发展性fNIRS超扫描数据流程优化应用:4-6 岁儿童与母亲协作神经连贯性
2025-07-14 来源:本站 点击次数:143
发展性fNIRS超扫描数据的分析流程优化：4 至 6 岁儿童与其母亲协作时的神经连贯性
背景介绍
儿童的大部分学习发生在与父母、兄弟姐妹和同龄人的互动中。少数发展研究发现，儿童与他人的互动中会引发神经同步现象（两个或多个人之间神经活动的时间对齐）可以作为揭示亲子协作机制的核心切入点。当 4-6 岁儿童与照料者互动时，大脑特定区域的活动会呈现“同步化”特征，但这类发现面临两大方法学挑战：
生理噪声干扰：头皮血流、心率等非脑信号容易被误判为神经同步，导致结果偏差；
机制模糊性：互动中的同步性究竟源于任务共享，还是真实的社交动态耦合？
图1. 文章信息
伦敦大学学院团队在《Imaging Neuroscience》杂志发表了题为 “Analytical pipeline optimisation in developmental fNIRS hyperscanning data: Neural coherence between 4- to 6-year-old children collaborating with their mothers” 的文章，通过系统性优化 fNIRS 分析流程，在自然协作场景中，分离出由社交互动驱动的神经同步信号，为儿童 “社会脑”发育研究建立了方法学范式。
研究方法
被试
47 对母子（儿童年龄 4.01-6.90 岁，平均 5.11±0.83 岁，21 名女童），均为足月出生的典型发育儿童。
排除标准：父亲参与（n=1）、拒绝佩戴 fNIRS 帽（n=5）、技术误差（n=5）、数据质量不达标（n=2）。
来实验室之前，母亲需提前通过线上填写知情同意书及父母压力量表（PSS），评估自身压力水平。
实验任务
七巧板拼图任务：模仿真实生活中的协作情境，要求母子合作完成拼图。采用三条件随机交叉设计，每次持续120秒，任务间有80秒休息阶段（观看风景视频或闭眼休息）（图2）。
完全合作：母子面对面共同完成，允许语言、表情、动作的全通道互动；
半屏合作：用半帘遮挡面部，无法观察对方脸部但能看到对方手部动作，验证面部线索对同步性的影响；
个体任务：完全分隔母子，排除社交互动因素。
研究人员通过回看视频，人工统计出母子俩正确拼出的七巧板数量，再结合他们完成任务的快慢节奏，把这些行为数据和大脑信号变化对应起来，就能看出神经同步程度和协作效率之间的关系。
fNIRS数据采集
使用双台 Brite MKII 系统同步采集母子脑信号，覆盖前额叶（PFC）和颞顶联合区（TPJ）。每顶帽含 16 个长距通道（Long-Separation Channel, LSC）, 儿童帽源 - 探测器间距 25mm，母亲 30mm，用来探测皮层氧合血红蛋白（HbO₂）和脱氧血红蛋白（HbR）浓度变化；还包括 2 个短距通道（Short-Separation Channel, SSC），均为10mm，用来捕捉头皮浅层血流用于生理噪声校正（图3）。
fNIRS数据处理
数据预处理用 Homer2 工具包检查原始信号，剔除信噪比低的通道（如探测器故障、光接触差或运动干扰大的通道）。强度信号转成光密度变化，再用小波法校正运动干扰（儿童参数设为 0.8，母亲设为 1.5），最后用 0.01-0.5Hz 滤波器去噪。按年龄调整光程因子（DPF）：儿童用 5.4 和 4.7，母亲用 6 和 6，算出血红蛋白浓度。
在进一步分析前，先对目标 fNIRS 信号中的生理干扰进行降噪处理。通过全局表面信号回归（superficial signal regression，SSR）将短距通道的平均信号从每个长距通道（LSC）信号中回归出去，以减少脑外层生理噪声，从而实现皮层组织血红蛋白浓度变化的精确分析。
小波变换连贯性（Wavelet transform coherence analysis， WTC）：聚焦 0.02-0.1Hz 频段（对应血流动力学响应），计算母子脑区信号的时频同步性；对母亲信号进行 100 次相位打乱，生成无时间相关性的伪配对数据，来验证同步性是否依赖实时互动（也即真实配对）（图4）。WTC 分析流程和脚本已开源（https://github.com/vmousley/pc_fNIRS_hyperscanning）。
关键实验结果
1. SSR 显著降低伪同步信号
完全合作场景中，表面信号回归（SSR）处理后，前额叶（PFC）和颞顶联合区（TPJ）的 HbO₂连贯性平均降低 15%，HbR 在合作条件下降低约 12%（图5）。证实原始数据中约 12-18% 的同步性可能由头皮血流等非脑信号驱动，SSR 是发育性 fNIRS 研究的必备步骤。
2. 合作任务驱动的脑区同步性
在完全合作和半屏合作条件下，前额叶 HbO₂连贯性显著高于个体任务（图6），该区域可能参与动作协调、语言交流及社交意图理解 。颞顶联合区（TPJ）在真实配对中的 HbO₂/HbR 连贯性显著高于伪配对，尤其在完全合作场景中，提示该区域与实时互动中的心理理论（如意图推测）相关。
3. 面部信息对脑区同步的影响
完全合作与半屏合作条件下，前额叶和颞顶叶的 HbO₂/HbR 连贯性无显著差异，表明这些脑区的同步性主要由手部协作、语言交流等非面部线索驱动。
4. 神经同步与行为变量的脑区关联
前额叶 HbO₂连贯性与正确拼图数量呈正相关，提示该区域神经耦合强度可预测协作效率 。母亲压力与前额叶 HbO₂连贯性负相关，但与颞顶叶 HbR 连贯性正相关，可能反映不同脑区对压力的响应差异。
5. 脑区同步的机制验证
前额叶和颞顶叶的真实配对连贯性显著高于伪配对，排除任务共性解释，确认脑区同步由实时社交动态驱动 。按脑区聚合数据后，颞叶区域在合作条件下的同步性差异最显著，可能与听觉 - 运动整合相关 。
结论
该研究证实，4-6 岁儿童与母亲在协作任务中的神经同步主要发生在前额叶皮层（尤其前额叶中回）和颞顶联合区，这些脑区通过处理社交认知、动作协调及语言互动信号驱动同步性。生理噪声对前额叶 HbO₂信号干扰最强，需通过 SSR 校正；母亲压力主要削弱前额叶同步性。研究结果为儿童社交脑发育提供了脑区特异性证据，并强调前额叶 - 颞顶叶网络在亲子互动中的核心作用。
原文链接
Victoria St. Clair, Letizia Contini, Rebecca Re, Paola Pinti, Denis Mareschal; Analytical pipeline optimisation in developmental fNIRS hyperscanning data: Neural coherence between 4- to 6-year old children collaborating with their mothers. Imaging Neuroscience 2025.
https://doi.org/10.1162/imag_a_00509
研究团队介绍
本文作者包括 Victoria St. Clair、Letizia Contini、Rebecca Re、Paola Pinti、Denis Mareschal，分别来自伦敦大学伯克贝克学院脑与认知发展中心、米兰理工大学物理系、意大利国家研究委员会光子学与纳米技术研究所、伦敦大学学院医学物理与生物医学工程系等机构。
关于维拓启创
维拓启创（北京）信息技术有限公司成立于2006年，是一家专注于脑科学、康复工程、人因工程、心理学、体育科学等领域的科研解决方案供应商。公司与国内外多所大学、研究机构、企业长期保持合作关系，致力于将优质的产品、先进的技术和服务带给各个领域的科研工作者，为用户提供有竞争力的方案和服务，协助用户的科研工作，持续提升使用体验。
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背景介绍
儿童的大部分学习发生在与父母、兄弟姐妹和同龄人的互动中。少数发展研究发现，儿童与他人的互动中会引发神经同步现象（两个或多个人之间神经活动的时间对齐）可以作为揭示亲子协作机制的核心切入点。当 4-6 岁儿童与照料者互动时，大脑特定区域的活动会呈现“同步化”特征，但这类发现面临两大方法学挑战：
生理噪声干扰：头皮血流、心率等非脑信号容易被误判为神经同步，导致结果偏差；
机制模糊性：互动中的同步性究竟源于任务共享，还是真实的社交动态耦合？
图1. 文章信息伦敦大学学院团队在《Imaging Neuroscience》杂志发表了题为 “Analytical pipeline optimisation in developmental fNIRS hyperscanning data: Neural coherence between 4- to 6-year-old children collaborating with their mothers” 的文章，通过系统性优化 fNIRS 分析流程，在自然协作场景中，分离出由社交互动驱动的神经同步信号，为儿童 “社会脑”发育研究建立了方法学范式。
研究方法
被试
47 对母子（儿童年龄 4.01-6.90 岁，平均 5.11±0.83 岁，21 名女童），均为足月出生的典型发育儿童。
排除标准：父亲参与（n=1）、拒绝佩戴 fNIRS 帽（n=5）、技术误差（n=5）、数据质量不达标（n=2）。
来实验室之前，母亲需提前通过线上填写知情同意书及父母压力量表（PSS），评估自身压力水平。
实验任务
七巧板拼图任务：模仿真实生活中的协作情境，要求母子合作完成拼图。采用三条件随机交叉设计，每次持续120秒，任务间有80秒休息阶段（观看风景视频或闭眼休息）（图2）。
完全合作：母子面对面共同完成，允许语言、表情、动作的全通道互动；
半屏合作：用半帘遮挡面部，无法观察对方脸部但能看到对方手部动作，验证面部线索对同步性的影响；
个体任务：完全分隔母子，排除社交互动因素。
研究人员通过回看视频，人工统计出母子俩正确拼出的七巧板数量，再结合他们完成任务的快慢节奏，把这些行为数据和大脑信号变化对应起来，就能看出神经同步程度和协作效率之间的关系。
图 2. 实验任务：完全合作(FC)，半屏合作(CwS)，个体任务(T)
fNIRS数据采集
使用双台 Brite MKII 系统同步采集母子脑信号，覆盖前额叶（PFC）和颞顶联合区（TPJ）。每顶帽含 16 个长距通道（Long-Separation Channel, LSC）, 儿童帽源 - 探测器间距 25mm，母亲 30mm，用来探测皮层氧合血红蛋白（HbO₂）和脱氧血红蛋白（HbR）浓度变化；还包括 2 个短距通道（Short-Separation Channel, SSC），均为10mm，用来捕捉头皮浅层血流用于生理噪声校正（图3）。
图3. 光极和通道配置示意图
fNIRS数据处理
数据预处理用 Homer2 工具包检查原始信号，剔除信噪比低的通道（如探测器故障、光接触差或运动干扰大的通道）。强度信号转成光密度变化，再用小波法校正运动干扰（儿童参数设为 0.8，母亲设为 1.5），最后用 0.01-0.5Hz 滤波器去噪。按年龄调整光程因子（DPF）：儿童用 5.4 和 4.7，母亲用 6 和 6，算出血红蛋白浓度。
在进一步分析前，先对目标 fNIRS 信号中的生理干扰进行降噪处理。通过全局表面信号回归（superficial signal regression，SSR）将短距通道的平均信号从每个长距通道（LSC）信号中回归出去，以减少脑外层生理噪声，从而实现皮层组织血红蛋白浓度变化的精确分析。
小波变换连贯性（Wavelet transform coherence analysis， WTC）：聚焦 0.02-0.1Hz 频段（对应血流动力学响应），计算母子脑区信号的时频同步性；对母亲信号进行 100 次相位打乱，生成无时间相关性的伪配对数据，来验证同步性是否依赖实时互动（也即真实配对）（图4）。WTC 分析流程和脚本已开源（https://github.com/vmousley/pc_fNIRS_hyperscanning）。
图4. 真实配对（A）与伪配对（B）的 WTC 分析流程
关键实验结果
1. SSR 显著降低伪同步信号
完全合作场景中，表面信号回归（SSR）处理后，前额叶（PFC）和颞顶联合区（TPJ）的 HbO₂连贯性平均降低 15%，HbR 在合作条件下降低约 12%（图5）。证实原始数据中约 12-18% 的同步性可能由头皮血流等非脑信号驱动，SSR 是发育性 fNIRS 研究的必备步骤。
图5. 表面信号回归（SSR）处理对不同实验条件下神经同步性的影响
2. 合作任务驱动的脑区同步性
在完全合作和半屏合作条件下，前额叶 HbO₂连贯性显著高于个体任务（图6），该区域可能参与动作协调、语言交流及社交意图理解 。颞顶联合区（TPJ）在真实配对中的 HbO₂/HbR 连贯性显著高于伪配对，尤其在完全合作场景中，提示该区域与实时互动中的心理理论（如意图推测）相关。
图6. 通道水平条件对比的显著性示意图
3. 面部信息对脑区同步的影响
完全合作与半屏合作条件下，前额叶和颞顶叶的 HbO₂/HbR 连贯性无显著差异，表明这些脑区的同步性主要由手部协作、语言交流等非面部线索驱动。
4. 神经同步与行为变量的脑区关联
前额叶 HbO₂连贯性与正确拼图数量呈正相关，提示该区域神经耦合强度可预测协作效率 。母亲压力与前额叶 HbO₂连贯性负相关，但与颞顶叶 HbR 连贯性正相关，可能反映不同脑区对压力的响应差异。
5. 脑区同步的机制验证
前额叶和颞顶叶的真实配对连贯性显著高于伪配对，排除任务共性解释，确认脑区同步由实时社交动态驱动 。按脑区聚合数据后，颞叶区域在合作条件下的同步性差异最显著，可能与听觉 - 运动整合相关 。
结论
该研究证实，4-6 岁儿童与母亲在协作任务中的神经同步主要发生在前额叶皮层（尤其前额叶中回）和颞顶联合区，这些脑区通过处理社交认知、动作协调及语言互动信号驱动同步性。生理噪声对前额叶 HbO₂信号干扰最强，需通过 SSR 校正；母亲压力主要削弱前额叶同步性。研究结果为儿童社交脑发育提供了脑区特异性证据，并强调前额叶 - 颞顶叶网络在亲子互动中的核心作用。
原文链接
Victoria St. Clair, Letizia Contini, Rebecca Re, Paola Pinti, Denis Mareschal; Analytical pipeline optimisation in developmental fNIRS hyperscanning data: Neural coherence between 4- to 6-year old children collaborating with their mothers. Imaging Neuroscience 2025.
https://doi.org/10.1162/imag_a_00509
研究团队介绍
本文作者包括 Victoria St. Clair、Letizia Contini、Rebecca Re、Paola Pinti、Denis Mareschal，分别来自伦敦大学伯克贝克学院脑与认知发展中心、米兰理工大学物理系、意大利国家研究委员会光子学与纳米技术研究所、伦敦大学学院医学物理与生物医学工程系等机构。
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