人與人之間腦電波同步是如何實現的？

原創 Sofia Quaglia 酷炫腦

Via：yuri kartashev

作者 | Sofia Quaglia

翻譯 | 棉花熊

審校 | 酷炫腦

朗讀 | 胡恩

美工 | Jenny

編輯 | YJ

由於將一個大腦嵌入到一個社會結構中會改變它和其他大腦的表現，所以只孤立地研究個體的大腦是沒有意義的，因為它不能提供動物的社會性的全貌。

人類並不是唯一一種會嚴格遵守社會規範的生物。如果一群成年雄性恆河猴發現自己坐在一個擺滿食物的旋轉桌子旁，它們會表現出“我撓你的背，你撓我的背”的互惠精神。一隻猴子會給另一隻猴子一塊水果，更重要的是，它會期望得到回報。如果對方沒有主動回報，第一隻猴子很可能會報復，也就是在下一次輪到它的時候拒絕放棄任何東西。猴子們也喜歡結成小團體——如果它們看到一隻猴子對另一隻猴子很好，它們就會集體對第一隻猴子表現出友好。如果你仔細觀察的話，你會發現，這看起來就像一群朋友在酒吧裡互相買酒。

Via：Jesslyn Shields

儘管幾十年來的動物研究已經打破了“社會性是我們人類所獨有的”這一神話，但科學家們仍然不清楚個體動物是如何保留它們所處的“社會”結構的資訊的。猴子們僅僅是透過一種複雜的映象方式互相模仿並分享食物嗎？或者他們真的在時刻留意自己和他人的行為，以便在更廣泛的社會動態中做出決定嗎？

多年來，生物學家透過不同的視角來嘗試回答這類問題。儘管19世紀的博物學家關注的是動物行為的心理和生理方面，但直到20世紀30年代，出現了尼古拉·丁伯根（Nikolaas Tinbergen）和卡爾·馮·弗裡施（Karl von Frisch）等動物學家的開創性工作之後，該領域才重新聚焦於如何從進化的角度解釋社會行為。

隨著動物行為學這門現代學科的出現，我們就有了兩種主要的研究動物的社會生活的方式。一種是從對野外動物的觀察中獲取資料，試圖從“外向內”的角度來理解群體動態。然而，這必然會使我們很難知曉個體生物的大腦內部在發生什麼。相比之下，第二種方法則是基於檢測個體的大腦活動，然後試圖繪製神經元峰值或放電（產生腦電波的振盪電活動）模式與動物行為之間的地圖。然而，由於這些資料是“內而外”的，所以往往難以理解群體動態。這兩種框架都只能捕捉不完整的影象。

現在，新一代科學家正在推動第三種方法，也是一種更微妙的正規化來研究動物的社會性。這個被稱為“集體神經科學”（ collective neuroscience）的研究專案正是源於這樣一種觀點：大腦的進化主要是為了幫助動物作為社會群體的一部分而存在，而不是為了解決自身的問題，因此大腦應該作為社會群體的一部分來進行研究。由於將一個大腦嵌入到一個社會結構中會改變它和其他大腦的表現，所以只孤立地研究個體的大腦是沒有意義的，因為它不能提供動物的社會性的全貌。

Via：unimelb cns

基於“智力是多個大腦之間因果迴圈的動態”這一概念，研究人員正在利用最新的神經成像技術，試圖更詳細地瞭解多個動物在參與各種社會活動時的大腦狀態。我們希望這樣的研究能讓我們最終回答這兩個問題：動物是如何感知它們的社會世界的？以及這種感知又是如何被神經編碼的？

除了非人類動物，集體神經科學也可以幫助我們解讀人類社會的一些複雜性。由於大腦在與他人的關係中表現出不同的工作方式，我們開始認識到，為了改善心理健康，有必要根據更廣泛的社會環境調整干預措施，而不是專注於個別的病理。而且，在一個完全不同的領域，如果社會性是通往智力的必要步驟，那麼對於機器學習演算法來說，關於如何才能接近人類的智力這個問題，也許把它們嵌入到其他演算法組成的豐富的社會中是一個有潛力的方向。

在研究動物認知神經科學的主流方法中，大腦被標記為與感知、行動、記憶、注意力、決策和社交有關的不同部分。佛羅里達大西洋大學複雜系統和腦科學中心的研究員、已故的Emmanuelle Tognoli在接受我們的採訪後不久就去世了。據她說，當我們從更集體的角度來審視動物行為時，我們開始看到，複雜大腦的很大一部分渴望與其他大腦和諧共處。和其他許多人一樣，Tognoli相信，大腦的進化可能是為了處理和協調社會關係的資訊複雜性。如果這是真的，她說，忽視社會性的認知神經科學可能是毫無意義的。

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認知科學的許多研究都考察了大腦對基本刺激的反應，比如我們如何解決朋友講述的問題，或者我們如何在幾周後記住同一段對話。但Julia Sliwa說，即使是一項著眼於兩個人之間動態的研究，也缺乏有機的、更復雜的社會群體中自然出現的互動多樣性的某些方面——包括注意力分配、建立子群體和招募盟友。Julia Sliwa是巴黎大腦研究所的一名神經系統研究員，她寫了一篇關於動物研究中需要更多集體神經科學的開創性論文。

她說，她和其他人試圖顛覆的是“智力，在這種情況下，一個物種的社會智力，完全來自單一大腦的運作”這一正統觀念。到目前為止，人們研究的是單個大腦中的神經元群如何在大腦中創造資訊；不過，我們還需要研究的是，這些資訊是如何在多個大腦之間被處理以及合作的。

似乎有神經元負責記錄朋友複雜的社會行為

到目前為止，試圖證明這一想法的困難，在很大程度上是一個技術問題，尤其是對非人類動物的研究來說。動物神經科學研究在很大程度上依賴於將動物與實驗室裡笨重的機器相連，並鼓勵它們兩兩互動。但是，這些人為的引數當然會扭曲野外的社會動態。然而，現在，新的行動式技術，如無線神經生理記錄裝置，已經使觀察生物在自然環境中，以及在更大的群體中的有機互動成為可能。

回想一下我們的好朋友獼猴，它們是哈佛大學神經外科的一篇發表在《科學》雜誌上的文章中的研究物件。研究人員用記錄頭盔觀察了獼猴的大腦，這種頭盔可以非常精確地追蹤特定神經元的大腦活動。他們觀察到，每一種互動似乎都涉及到背內側前額葉皮層的幾個標誌性神經元“啟用”，這部分大腦被認為在社互動動中發揮作用。不同的神經元會根據不同的環境做出不同的反應——當有人不給水果時，一些神經元會放電，當有人給水果時，一些神經元會沉默，而另一些神經元則相反。還有一些神經元似乎編碼了關於選擇、結果和其他只是在被觀察的猴子之間相互作用的資訊。換句話說，似乎有神經元負責記錄朋友複雜的社會行為。

哈佛大學的研究人員將這些觀察結果納入到一個神經元地圖中，這使他們能夠預測獼猴是否會在現實生活中做出回報或報復的舉動。這些預測非常準確，這表明特定的神經元可以代表特定的社會資訊片段。為了證實這一點，研究人員還反過來進行了研究。他們用非常小的電流暫時擾亂猴子大腦特定部位的神經元活動，以觀察這是否會阻止獼猴進行社會行為。這樣的電流乾擾仍能讓它們執行其他認知功能，如記憶或做決定。結果表明，猴子的社會行為能力下降了，它們沒有像預期的那樣做出回報的舉動。

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Sliwa的第二個實驗專注於“腦對腦同步”。在2010年的一項關鍵研究中，蒙特利爾大學計算精神病學助理教授紀堯姆·杜馬（Guillaume Dumas）表明，當人類參與者一起參與活動時，比如在互相注視時用手做有趣的、無意義的手勢，他們的大腦在神經層面上是相互映象的。

另一項研究是給情侶中的一人一個痛苦的刺激——這個人要麼單獨在一個房間裡，要麼和他們的伴侶在一個房間裡，要麼和他們的伴侶在一個房間裡牽手——並同步監測對大腦的影響。不出所料，牽手的伴侶的大腦訊號最相似，並且疼痛的人報告說，和伴侶牽著手也減輕了疼痛。（其他研究已經表明，如果你和陌生人牽手，止痛效果會低得多。）

這項工作已擴充套件到其他領域。普林斯頓神經科學研究所的研究員烏里·哈森（Uri Hasson）已經證明，一個優秀的講故事者可以誘導她和聽者的大腦產生同步（如果有共同的基礎、經歷和信仰）；紐約大學馬克斯·普朗克語言、音樂和情感中心的高階研究科學家Suzanne Dikker的研究表明，在課堂環境中，學生的腦電波與同齡人的同步程度可以很好地預測他們的投入程度，以及他們覺得自己與團隊相處得如何。

這種現象在非人類動物中也存在嗎？加州大學伯克利分校的神經科學家也在《科學》雜誌上發表了一篇論文，他們用集體神經科學的視角來觀察果蝠是否也會發生同樣的情況。果蝠是一種群居動物，一生中大部分時間都是群居的，白天一起擠在小角落裡，晚上則成群覓食。

蝙蝠的神經元以類似的方式共振，使它們的大腦處於相同的“波長”上。

當這些蝙蝠在籠子裡自由飛行，用它們標誌性的高音尖叫彼此交談的時候，研究人員使用無線神經生理學記錄裝置跟蹤他們的大腦活動。就像對恆河猴的研究一樣，當蝙蝠在識別和區分群體中不同成員的叫聲時，神經元具有明顯不同的放電模式。一隻蝙蝠的叫聲會刺激聽者體內一組神經元的活動，而另一隻蝙蝠的叫聲則會刺激另一組神經元。這種對映是如此清晰，以至於當研究人員在一個安靜的房間裡，只在螢幕上觀察蝙蝠的大腦活動時，可以識別出哪些蝙蝠發出了叫聲。

此外，研究還發現，在進行交流時，整個群體的大腦狀態是同步的。它們的神經元以相似的方式出現峰值和振盪，使它們的大腦處於相同的“波長”上。如果蝙蝠彼此之間是“友好的”，也就是說它們在一起待了很長時間，它們的大腦同步性就會更強。這種效果，可能與杜馬對牽手情侶的研究結果相似。在社會亞群體中也觀察到了同樣的效果；當其中一人發聲時，這些小團體的成員也有更清晰的神經元表徵。

神經科學家們還對一些蝙蝠單獨進行了播放蝙蝠聲音的實驗，但這未能激發相關大腦區域的活動——也許這表明蝙蝠知道，這不是真正的社會互動。這種影響可能部分源於動物如何同時利用視覺和嗅覺以及聽覺來處理彼此的存在。這也可能表明，一個人的神經元甚至也需要另一個大腦在場，才能記錄社會動態的存在。也就是說，社會環境調節著大腦內部和大腦之間的活動。

還有很多我們不知道的。是的，當兩隻蝙蝠“朋友”相互呼叫時，特定的神經元會被啟用並同步，當兩隻猴子分享食物時，特定的神經元也會被啟用。但是，這些神經元是否在同步、識別或編碼關於被通訊內容的資訊還有待確定。我們也不知道隨著時間的推移，有多少社交資訊被保留了下來，或者它是否只存在於社交活動的持續時間內。儘管如此，神經科學的集體議程無疑已經取得了進展。Sliwa說，在之前的大多數研究中，研究人員甚至無法檢測到神經元為什麼會放電，也無法知道這是因為動物意識到它是在與自己的“朋友”互動，還是因為它根本就在與另一種動物互動。

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Sliwa說，這些初步研究是一個更大謎團的重要組成部分。他們的研究結果證實了這樣一個觀點，即當科學家們對大腦進行全面觀察時，有可能發現大腦全新的能力。至關重要的是，這也意味著放棄刺激和“輸入”與行為和“輸出”之間的清晰區分；相反，集體神經科學涉及複雜系統的科學，其中因果關係不是線性的，而是迴圈的，社會和神經元結構以不可預測的方式交織在一起。

以運動隊為例。每個球員的資料可以告訴你他們是否會成為球隊的好幫手，但團隊是否“合拍”，他們是否具有同步性，他們是否能在團隊中合作，這些都不能透過他們的得分或助攻數量來量化。然而，這種集體的“X因素”卻可以使一支優秀的團隊成為“夢之隊”。

集體神經科學提供了一種看待神經精神疾病的不同方式

在社會動物神經科學的背景下，這意味著觀察個體的大腦如何影響社會環境，以及如何受社會環境的影響，而不是從單個大腦的角度出發。根據Tognoli的說法，一個複雜系統的視角將要求我們跨越多個相互關聯的尺度來研究動物神經科學：從神經元開始，移動到大腦和具身生物體，然後跨越到成對和群體，持續觀察所有這些層次是如何相互關聯的。這種觀點認為，認知是一個動態的過程，不僅發生在大腦內部和大腦之間，而且發生在組織的各種生物、行為和社會層面。

繪製神經元活動與特定社會互動的關係圖，瞭解群體社會動態對大腦生物學的影響，也可以揭示人類社會的方方面面。例如，集體神經科學提供了一種看待神經精神疾病的不同方式，如抑鬱症和精神分裂症。這並不是大腦中個體“功能障礙”的例項，而是多重生理動態和社會過程中出現的現象。如果我們本質上是社會生物，文化對我們的進化產生了深遠的影響，那麼我們如何深入瞭解人類的認知呢？對獼猴的研究等實驗有助於識別與異常或正常社會行為相關的大腦區域；在人體上的相關研究可能產生新的療法或干預的可能性。

在人工智慧領域，接受集體神經科學正規化可能意味著真正的智慧和有用但有限的演算法之間的區別。如果人類複雜的認知結構源於他們參與社會和文化學習的能力，計算機科學家應該注意到這一點。例如，牽手研究的計算精神病學家杜馬錶示，人工智慧中的社互動動就像物理學領域中的暗物質：“我們很清楚它的存在，但我們還不知道如何直接研究它。”

杜馬說：“到目前為止，人工智慧在把社會認知看作是一項潛在的任務，而不是複雜認知的組成部分方面，多少有些唯我主義和個人主義。”他現在正致力於建立框架，將這種多維形式的社會智慧包括在人工智慧的編碼中，利用我們對社會學習的理解來幫助機器向人類水平的認知發展。

Sliwa提醒我，要解決未來的挑戰，並不是完全拋棄單腦神經科學。我們在非人類動物身上看到的社交智慧中，網路中的互動可能佔了很大一部分，但這也是由於它們的大腦能夠獨立分析社互動動。繼續研究單個大腦如何擁有這種高階認知能力，以及這些個體大腦如何在群體中工作，仍然至關重要。Sliwa指出，如果智力是多個大腦之間的動態反饋迴圈，那麼我們研究它的方式也需要是一個由不同的迴圈框架相互補充的系統——“許多不同層次的調查迴圈”。

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參考文獻（點選滑動檢視）

1。Julia Sliwa。 2021 Toward collective animal neuroscience： Social intelligence requires the study of both groups of brains and the individual brain。 SCIENCE。 Vol 374， Issue 6566。 pp。 397-398

2。RAYMUNDO BEZ-MENDOZA， EMMA P。 MASTROBATTISTA， AMY J。 WANG， AND ZIV M。 WILLIAMS。 Social agent identity cells in the prefrontal cortex of interacting groups of primates。 SCIENCE。 Vol 374， Issue 6566

3。Brain-to-brain coupling during handholding is associated with pain reduction。 Pavel Goldstein， Irit Weissman-Fogel， Guillaume Dumas， and Simone G。 Shamay-Tsoory。 February 26， 2018。 115 （11） E2528-E2537。https：//doi。org/10。1073/pnas。1703643115

4。Cortical representation of group social communication in bats。 MAIMON C。 ROSE， BOAZ STYR， TOBIAS A。 SCHMID， JULIE E。 ELIE， MICHAEL M。 YARTSEV。 SCIENCE。 22 Oct 2021。 Vol 374， Issue 6566。 DOI： 10。1126/science。aba9584

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原標題：《人與人之間腦電波同步是如何實現的？》