师生脑信息传递的证据：部分学习还是整体学习？

2018 年 8 月 26 日 人工智能学家

来源：华东师范大学心理与认知科学学院官网

2018年8月，胡谊课题组的研究论文Interpersonal synchronization of inferior frontal cortices tracks social interactive learning of a song被神经影像国际权威期刊《NeuroImage》接受。该研究采用基于功能性近红外脑成像（fNIRS）与多人同时扫描（hyperscanning）相结合的技术，探讨了人际大脑同步在社会互动学习中的作用机制。

人类大多数的学习是以互动形式来完成的；这包括观察和模仿、师生互动等。早在两千多年前，教育家们就提出了通过互动的形式传播知识（如“苏格拉底式对话“等）。然而，这种社会互动学习的神经机制尚不清楚。有意思的是，近年来的研究发现（如Cheng et al., 2015; Hu et al., 2017; Hu et al., 2018; Pan et al., 2017），人类在互动期间会产生大脑间的信号同步现象，这种同步机制与互动的过程和结果有密切的关系。人际大脑同步模式被认为支持了人类的社会认知加工，其在社会互动学习中是否也发挥重要作用呢？

为了回答上述问题，该课题组与英国伦敦大学学院研究人员合作，以24对教师-学生组合为研究对象，采集了教师在教授学生音乐歌曲期间的脑功能成像数据（图1A）。互动学习过程中，教师可采用“部分学习“（part learning，PL；逐句教唱）或”整体学习“（whole learning，WL；整首教唱）两种教学方法（图1B），师生双侧额颞顶皮层大脑活动被同步记录（图1C）。互动学习后，学生独立完成歌曲演唱（用以事后评估学习效果）。师生大脑活动随时间共同变化的关系被计算作为人际大脑同步的指标。整个实验过程由相机全程录像用以事后行为编码（图2）。

（图1. （A）社会互动学习范式。（B）部分学习和整体学习策略。（C）感兴趣脑区。）

（图2. 人际大脑同步与互动行为结合分析。（A）“部分学习”组的人际大脑同步时间序列。蓝点表示非歌唱互动行为；红点表示歌唱互动行为（学生观察阶段）；绿点表示歌唱互动行为（学生模仿阶段）。（B）视频中提取的对应互动学习行为。）

该研究主要发现，“部分学习“相比”整体学习“互动次数更多（图3B），带来的学习结果更好（图3A），且引发师生间额下回（inferior frontal cortex，IFC）出现同步现象（图4A-C）。通过进一步与视频编码的互动行为结合分析[包括歌唱互动行为（进一步细分为学生观察阶段和学生模仿阶段）、非歌唱互动行为和无互动行为]，发现这种人际大脑同步（interpersonal brain synchronization，IBS）现象在歌唱互动（vocal interaction，VI，图5A）期间，尤其是学生观察阶段（OBSERVATION，即教师示范期间，图6A）效应最强，且与学生学习结果显著相关(图4D，5B，6B)。值得注意的是，通过格兰杰因果分析，研究发现在学生观察期间，教师的大脑活动对于学生具有更高的预测效力（图6C）。这些发现对于我们理解社会互动学习的认知和神经过程具有重要理论意义，同时对于教学、临床实践也提供了重要借鉴。

（图3. 学习表现和互动学习行为。（A）学生学习表现。（B）互动学习行为次数。（C）互动学习行为持续时间比例。）

（图4. 人际大脑同步结果。（A）感兴趣频段。（B）人际大脑同步的单样本t检验。（C）人际大脑同步的组间差异。（D）人际大脑同步与学习表现之间的相关。）

（图5. 人际大脑同步与互动学习行为。（A）歌唱互动（VI）、非歌唱互动（NVI）、无互动（NI）期间的人际大脑同步。（B）人际大脑同步与互动学习行为的相关关系。）

（图6.歌唱互动行为期间的人际大脑同步。（A）歌唱互动期间，学生观察（OBSERVATION）、模仿(IMITATION)阶段的人际大脑同步。（B）学生观察期间的人际大脑同步与学生音高表现相关。（C）学生观察期间的格兰杰因果分析。教师对学生的大脑信号具有更高的预测效力。）

人-人高级社会互动的认知神经过程是心理学和神经科学研究领域的热点。近年来，该课题组采用脑电、近红外成像技术，结合多人同时扫描的方法，揭示了人类合作（Cheng et al., 2015; Pan et al., 2017）、决策(Hu et al., 2018)、亲社会行为(Hu et al., 2017)等一系列社会互动过程的人际大脑同步模式。

该研究论文主要由胡谊教授课题组博士生潘亚峰(现由华东师范大学和布鲁塞尔自由大学联合培养)与英国伦敦大学学院助理研究员Giacomo Novembre共同合作完成，通讯作者为胡谊教授。该研究得到了国家自然科学基金的资助。博士生潘亚峰得到了国家留学基金委、华东师范大学优秀博士论文培育计划的资助。本研究的阶段性结果在“社会脑互动脑健康脑”学术研讨会（2017）进行了口头汇报；完整数据结果在法国第四届功能性近红外年会（4th Annual Meeting of The French Community of Functional NIRS，2017）进行了口头报告展示。

参考文献

Pan, Y. (#), Novembre, N., Song, B., Li, X., & Hu, Y. (*) (2018). Interpersonal synchronization of inferior frontal cortices tracks social interactive learning of a song. NeuroImage

Hu, Y. (#, *), Pan, Y. (*), Shi, X., Cai, Q., Li, X., & Cheng, X. (2018). Inter-brain synchrony and cooperation context in interactive decision making. Biological Psychology, 133, 54-62.

Pan, Y.(#), Cheng, X.(#), Zhang, Z., Li, X., & Hu, Y.(*) (2017). Cooperation in lovers: An fNIRS‐based hyperscanning study. Human Brain Mapping, 38(2), 831-841.

Hu, Y. (#), Hu, Y., Li, X., Pan, Y., & Cheng, X. (*) (2017). Brain-to-brain synchronization across two persons predicts mutual prosociality. Social Cognitive and Affective Neuroscience, 12(12), 1835-1844.

Cheng, X. (#), Li, X. (*), & Hu, Y (*). (2015). Synchronous brain activity during cooperative exchange depends on gender of partner: A fNIRS-based hyperscanning study. Human Brain Mapping, 36(6), 2039-2048.