом фМРТ является точное пространственное разрешение. фМРТ позволяет исследователям изучать глубокие нейрокогнитивные процессы, происходящие в мозге. Однако фМРТ имеет низкое временное разрешение, очень чувствительна к движению и требует, чтобы субъекты лежали плашмя в громком аппарате МРТ, взаимодействуя с экраном. Эти факторы накладывают ограничения на изучение нейронной синхронности, которое часто требует натуралистичных сред и задач, которые являются репрезентативными для социальных контекстов реального мира. [3] [6]
Стандартным подходом к исследованию нейронной синхронности, особенно с данными из натуралистических экспериментальных проектов, является межсубъектная корреляция (ISC). [23] [24] Часто ISC представляет собой корреляцию Пирсона или надежную регрессию пространственно-временных паттернов нейронной активности у нескольких субъектов. В ISC реакции мозга отдельного человека либо коррелируют со средним значением других субъектов в анализе с исключением одного, либо все пары субъектов коррелируют в парном анализе. [13] Этот метод использует стимулы, привязанные ко времени, чтобы понять, как активность мозга у разных участников связана с различными частями задачи. Вместо того чтобы сосредотачиваться на силе активации в областях мозга, ISC исследует изменчивость нейронной активности у разных субъектов, [25] позволяя исследователям исследовать уровень сходства или идиосинкразии в реакциях мозга людей. [26] Предполагается, что общая дисперсия нейронной активности указывает на схожую обработку идентичных стимулов или задач. Подобно общей линейной модели , важно сравнивать значения ISC с нулем, который может быть получен из записей состояний покоя или нерелевантных стимулов. Поскольку он зависит от расширенных конструкций, которые позволяют регистрировать активность с течением времени, ISC особенно подходит для исследований социального взаимодействия, что делает его мощным подходом для изучения нейронной синхронности в социальных контекстах. Однако ISC зависит от реакций, вызванных стимулами, что создает трудности для исследователей, интересующихся активностью в состоянии покоя. [27]
Недавно был предложен межсубъектный репрезентативный анализ сходства (IS-RSA) как способ обнаружения индивидуальных различий или «идиосинхронии» среди людей, испытывающих натуралистические экспериментальные стимулы. Этот анализ берет нейронную синхронность каждого субъекта с другими субъектами и связывает ее с известными индивидуальными поведенческими мерами, позволяя исследователям сравнивать данные мозга на уровне нескольких людей с индивидуальными чертами и поведением. [13] [28]
Нейронная синхронизация — относительно новая область исследований, которая предлагает множество подходов, и не существует преобладающей парадигмы для сбора, анализа и интерпретации данных. Многие решения, такие как методы визуализации или методы анализа, зависят от целей исследователей. Однако существуют некоторые общепринятые наилучшие практики при разработке этих экспериментов. Например, для получения надежных и воспроизводимых статистических карт ISC необходимы размеры выборки около 30. [27] Кроме того, при изучении общих ответов исследователи обычно предпочитают сильный стимул, который способен генерировать значительные мозговые реакции, что позволяет исследователям обнаруживать более высокие уровни нейронной синхронности среди участников. Исключением из этого предпочтения являются случаи, когда исследователи больше заинтересованы в индивидуальных различиях, которые управляют синхронностью. В этих случаях исследователи должны использовать стимулы, которые достаточно сильны, чтобы вызвать нейронную синхронность, но при этом достаточно скромны, чтобы поддерживать достаточную нейронную изменчивость, которую исследователи могут впоследствии связать с изменчивостью поведенческих мер. [29] [13]
Одно из самых важных соображений при проведении исследований нейронной синхронности касается экологической обоснованности дизайна. Как по сути социальное явление, нейронная синхронность требует многомерных стимулов, которые имитируют богатство социального мира. [17] [30] Более того, по своей природе, как она измеряется — посредством вычисления дисперсии в ответах нескольких мозгов на задачу с течением времени — нейронная синхронность особенно поддается расширенным социальным стимулам. Экологические проекты особенно сложны в большинстве исследований нейровизуализации, однако они особенно важны для фиксации социальных процессов, и они также играют на сильных сторонах и возможностях подходов нейронной синхронности. [17]
Изучение нейронной синхронии посредством многомозговых исследований дало представление об общих и идиосинкразических аспектах человеческого общения. Как потенциальный нейронный механизм для эффективной передачи информации через мозг, нейронная синхрония показала, как активность мозга временно и пространственно соединяется, когда люди общаются. Синхрония во время общения происходит в ряде частот и областей мозга, в частности, в альфа- и гамма-диапазонах, височно-теменном соединении и нижних лобных областях. [18]
В основополагающем исследовании Стивенс и др. [31] продемонстрировали эту межмозговую связь с помощью анализа фМРТ говорящих и слушателей. Используя пространственные и временные нейронные реакции говорящего для моделирования реакций слушателя во время естественной вербальной коммуникации, они обнаружили, что активность мозга синхронизировалась в диадах как отсроченным, так и упреждающим образом, но эта синхронность не возникала, когда субъекты не общались (например, говорили на языке, которого слушатель не понимает). Более высокая синхронность между мозгом, особенно в предиктивных упреждающих ответах, указывала на лучшие результаты по показателям понимания. Основываясь на этой работе, другие исследования стремились точно определить коммуникативные факторы, связанные с нейронной синхронностью. Манипулируя модальностью разговора и инструкциями, исследование обнаружило, что нейронная синхронность сильнее всего во время личных разговоров, которые включают в себя поведение очередности и мультисенсорное вербальное и невербальное взаимодействие. [32] [33] Динамика структуры сети также играет роль в нейронной синхронности, так что центральные фигуры, такие как лидеры беседы, как правило, демонстрируют большую нейронную синхронность, чем не лидеры с другими партнерами по обсуждению. [34]
Нейронная синхронизация также обнаруживается в невербальной коммуникации, такой как жесты рук и выражения лица. Раннее исследование обнаружило синхронизацию между участниками, играющими в шарады. Используя фМРТ для записи активности мозга, когда люди жестикулировали или наблюдали за жестами, исследователи обнаружили синхронизированные временные изменения в активности мозга в зеркальных нейронах и ментализирующих системах. [14] Другое исследование показало, что коммуникативное поведение, такое как общий взгляд и позитивное выражение эмоций, порождает нейронную синхронизацию у романтических партнеров, хотя и не у незнакомцев. [35] В целом, исследования нейронной синхронизации, охватывающие вербальную, мультисенсорную и невербальную коммуникацию, демонстрируют ее потенциал как инструмента для изучения основных механизмов межличностного общения. [2]
Другое направление исследований нейронной синхронии включает в себя повествовательную обработку. Это направление исследований имеет некоторое пересечение с исследованиями нейронной синхронии коммуникации, но сохраняется достаточный интерес к сходствам и различиям в том, как люди конкретно обрабатывают мультимодальную повествовательную информацию, такую как просмотр фильмов, слушание историй или чтение отрывков. Важно, что исследования повествовательной обработки нейронной синхронии наблюдают иерархические уровни обработки, которые разворачиваются с течением времени, [36] [37] начиная с областей, ответственных за низкоуровневую обработку слуховых или визуальных стимулов. По мере того, как семантическая информация становится более заметной в повествовании, синхронизированная обработка перемещается в более интегративные сети, такие как нижняя теменная доля или височно-теменное соединение. [36]
Исследования показывают, что нейронная синхронность указывает на сходство в повествовательном воспоминании и понимании людьми, даже для неоднозначных повествований. Одно исследование продемонстрировало это явление с использованием классической парадигмы Хайдера и Зиммеля [38] , где простые формы движутся по экрану таким образом, что люди наделяют формы историями и социальным значением. [39] Участники, которые интерпретировали движение форм схожим образом, показали большую нейронную синхронность в корковых областях мозга. Эта связь между нейронной синхронностью и сходством в понимании надежно встречается в других типах повествований, включая прослушивание историй и свободный просмотр визуального контента, [40] [41] [23] и сохраняется на разных этапах повествования, таких как потребление истории, припоминание истории и прослушивание того, как другой человек вспоминает историю. В совокупности эти результаты подчеркивают нейронную синхронность как надежный нейронный механизм для конвергенции иерархической повествовательной обработки людей, предполагая, что синхронность играет решающую роль в том, как, если и почему мы видим смысл в мире одинаково. [42] [43]
Достижение сложных целей для отдельных лиц или групп зависит от успешной координации, и нейронная синхронизация также дает окно в основные механизмы этих процессов. Обзор исследований гиперсканирования показывает, что подходы нейронной синхронизации исследовали координацию через ряд парадигм, включая совместное внимание , движения, идеи и задачи. [18] Эти результаты также демонстрируют синхронизацию в различных областях мозга, связанных с совместными действиями и ментализацией, а именно в нижних и височных теменных областях, а также в альфа-диапазоне и других частотах. Кроме того, сходящиеся доказательства свидетельствуют о том, что межмозговые модели (т. е. нейронная синхронизация) более эффективны, чем внутримозговые модели, при прогнозировании производительности для задач, требующих социальной координации. [18]
Понимание того, как координация посредством совместного внимания связана с нейронной синхронизацией, и как эта связь влияет на производительность, представляет особый интерес для исследователей. Исследования показывают, что даже простые социальные взаимодействия, такие как конвергенция внимания, могут вызывать синхронизацию. Например, в задаче, где один участник должен направить другого участника к целевому месту только с помощью взгляда, что требует, чтобы оба участника в конечном итоге координировали движения глаз, исследователи обнаружили значительную нейронную синхронизацию в ментализирующих областях взаимодействующих пар. [44] Другие исследования показывают сильную нейронную синхронизацию во время простых координированных событий, таких как имитация движения рук и пальцев, [45] [46] жужжание, [47] и даже моргание глазами. [48]
Исследования координации также обнаруживают нейронную синхронность в более сложных социальных координациях. Ряд исследований продемонстрировал распространенность нейронной синхронности в создании музыки, когда люди координируют ритмы и движения. Ранние исследования показали, что диады гитаристов генерируют большую нейронную синхронность в низкочастотном диапазоне при совместной игре, чем при игре соло. [49] Кроме того, люди, которые исполняли различные роли в сложной музыкальной пьесе, демонстрировали синхронность между мозгами во время периодов координации. [50] Другая серия исследований изучала пилотов и вторых пилотов в летном симуляторе, обнаружив, что синхронность была сильнее, когда ситуация требовала большей социальной координации, например, во время стрессовых ситуаций или взлета и посадки. [51] [52] Эти результаты указывают на нейронную синхронность как на надежный коррелят социальной координации, даже когда взаимодействия требуют координации различных форм и сложности. [53]
Результаты, полученные с помощью задач, включающих интерактивное принятие решений и игры, показывают тесную связь между нейронной синхронностью и сотрудничеством. Контексты принятия решений и игры, требующие более высокого уровня социального, высокоуровневого и целенаправленного взаимодействия с другими людьми, как правило, более способствуют нейронной синхронности. [54] В этой области исследователи особенно заинтересованы в том, как уровни нейронной синхронности изменяются в зависимости от того, сотрудничают ли люди, соревнуются или играют в одиночку. [3] [11]
Например, одно исследование, в котором использовалась компьютерная видеоигра, обнаружило высокий уровень нейронной синхронности — и лучшую производительность — у испытуемых, когда они играли в одной команде, но этот эффект исчезал, когда люди играли друг против друга или сами по себе. [55] Аналогичным образом, исследователи, которые проводили задание по решению головоломок, обнаружили нейронную синхронность у людей, когда они работали в команде, но синхронность снижалась у тех же людей, когда они работали отдельно или наблюдали, как другие решали головоломку. [56] Другое исследование с использованием классической игры «дилемма заключенного» показало, что участники испытывали более высокую нейронную синхронность друг с другом в условиях контекста высокой кооперации, чем в условиях контекста низкой кооперации или когда они взаимодействовали с компьютером. [57] Субъективные измерения воспринимаемой кооперативности опосредовали этот эффект. Важно, что идея о том, что нейронная синхронность надежна во время кооперации, что более интерактивные и сложные кооперативные задачи требуют большей нейронной синхронности и что лучшее сотрудничество часто связано с лучшей производительностью, подтверждается во всей литературе по нейронной синхронности. [11] [17]
Большая часть литературы по нейронной синхронности исследует, как стимулы управляют реакциями в нескольких мозгах. Поскольку эти реакции часто зависят от задачи, становится трудно отделить факторы на уровне состояния от факторов на индивидуальном уровне (например, черты). Однако творческие экспериментальные разработки, доступ к определенным группам населения и достижения в методах анализа, таких как IS-RSA, предложили некоторые недавние идеи о том, как различия на индивидуальном уровне влияют на нейронную синхронность. [13]
Используя неоднозначное социальное повествование, Финн и др. [58] сообщают, что люди с паранойей с высокой чертой характера показали более сильную нейронную синхронность друг с другом в социально мотивированных корковых областях, чем с субъектами с паранойей с низкой чертой характера — открытие, которое также масштабируется при изучении семантических и синтаксических сходств их повествовательных воспоминаний. Аналогичным образом, исследования показывают, что когнитивные стили людей влияют на уровень их синхронности друг с другом. В ответ на просмотр фильма Бача-Трамс и др. продемонстрировали, что целостные мыслители показали большую нейронную синхронность друг с другом и, предположительно, поняли фильм более схоже, чем аналитические мыслители друг с другом. Две группы также продемонстрировали внутригрупповую синхронность в разных областях мозга. [59]
Идея о том, что различия на индивидуальном уровне влияют на нейронную синхронность, распространяется и на клинические области. Некоторые исследования показывают, что люди, которые справляются с расстройством аутистического спектра, демонстрируют отчетливые и ослабленные модели нейронной синхронности по сравнению с людьми без расстройств аутистического спектра. [60] [61] Также было показано, что клинически обусловленные расхождения в нейронной синхронности увеличиваются вместе с тяжестью симптомов. [62]
Нейронная синхронизация имеет важные последствия для подхода «мозг как предиктор», который поощряет использование данных нейровизуализации для прогнозирования надежных, экологически обоснованных поведенческих результатов. Подход «мозг как предиктор» оказался эффективным в прогнозировании результатов в различных областях, включая здоровье и выбор потребителей. Учитывая его социальную природу, нейронная синхронизация имеет потенциал для построения моделей «мозг как предиктор», позволяя делать прогнозы о реальных социальных процессах. Некоторые исследователи начали использовать этот подход. [63]
В одном исследовании участники ограниченной социальной сети смотрели ряд коротких аудиовизуальных фильмов в сканере МРТ. Выдвинув гипотезу, что сходство нейронных реакций отслеживается с социальной близостью, исследователи использовали силу нейронной синхронности среди участников, чтобы надежно предсказать близость и дружбу в реальной социальной сети. Другой пример того, как нейронная синхронность может быть использована для прогнозирования результатов, включает использование нейронных референтных групп, которые могут предсказывать поведение, такое как партийная позиция по спорным темам на уровнях выше случайности. Этот подход требует выявления групп людей, которые воспринимают и реагируют на мир схожим образом, измерения их мозговой активности и диспозиционных установок, связанных с любыми интересующими стимулами, а затем использования метода классификации на основе синхронии, чтобы предсказать, видят ли новые люди мир схожим или другим образом в зависимости от их синхронности с референтной группой. В совокупности эти результаты иллюстрируют силу и потенциал нейронной синхронности вносить вклад в модели мозга как предиктора, в конечном итоге формируя нейронную синхронность как инструмент для понимания результатов реального мира, выходящий за рамки одних только поведенческих измерений. [64]