發(fā)展性fNIRS超掃描數(shù)據(jù)流程優(yōu)化應(yīng)用:4-6 歲兒童與母親協(xié)作神經(jīng)連貫性_abio生物試劑品牌網(wǎng)
發(fā)展性fNIRS超掃描數(shù)據(jù)的分析流程優(yōu)化：4 至 6 歲兒童與其母親協(xié)作時的神經(jīng)連貫性
背景介紹
兒童的大部分學習發(fā)生在與父母、兄弟姐妹和同齡人的互動中。少數(shù)發(fā)展研究發(fā)現(xiàn)，兒童與他人的互動中會引發(fā)神經(jīng)同步現(xiàn)象（兩個或多個人之間神經(jīng)活動的時間對齊）可以作為揭示親子協(xié)作機制的核心切入點。當 4-6 歲兒童與照料者互動時，大腦特定區(qū)域的活動會呈現(xiàn)“同步化”特征，但這類發(fā)現(xiàn)面臨兩大方法學挑戰(zhàn)：
生理噪聲干擾：頭皮血流、心率等非腦信號容易被誤判為神經(jīng)同步，導(dǎo)致結(jié)果偏差；
機制模糊性：互動中的同步性究竟源于任務(wù)共享，還是真實的社交動態(tài)耦合？
圖1. 文章信息
倫敦大學學院團隊在《Imaging NeuroScience》雜志發(fā)表了題為 “Analytical PIpeline optimisation in developmental fNIRS hyperscanning data: Neural coherence between 4- to 6-year-old children collaborating with their mothers” 的文章，通過系統(tǒng)性優(yōu)化 fNIRS 分析流程，在自然協(xié)作場景中，分離出由社交互動驅(qū)動的神經(jīng)同步信號，為兒童 “社會腦”發(fā)育研究建立了方法學范式。
研究方法
被試
47 對母子（兒童年齡 4.01-6.90 歲，平均 5.11±0.83 歲，21 名女童），均為足月出生的典型發(fā)育兒童。
排除標準：父親參與（n=1）、拒絕佩戴 fNIRS 帽（n=5）、技術(shù)誤差（n=5）、數(shù)據(jù)質(zhì)量不達標（n=2）。
來實驗室之前，母親需提前通過線上填寫知情同意書及父母壓力量表（PSS），評估自身壓力水平。
實驗任務(wù)
七巧板拼圖任務(wù)：模仿真實生活中的協(xié)作情境，要求母子合作完成拼圖。采用三條件隨機交叉設(shè)計，每次持續(xù)120秒，任務(wù)間有80秒休息階段（觀看風景視頻或閉眼休息）（圖2）。
完全合作：母子面對面共同完成，允許語言、表情、動作的全通道互動；
半屏合作：用半簾遮擋面部，無法觀察對方臉部但能看到對方手部動作，驗證面部線索對同步性的影響；
個體任務(wù)：完全分隔母子，排除社交互動因素。
研究人員通過回看視頻，人工統(tǒng)計出母子倆正確拼出的七巧板數(shù)量，再結(jié)合他們完成任務(wù)的快慢節(jié)奏，把這些行為數(shù)據(jù)和大腦信號變化對應(yīng)起來，就能看出神經(jīng)同步程度和協(xié)作效率之間的關(guān)系。
圖 2. 實驗任務(wù)：完全合作(FC)，半屏合作(CwS)，個體任務(wù)(T)
fNIRS數(shù)據(jù)采集
使用雙臺 Brite MKII 系統(tǒng)同步采集母子腦信號，覆蓋前額葉（PFC）和顳頂聯(lián)合區(qū)（TPJ）。每頂帽含 16 個長距通道（Long-Separation Channel, LSC）, 兒童帽源 - 探測器間距 25mm，母親 30mm，用來探測皮層氧合血紅蛋白（HbO?）和脫氧血紅蛋白（HbR）濃度變化；還包括 2 個短距通道（Short-Separation Channel, SSC），均為10mm，用來捕捉頭皮淺層血流用于生理噪聲校正（圖3）。
圖3. 光極和通道配置示意圖
fNIRS數(shù)據(jù)處理
數(shù)據(jù)預(yù)處理用 Homer2 工具包檢查原始信號，剔除信噪比低的通道（如探測器故障、光接觸差或運動干擾大的通道）。強度信號轉(zhuǎn)成光密度變化，再用小波法校正運動干擾（兒童參數(shù)設(shè)為 0.8，母親設(shè)為 1.5），最后用 0.01-0.5Hz 濾波器去噪。按年齡調(diào)整光程因子（DPF）：兒童用 5.4 和 4.7，母親用 6 和 6，算出血紅蛋白濃度。
在進一步分析前，先對目標 fNIRS 信號中的生理干擾進行降噪處理。通過全局表面信號回歸（superficial signal regression，SSR）將短距通道的平均信號從每個長距通道（LSC）信號中回歸出去，以減少腦外層生理噪聲，從而實現(xiàn)皮層組織血紅蛋白濃度變化的精確分析。
小波變換連貫性（Wavelet transform coherence analysis， WTC）：聚焦 0.02-0.1Hz 頻段（對應(yīng)血流動力學響應(yīng)），計算母子腦區(qū)信號的時頻同步性；對母親信號進行 100 次相位打亂，生成無時間相關(guān)性的偽配對數(shù)據(jù)，來驗證同步性是否依賴實時互動（也即真實配對）（圖4）。WTC 分析流程和腳本已開源（https://github.com/vmousley/pc_fNIRS_hyperscanning）。
圖4. 真實配對（A）與偽配對（B）的 WTC 分析流程
關(guān)鍵實驗結(jié)果
1. SSR 顯著降低偽同步信號
完全合作場景中，表面信號回歸（SSR）處理后，前額葉（PFC）和顳頂聯(lián)合區(qū)（TPJ）的 HbO?連貫性平均降低 15%，HbR 在合作條件下降低約 12%（圖5）。證實原始數(shù)據(jù)中約 12-18% 的同步性可能由頭皮血流等非腦信號驅(qū)動，SSR 是發(fā)育性 fNIRS 研究的必備步驟。
圖5. 表面信號回歸（SSR）處理對不同實驗條件下神經(jīng)同步性的影響
2. 合作任務(wù)驅(qū)動的腦區(qū)同步性
在完全合作和半屏合作條件下，前額葉 HbO?連貫性顯著高于個體任務(wù)（圖6），該區(qū)域可能參與動作協(xié)調(diào)、語言交流及社交意圖理解 。顳頂聯(lián)合區(qū)（TPJ）在真實配對中的 HbO?/HbR 連貫性顯著高于偽配對，尤其在完全合作場景中，提示該區(qū)域與實時互動中的心理理論（如意圖推測）相關(guān)。
圖6. 通道水平條件對比的顯著性示意圖
3. 面部信息對腦區(qū)同步的影響
完全合作與半屏合作條件下，前額葉和顳頂葉的 HbO?/HbR 連貫性無顯著差異，表明這些腦區(qū)的同步性主要由手部協(xié)作、語言交流等非面部線索驅(qū)動。
4. 神經(jīng)同步與行為變量的腦區(qū)關(guān)聯(lián)
前額葉 HbO?連貫性與正確拼圖數(shù)量呈正相關(guān)，提示該區(qū)域神經(jīng)耦合強度可預(yù)測協(xié)作效率 。母親壓力與前額葉 HbO?連貫性負相關(guān)，但與顳頂葉 HbR 連貫性正相關(guān)，可能反映不同腦區(qū)對壓力的響應(yīng)差異。
5. 腦區(qū)同步的機制驗證
前額葉和顳頂葉的真實配對連貫性顯著高于偽配對，排除任務(wù)共性解釋，確認腦區(qū)同步由實時社交動態(tài)驅(qū)動 。按腦區(qū)聚合數(shù)據(jù)后，顳葉區(qū)域在合作條件下的同步性差異最顯著，可能與聽覺 - 運動整合相關(guān) 。
結(jié)論
該研究證實，4-6 歲兒童與母親在協(xié)作任務(wù)中的神經(jīng)同步主要發(fā)生在前額葉皮層（尤其前額葉中回）和顳頂聯(lián)合區(qū)，這些腦區(qū)通過處理社交認知、動作協(xié)調(diào)及語言互動信號驅(qū)動同步性。生理噪聲對前額葉 HbO?信號干擾最強，需通過 SSR 校正；母親壓力主要削弱前額葉同步性。研究結(jié)果為兒童社交腦發(fā)育提供了腦區(qū)特異性證據(jù)，并強調(diào)前額葉 - 顳頂葉網(wǎng)絡(luò)在親子互動中的核心作用。
原文鏈接
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
研究團隊介紹
本文作者包括 Victoria St. Clair、Letizia Contini、Rebecca Re、Paola Pinti、Denis Mareschal，分別來自倫敦大學伯克貝克學院腦與認知發(fā)展中心、米蘭理工大學物理系、意大利國家研究委員會光子學與納米技術(shù)研究所、倫敦大學學院醫(yī)學物理與生物醫(yī)學工程系等機構(gòu)。
關(guān)于維拓啟創(chuàng)
維拓啟創(chuàng)（北京）信息技術(shù)有限公司成立于2006年，是一家專注于腦科學、康復(fù)工程、人因工程、心理學、體育科學等領(lǐng)域的科研解決方案供應(yīng)商。公司與國內(nèi)外多所大學、研究機構(gòu)、企業(yè)長期保持合作關(guān)系，致力于將優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品、先進的技術(shù)和服務(wù)帶給各個領(lǐng)域的科研工作者，為用戶提供有競爭力的方案和服務(wù)，協(xié)助用戶的科研工作，持續(xù)提升使用體驗。
相關(guān)產(chǎn)品
背景介紹
兒童的大部分學習發(fā)生在與父母、兄弟姐妹和同齡人的互動中。少數(shù)發(fā)展研究發(fā)現(xiàn)，兒童與他人的互動中會引發(fā)神經(jīng)同步現(xiàn)象（兩個或多個人之間神經(jīng)活動的時間對齊）可以作為揭示親子協(xié)作機制的核心切入點。當 4-6 歲兒童與照料者互動時，大腦特定區(qū)域的活動會呈現(xiàn)“同步化”特征，但這類發(fā)現(xiàn)面臨兩大方法學挑戰(zhàn)：
生理噪聲干擾：頭皮血流、心率等非腦信號容易被誤判為神經(jīng)同步，導(dǎo)致結(jié)果偏差；
機制模糊性：互動中的同步性究竟源于任務(wù)共享，還是真實的社交動態(tài)耦合？
圖1. 文章信息
倫敦大學學院團隊在《Imaging NeuroScience》雜志發(fā)表了題為 “Analytical PIpeline optimisation in developmental fNIRS hyperscanning data: Neural coherence between 4- to 6-year-old children collaborating with their mothers” 的文章，通過系統(tǒng)性優(yōu)化 fNIRS 分析流程，在自然協(xié)作場景中，分離出由社交互動驅(qū)動的神經(jīng)同步信號，為兒童 “社會腦”發(fā)育研究建立了方法學范式。
研究方法
被試
47 對母子（兒童年齡 4.01-6.90 歲，平均 5.11±0.83 歲，21 名女童），均為足月出生的典型發(fā)育兒童。
排除標準：父親參與（n=1）、拒絕佩戴 fNIRS 帽（n=5）、技術(shù)誤差（n=5）、數(shù)據(jù)質(zhì)量不達標（n=2）。
來實驗室之前，母親需提前通過線上填寫知情同意書及父母壓力量表（PSS），評估自身壓力水平。
實驗任務(wù)
七巧板拼圖任務(wù)：模仿真實生活中的協(xié)作情境，要求母子合作完成拼圖。采用三條件隨機交叉設(shè)計，每次持續(xù)120秒，任務(wù)間有80秒休息階段（觀看風景視頻或閉眼休息）（圖2）。
完全合作：母子面對面共同完成，允許語言、表情、動作的全通道互動；
半屏合作：用半簾遮擋面部，無法觀察對方臉部但能看到對方手部動作，驗證面部線索對同步性的影響；
個體任務(wù)：完全分隔母子，排除社交互動因素。
研究人員通過回看視頻，人工統(tǒng)計出母子倆正確拼出的七巧板數(shù)量，再結(jié)合他們完成任務(wù)的快慢節(jié)奏，把這些行為數(shù)據(jù)和大腦信號變化對應(yīng)起來，就能看出神經(jīng)同步程度和協(xié)作效率之間的關(guān)系。
圖 2. 實驗任務(wù)：完全合作(FC)，半屏合作(CwS)，個體任務(wù)(T)
fNIRS數(shù)據(jù)采集
使用雙臺 Brite MKII 系統(tǒng)同步采集母子腦信號，覆蓋前額葉（PFC）和顳頂聯(lián)合區(qū)（TPJ）。每頂帽含 16 個長距通道（Long-Separation Channel, LSC）, 兒童帽源 - 探測器間距 25mm，母親 30mm，用來探測皮層氧合血紅蛋白（HbO?）和脫氧血紅蛋白（HbR）濃度變化；還包括 2 個短距通道（Short-Separation Channel, SSC），均為10mm，用來捕捉頭皮淺層血流用于生理噪聲校正（圖3）。
圖3. 光極和通道配置示意圖
fNIRS數(shù)據(jù)處理
數(shù)據(jù)預(yù)處理用 Homer2 工具包檢查原始信號，剔除信噪比低的通道（如探測器故障、光接觸差或運動干擾大的通道）。強度信號轉(zhuǎn)成光密度變化，再用小波法校正運動干擾（兒童參數(shù)設(shè)為 0.8，母親設(shè)為 1.5），最后用 0.01-0.5Hz 濾波器去噪。按年齡調(diào)整光程因子（DPF）：兒童用 5.4 和 4.7，母親用 6 和 6，算出血紅蛋白濃度。
在進一步分析前，先對目標 fNIRS 信號中的生理干擾進行降噪處理。通過全局表面信號回歸（superficial signal regression，SSR）將短距通道的平均信號從每個長距通道（LSC）信號中回歸出去，以減少腦外層生理噪聲，從而實現(xiàn)皮層組織血紅蛋白濃度變化的精確分析。
小波變換連貫性（Wavelet transform coherence analysis， WTC）：聚焦 0.02-0.1Hz 頻段（對應(yīng)血流動力學響應(yīng)），計算母子腦區(qū)信號的時頻同步性；對母親信號進行 100 次相位打亂，生成無時間相關(guān)性的偽配對數(shù)據(jù)，來驗證同步性是否依賴實時互動（也即真實配對）（圖4）。WTC 分析流程和腳本已開源（https://github.com/vmousley/pc_fNIRS_hyperscanning）。
圖4. 真實配對（A）與偽配對（B）的 WTC 分析流程
關(guān)鍵實驗結(jié)果
1. SSR 顯著降低偽同步信號
完全合作場景中，表面信號回歸（SSR）處理后，前額葉（PFC）和顳頂聯(lián)合區(qū)（TPJ）的 HbO?連貫性平均降低 15%，HbR 在合作條件下降低約 12%（圖5）。證實原始數(shù)據(jù)中約 12-18% 的同步性可能由頭皮血流等非腦信號驅(qū)動，SSR 是發(fā)育性 fNIRS 研究的必備步驟。
圖5. 表面信號回歸（SSR）處理對不同實驗條件下神經(jīng)同步性的影響
2. 合作任務(wù)驅(qū)動的腦區(qū)同步性
在完全合作和半屏合作條件下，前額葉 HbO?連貫性顯著高于個體任務(wù)（圖6），該區(qū)域可能參與動作協(xié)調(diào)、語言交流及社交意圖理解 。顳頂聯(lián)合區(qū)（TPJ）在真實配對中的 HbO?/HbR 連貫性顯著高于偽配對，尤其在完全合作場景中，提示該區(qū)域與實時互動中的心理理論（如意圖推測）相關(guān)。
圖6. 通道水平條件對比的顯著性示意圖
3. 面部信息對腦區(qū)同步的影響
完全合作與半屏合作條件下，前額葉和顳頂葉的 HbO?/HbR 連貫性無顯著差異，表明這些腦區(qū)的同步性主要由手部協(xié)作、語言交流等非面部線索驅(qū)動。
4. 神經(jīng)同步與行為變量的腦區(qū)關(guān)聯(lián)
前額葉 HbO?連貫性與正確拼圖數(shù)量呈正相關(guān)，提示該區(qū)域神經(jīng)耦合強度可預(yù)測協(xié)作效率 。母親壓力與前額葉 HbO?連貫性負相關(guān)，但與顳頂葉 HbR 連貫性正相關(guān)，可能反映不同腦區(qū)對壓力的響應(yīng)差異。
5. 腦區(qū)同步的機制驗證
前額葉和顳頂葉的真實配對連貫性顯著高于偽配對，排除任務(wù)共性解釋，確認腦區(qū)同步由實時社交動態(tài)驅(qū)動 。按腦區(qū)聚合數(shù)據(jù)后，顳葉區(qū)域在合作條件下的同步性差異最顯著，可能與聽覺 - 運動整合相關(guān) 。
結(jié)論
該研究證實，4-6 歲兒童與母親在協(xié)作任務(wù)中的神經(jīng)同步主要發(fā)生在前額葉皮層（尤其前額葉中回）和顳頂聯(lián)合區(qū)，這些腦區(qū)通過處理社交認知、動作協(xié)調(diào)及語言互動信號驅(qū)動同步性。生理噪聲對前額葉 HbO?信號干擾最強，需通過 SSR 校正；母親壓力主要削弱前額葉同步性。研究結(jié)果為兒童社交腦發(fā)育提供了腦區(qū)特異性證據(jù)，并強調(diào)前額葉 - 顳頂葉網(wǎng)絡(luò)在親子互動中的核心作用。
原文鏈接
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
研究團隊介紹
本文作者包括 Victoria St. Clair、Letizia Contini、Rebecca Re、Paola Pinti、Denis Mareschal，分別來自倫敦大學伯克貝克學院腦與認知發(fā)展中心、米蘭理工大學物理系、意大利國家研究委員會光子學與納米技術(shù)研究所、倫敦大學學院醫(yī)學物理與生物醫(yī)學工程系等機構(gòu)。
關(guān)于維拓啟創(chuàng)
維拓啟創(chuàng)（北京）信息技術(shù)有限公司成立于2006年，是一家專注于腦科學、康復(fù)工程、人因工程、心理學、體育科學等領(lǐng)域的科研解決方案供應(yīng)商。公司與國內(nèi)外多所大學、研究機構(gòu)、企業(yè)長期保持合作關(guān)系，致力于將優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品、先進的技術(shù)和服務(wù)帶給各個領(lǐng)域的科研工作者，為用戶提供有競爭力的方案和服務(wù)，協(xié)助用戶的科研工作，持續(xù)提升使用體驗。
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