發展性fNIRS超掃描數據流程優化應用:4-6 歲兒童與母親協作神經連貫性
發展性fNIRS超掃描數據的分析流程優化：4 至 6 歲兒童與其母親協作時的神經連貫性
背景介紹
兒童的大部分學習發生在與父母、兄弟姐妹和同齡人的互動中。少數發展研究發現，兒童與他人的互動中會引發神經同步現象（兩個或多個人之間神經活動的時間對齊）可以作為揭示親子協作機制的核心切入點。當 4-6 歲兒童與照料者互動時，大腦特定區域的活動會呈現“同步化”特征，但這類發現面臨兩大方法學挑戰：
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同步，導致結果偏差；
機制模糊性：互動中的同步性究竟源于任務共享，還是真實的社交動態耦合？
圖1. 文章信息
倫敦大學學院團隊在《Imaging Neuroscience》雜志發表了題為 “Analytical pipeline optimisation in developmental fNIRS hyperscanning data: Neural coherence between 4- to 6-year-old children collaborating with their mothers” 的文章，通過系統性優化 fNIRS 分析流程，在自然協作場景中，分離出由社交互動驅動的神經同步信號，為兒童 “社會腦”發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育兒童。
排除標準：父親參與（n=1）、拒絕佩戴 fNIRS 帽（n=5）、技術誤差（n=5）、數據質量不達標（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
七巧板拼圖任務：模仿真實生活中的協作情境，要求母子合作完成拼圖。采用三條件隨機交叉設計，每次持續120秒，任務間有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：完全分隔母子，排除社交互動因素。
研究人員通過回看視頻，人工統計出母子倆正確拼出的七巧板數量，再結合他們完成任務的快慢節奏，把這些行為數據和大腦信號變化對應起來，就能看出神經同步程度和協作效率之間的關系。
fNIRS數據采集
使用雙臺 Brite MKII 系統同步采集母子腦信號，覆蓋前額葉（PFC）和顳頂聯合區（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（HbO₂）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）。
fNIRS數據處理
數據預處理用 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）。強度信號轉成光密度變化，再用小波法校正運動干擾（兒童參數設為 0.8，母親設為 1.5），最后用 0.01-0.5Hz 濾波器去噪。按年齡調整光程因子（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（對應血流動力學響應），計算母子腦區信號的時頻同步性；對母親信號進行 100 次相位打亂，生成無時間相關性的偽配對數據，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）。
關鍵實驗結果
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）和顳頂聯合區（TPJ）的 HbO₂連貫性平均降低 15%，HbR 在合作條件下降低約 12%（圖5）。證實原始數據中約 12-18% 的同步性可能由頭皮血流等非腦信號驅動，SSR 是發育性 fNIRS 研究的必備步驟。
2. 合作任務驅動的腦區同步性
在完全合作和半屏合作條件下，前額葉 HbO₂連貫性顯著高于個體任務（圖6），該區域可能參與動作協調、語言交流及社交意圖理解 。顳頂聯合區（TPJ）在真實配對中的 HbO₂/HbR 連貫性顯著高于偽配對，尤其在完全合作場景中，提示該區域與實時互動中的心理理論（如意圖推測）相關。
3. 面部信息對腦區同步的影響
完全合作與半屏合作條件下，前額葉和顳頂葉的 HbO₂/HbR 連貫性無顯著差異，表明這些腦區的同步性主要由手部協作、語言交流等非面部線索驅動。
4. 神經同步與行為變量的腦區關聯
前額葉 HbO₂連貫性與正確拼圖數量呈正相關，提示該區域神經耦合強度可預測協作效率 。母親壓力與前額葉 HbO₂連貫性負相關，但與顳頂葉 HbR 連貫性正相關，可能反映不同腦區對壓力的響應差異。
5. 腦區同步的機制驗證
前額葉和顳頂葉的真實配對連貫性顯著高于偽配對，排除任務共性解釋，確認腦區同步由實時社交動態驅動 。按腦區聚合數據后，顳葉區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 。
結論
該研究證實，4-6 歲兒童與母親在協作任務中的神經同步主要發生在前額葉皮層（尤其前額葉中回）和顳頂聯合區，這些腦區通過處理社交認知、動作協調及語言互動信號驅動同步性。生理噪聲對前額葉 HbO₂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。研究結果為兒童社交腦發育提供了腦區特異性證據，并強調前額葉 - 顳頂葉網絡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研究所、倫敦大學學院醫學物理與生物醫學工程系等機構。
關于維拓啟創
維拓啟創（北京）信息技術有限公司成立于2006年，是一家專注于腦科學、康復工程、人因工程、心理學、體育科學等領域的科研解決方案供應商。公司與國內外多所大學、研究機構、企業長期保持合作關系，致力于將優質的產品、先進的技術和服務帶給各個領域的科研工作者，為用戶提供有競爭力的方案和服務，協助用戶的科研工作，持續提升使用體驗。
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背景介紹
兒童的大部分學習發生在與父母、兄弟姐妹和同齡人的互動中。少數發展研究發現，兒童與他人的互動中會引發神經同步現象（兩個或多個人之間神經活動的時間對齊）可以作為揭示親子協作機制的核心切入點。當 4-6 歲兒童與照料者互動時，大腦特定區域的活動會呈現“同步化”特征，但這類發現面臨兩大方法學挑戰：
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同步，導致結果偏差；
機制模糊性：互動中的同步性究竟源于任務共享，還是真實的社交動態耦合？
圖1. 文章信息倫敦大學學院團隊在《Imaging Neuroscience》雜志發表了題為 “Analytical pipeline optimisation in developmental fNIRS hyperscanning data: Neural coherence between 4- to 6-year-old children collaborating with their mothers” 的文章，通過系統性優化 fNIRS 分析流程，在自然協作場景中，分離出由社交互動驅動的神經同步信號，為兒童 “社會腦”發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育兒童。
排除標準：父親參與（n=1）、拒絕佩戴 fNIRS 帽（n=5）、技術誤差（n=5）、數據質量不達標（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
七巧板拼圖任務：模仿真實生活中的協作情境，要求母子合作完成拼圖。采用三條件隨機交叉設計，每次持續120秒，任務間有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：完全分隔母子，排除社交互動因素。
研究人員通過回看視頻，人工統計出母子倆正確拼出的七巧板數量，再結合他們完成任務的快慢節奏，把這些行為數據和大腦信號變化對應起來，就能看出神經同步程度和協作效率之間的關系。
圖 2. 實驗任務：完全合作(FC)，半屏合作(CwS)，個體任務(T)
fNIRS數據采集
使用雙臺 Brite MKII 系統同步采集母子腦信號，覆蓋前額葉（PFC）和顳頂聯合區（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（HbO₂）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數據處理
數據預處理用 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）。強度信號轉成光密度變化，再用小波法校正運動干擾（兒童參數設為 0.8，母親設為 1.5），最后用 0.01-0.5Hz 濾波器去噪。按年齡調整光程因子（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（對應血流動力學響應），計算母子腦區信號的時頻同步性；對母親信號進行 100 次相位打亂，生成無時間相關性的偽配對數據，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
關鍵實驗結果
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）和顳頂聯合區（TPJ）的 HbO₂連貫性平均降低 15%，HbR 在合作條件下降低約 12%（圖5）。證實原始數據中約 12-18% 的同步性可能由頭皮血流等非腦信號驅動，SSR 是發育性 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同步性的影響
2. 合作任務驅動的腦區同步性
在完全合作和半屏合作條件下，前額葉 HbO₂連貫性顯著高于個體任務（圖6），該區域可能參與動作協調、語言交流及社交意圖理解 。顳頂聯合區（TPJ）在真實配對中的 HbO₂/HbR 連貫性顯著高于偽配對，尤其在完全合作場景中，提示該區域與實時互動中的心理理論（如意圖推測）相關。
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 HbO₂/HbR 連貫性無顯著差異，表明這些腦區的同步性主要由手部協作、語言交流等非面部線索驅動。
4. 神經同步與行為變量的腦區關聯
前額葉 HbO₂連貫性與正確拼圖數量呈正相關，提示該區域神經耦合強度可預測協作效率 。母親壓力與前額葉 HbO₂連貫性負相關，但與顳頂葉 HbR 連貫性正相關，可能反映不同腦區對壓力的響應差異。
5. 腦區同步的機制驗證
前額葉和顳頂葉的真實配對連貫性顯著高于偽配對，排除任務共性解釋，確認腦區同步由實時社交動態驅動 。按腦區聚合數據后，顳葉區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 。
結論
該研究證實，4-6 歲兒童與母親在協作任務中的神經同步主要發生在前額葉皮層（尤其前額葉中回）和顳頂聯合區，這些腦區通過處理社交認知、動作協調及語言互動信號驅動同步性。生理噪聲對前額葉 HbO₂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。研究結果為兒童社交腦發育提供了腦區特異性證據，并強調前額葉 - 顳頂葉網絡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研究所、倫敦大學學院醫學物理與生物醫學工程系等機構。
關于維拓啟創
維拓啟創（北京）信息技術有限公司成立于2006年，是一家專注于腦科學、康復工程、人因工程、心理學、體育科學等領域的科研解決方案供應商。公司與國內外多所大學、研究機構、企業長期保持合作關系，致力于將優質的產品、先進的技術和服務帶給各個領域的科研工作者，為用戶提供有競爭力的方案和服務，協助用戶的科研工作，持續提升使用體驗。
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