人与人互动时脑电波同步

神经科学家通常一次研究一个大脑。例如，他们观察当一个人阅读某些词语或玩电子游戏时神经元的放电情况。然而，作为社会性动物，这些科学家们的大部分工作是共同完成的——集思广益提出假设、一起研究难题以及微调实验设计。越来越多的研究人员正在将这种现实带入他们研究大脑的方式中。

一些从业者称之为集体神经科学，这是一个迅速发展的研究领域。早期且一致的发现是，当人们交谈或分享经历时，他们的大脑电波会同步。不同大脑中相应位置的神经元同时放电，产生匹配的模式，就像舞者一起移动一样。听觉和视觉区域以类似的方式对形状、声音和运动做出反应，而更高阶的大脑区域在更具挑战性的任务中（例如理解所见或所听事物的含义）似乎表现出相似的行为。“与他人同频共振”的体验是真实存在的，并且可以在大脑活动中看到。

这项工作开始揭示社交性中新的丰富性和复杂性。例如，在学生积极参与课堂的教学中，他们的大脑处理模式开始与老师的模式对齐——而更高的对齐度可能意味着更好的学习效果。听音乐表演的人的大脑特定区域的神经波与表演者的大脑神经波相匹配——同步性越高，享受程度越高。与非恋爱关系的情侣相比，情侣表现出更高程度的脑同步性，亲密的朋友也比疏远的熟人表现出更高的脑同步性。

但是，同步性是如何发生的呢？关于这种现象的许多方面仍然是神秘的——甚至科学家在谈论它时偶尔也会使用“神奇”这个词。一种直接的解释可能是，大脑之间的连贯性是共享经验的结果，或者仅仅是我们听到或看到与他人相同事物的迹象。但最新的研究表明，同步性不仅仅如此——或者可能是这样。加州大学洛杉矶分校的神经科学家魏哲·洪（Weizhe Hong）说，只有研究互动中所有个体的大脑，我们才能开始“充分理解正在发生的事情”。

研究人员正在人类和其他物种中发现同步性，他们正在绘制其编排——节奏、时机和起伏——以更好地理解它可能给我们带来的益处。他们正在找到证据表明，脑间同步性使人们为互动做好准备，并开始将其理解为关系的标志。鉴于同步的体验通常令人愉快，研究人员怀疑这种现象是有益的：它帮助我们互动，并可能促进了社会性的进化。这种新型的大脑研究也可能阐明为什么我们并非总是与某人“合拍”，或者为什么社会隔离对身心健康如此有害。

共鸣

正是由于这些诱人的前景，去年 12 月，我穿上了一套医院的手术服，躺在哈佛大学的功能性磁共振成像（fMRI）机器的管子里。按照指示，我尽可能保持静止，头部固定在支架中，左拇指放在紧急呼叫按钮上。这真像事先警告的那样令人不舒服。

“你还好吗？”隔壁控制室传来一个低沉的声音。

“我很好，”我撒谎道。

然后，我的耳机里传来一个新的、更大的声音：“你能听到我吗？”

这是西德。他将成为我接下来一个小时的对话伙伴。

我们互相介绍了自己。我说我是科学记者。他说他在达特茅斯学院的社会神经科学实验室工作。西德和我通过互联网进行交流，当时我们分别躺在相距 130 英里的大脑成像机器中。

屏幕上闪烁着指示。我们的任务是以 30 秒轮流的方式共同讲述一个故事。我先讲，提示是：“一群孩子遇到了外星人。”

我开始讲述一个关于一群孩子在学校组织的郊游中，与老师在公园散步时，偶然遇到了外星飞船戏剧性降落的故事——巨大的噪音，明亮的光线。西德让一些更勇敢的孩子走近，由一个名叫凯文的男孩带头。我加入了一个名叫安娜贝尔的女孩，她伸出一根手指去触摸其中一个生物。西德加入了一些关于两个世界之间古老联系的暗示。

最终，我头顶上的显示器上的计数器闪烁：4...3...2...1...时间到了。新的指示出现了。现在我们每个人都必须以 30 秒的增量构建自己的故事。在我们自己的增量之间，我们要听另一个人不断发展的故事。完成后，我们都必须复述所有三个故事：我们共同创作的故事和我们各自虚构的故事。

西德和我共同讲述的故事并不怎么新颖。我独自创作的关于一个孩子惹上麻烦的故事更是如此。但有一点很突出：我发现一起工作比独自工作有趣得多——以至于我忘记了自己的不适。第二天我在达特茅斯学院与西德见面时，他同意了我的看法。他也更喜欢与我一起讲故事，而不是讲自己的故事。

达特茅斯学院的神经科学家塔莉亚·惠特利（Thalia Wheatley）似乎也这么认为，她招募我们参与了这项开创性的研究。当西德和我做我们的事情时，惠特利、她的博士后研究员 JD 诺茨（JD Knotts）和布达佩斯自然科学研究中心的亚当·邦茨（Adam Boncz）在哈佛大学和达特茅斯学院的控制室里监听和观看，同时多台计算机记录了西德和我说的话、我们何时说的以及我们当时的大脑在做什么。我们所处的 fMRI 机器追踪了整个大脑的血流量变化，这与神经活动的变化密切相关。这种成像的结果突出了大脑中哪里正在发生事情，尽管是间接的。例如，当一个人在听的时候，听觉皮层应该是活跃的，但颞叶中处理语言和意义的区域也应该是活跃的。

稍后，研究团队将仔细研究生成的大量数据，希望能看到两个大脑共同作用时如何变化，甚至可能创造出新的东西。“当我们互相交谈时，我们有点像创造了一个单一的超脑，它不能简化为各个部分的简单相加，”惠特利说。“就像氧气和氢气结合形成水一样，它创造了一些特殊的东西，而这些东西不能简化为独立的氧气和氢气。”

至少这是这个想法。为了看看他们是否能准确地指出“特殊之处”，研究人员将逐秒、逐体素地比较我和西德以及研究中所有其他参与者的配对的大脑活动，在我们讲故事的过程中寻找连贯性的迹象。他们还将考虑我们和其他参与者从机器中出来后填写的关于体验的问卷和报告（使用诸如“你有多喜欢你和你的伙伴共同创作的故事？”之类的问题）。此类研究需要时间，但如果一切按计划进行，他们将在一年左右发布他们的第一个结果。

最初的“超扫描”研究——两个人，两台 fMRI——发生在休斯顿的贝勒医学院。神经科学家里德·蒙塔古（Read Montague），现在在弗吉尼亚理工学院暨州立大学工作，他将两个人放入单独的 fMRI 扫描仪中，并记录了他们在进行一个简单的竞争游戏时的大脑活动。该实验相对有限的目标是证明追踪两个大脑同时活动的可行性，并找出技术障碍。结果于 2002 年发表。从那时起，该领域在 fMRI 超扫描方面取得了更好的进展，并扩展到其他类型的技术。

与 fMRI 类似，功能性近红外光谱（fNIRS）追踪血流量中氧气水平的变化；由于氧合作用随着能量需求而增加，科学家可以使用这种方法来追踪大脑活动。fNIRS 仅使用一顶装有灯和传感器的帽子——富氧血液与光的相互作用与缺氧血液不同——与 fMRI 相比，它更便宜且更容易管理。然而，它也更有限，因为它只能到达大脑的上层。

脑电图（EEG）是另一种扫描类型，它专注于时间，记录大脑活动的速度和顺序——更多地关注何时发生，而不是 fMRI 揭示的何地发生。EEG 还反映了不同类型脑电波或振荡的相对速度。就像水中的波浪一样，大脑中的波浪以快慢周期上升和下降。五种常见的脑电波类型，根据其振荡频率命名为 alpha 波、beta 波、gamma 波、delta 波和 theta 波，表示大脑的不同状态。在 0.5 到 4 赫兹（一赫兹是每秒一次完整振荡）时，delta 波通常代表深度、安稳的睡眠。其他波浪快速而急促——清醒和有意识的活动通常与 beta 波（13 到 30 赫兹）和 gamma 波（大约 30 到 100 赫兹）有关。

类似于惠特利的新研究旨在超越早期发现，并询问，例如，讲故事水平更高的情侣是否比那些表现平平的情侣表现出更紧密耦合的大脑活动。邦茨说，为了使研究结果在联合讲故事条件下被认为是“额外的”，大脑之间的相关性“不应仅仅与人们说话或听别人说话以及在语言层面上相互理解有关”，邦茨是我参与的研究的共同负责人。“它应该是更深层次的东西。”

为了确定互动大脑的神经基础，神经科学家也正在转向其他物种，他们可以在这些物种中比在人类中更深入地研究神经生物学细节。在他们研究的社会性哺乳动物中，一些最有趣——也最令人惊讶——的是争吵、依偎、俯冲的蝙蝠。

蝙蝠脑

在加州大学伯克利分校找到迈克尔·亚特舍夫（Michael Yartsev）的实验室并不难。在他名牌旁边的墙上钉着小小的黑色塑料蝙蝠翅膀，仿佛它们在他门口飞舞。这里总是像万圣节一样。正是在这里，2019 年，亚特舍夫和博士后研究员张武杰（Wujie Zhang）首次证明，蝙蝠的大脑与人类大脑一样会同步。尽管科学家们长期以来一直在研究从昆虫到哺乳动物的集体行为，但他们从未以这种方式达到大脑层面。

亚特舍夫的开创性研究表明了同步性所携带的多种含义中最简单的一种：它是社会互动的强烈信号。在蝙蝠中，它只在它们在一起时才存在。

蝙蝠住在楼下，在亚特舍夫（他既是神经科学家又是工程师）亲切地称之为“蝙蝠洞”的地方。他饲养了大约 300 只果蝠，分为两个群体，一个雄性群体，另一个雌性群体。群体房间的墙壁是黑色的，每个房间的天花板上都附有网状板，整个房间都铺着网。倒挂的水果串（哈密瓜和苹果）从天花板上垂下来，蓝色的塑料结构也挂在天花板上供蝙蝠玩耍。

亚特舍夫被果蝠的声乐学习和沟通能力所吸引，从而开始研究果蝠，但他很快意识到它们也为社交性提供了一个窗口。站在群体房间的门口，看着蝙蝠聚在一起，不难理解为什么。尽管它们有足够的空间伸展开来，但这些棕灰色、每只长六到八英寸的哺乳动物通常成群结队地挤在一起，紧紧抓住网或挂在网状物上。

在野外，这些高度社会性的果蝠晚上觅食，白天大部分时间都在洞穴或树木中的大型、拥挤的群体中睡觉——有时与其他数百或数千只蝙蝠在一起。当它们紧紧挤在一起时，它们会为食物、睡眠空间和交配尝试而争吵。

在伯克利分校的群体房间大厅尽头，有一个用于实验的大型“飞行室”。当亚特舍夫和我观看时，研究生们搬进两个带盖子的塑料容器，并释放出一群蝙蝠。从隔壁的控制室里，这些动物在电脑显示器上显示为点，看起来像遥控乒乓球在房间里嗡嗡作响，偶尔会停留在奇怪的角落里。

像亚特舍夫那样研究自由飞行的蝙蝠是对技术精度的考验。由于蝙蝠大部分时间都挤在一起并且飞行速度非常快，因此很难识别它们或弄清楚是哪只蝙蝠发出的声音。为了追踪位置、行为和大脑活动，科学家们在飞行室里配备了 16 个摄像头和多个隐藏在小白盒子里的天线。悬挂在每只蝙蝠脖子上的微型转发器都装有麦克风，可以帮助团队检测是哪只蝙蝠在发声，摄像头可以检测到它们的位置，分辨率达到厘米或更小。大脑活动通过电极单独监测，电极记录来自大脑各个区域的信号，并将神经数据馈送到连接在每只蝙蝠头部的微型轻型记录仪中。实验完成后，每个记录仪的信息都会被上传和分析。

在亚特舍夫和张武杰 2019 年的同步性实验中，他们使用了无线电生理学和其他技术来追踪蝙蝠的行为和大脑活动，每次大约 100 分钟。他们看到蝙蝠的行为大致相关——它们倾向于同时休息，同时活动。它们的活动时期包括社交和非社交行为，例如打架或互相梳理毛发或自我梳理毛发。

为了比较大脑活动，科学家们分析了所有脑电波活动的频谱图。在蝙蝠中，突出的是高频带（30 到 150 赫兹）在活动行为期间具有更大的功率或突出性，而低频带（1 到 29 赫兹）在休息期间具有更大的功率。同样显而易见的是——非常引人注目——蝙蝠之间存在非常高水平的脑间同步性，尤其是在高频时。这些模式非常相似，以至于研究人员最初不相信他们所看到的东西，但数据让他们信服。“这是信号一，这是信号二，”亚特舍夫说。“只需对它们进行相关性分析即可。它非常强大，这非常令人放心，因为它表明我们正在研究一些真实的东西。当它们进行社交互动时，我们每次都会看到它。”

当亚特舍夫和张武杰重复实验，让蝙蝠在相同的独立腔室中自由飞行，而不是在相同的社交环境中自由飞行时，相关性就瓦解了。蝙蝠的大脑活动中没有同步性，即使研究人员播放了其他蝙蝠呼叫的声音也是如此。还有更多有趣的细节。在社交场合中，随着蝙蝠互动增多，相关性增加。大脑之间相关性的增加先于社交互动增加——这反映了这样一个事实，即每次互动都是一系列决策，这表明大脑相关性促进了互动。

亚特舍夫和张武杰得出结论，社交互动有一些特别之处。同步性可能是共享认知处理的标志，认知处理是大脑中的化学和电信号传递，使个体能够理解他们的环境、交流和学习。

逐个神经元

查看脑电波带之间的同步性是理解互动大脑之间发生的事情的一种方式。另一种方式是查看特定神经元的活动。“最终，我们的大脑不是平均值的汤。它们由执行不同事情的单个神经元组成，它们可能做相反的事情，”加州大学洛杉矶分校的洪说。洪和他的同事是最早开始寻找这种细节水平并逐个神经元地研究互动大脑的人之一。他们的发现揭示了更多的复杂性。

与亚特舍夫一样，洪最初也怀疑他和他的团队在动物（在他们的情况下是小鼠）身上观察到的脑间同步性是真实的。他还没有阅读关于人类同步性的文献，并告诉莱尔·金斯伯里（Lyle Kingsbury）——当时是洪的学生，也是这项研究的主要科学家，现在是哈佛大学的博士后研究员——一定有什么地方出错了。但并没有出错。他们使用一种称为微型内窥镜钙成像的技术，该技术测量单个神经元中诱导荧光的变化，他们同时观察了数百个神经元。在成对互动的的小鼠中，他们确定同步性出现在正在进行的社交互动期间。此外，小鼠大脑中的同步性来自前额叶皮层中不同的细胞群，洪称之为“自我细胞”和“其他细胞”。前者编码自己的行为，后者编码另一个个体的行为。“自我细胞和他人细胞的活动总和与另一个大脑中的活动总和相似或相关，”洪说。

他们所看到的内容远远超出了之前关于所谓的镜像神经元的研究，镜像神经元既代表自我又代表他人。（当我看到你扔球时，它会激活我大脑中的一组镜像神经元，如果我自己在做同样的事情，这些神经元也会被激活。）相比之下，洪和金斯伯里发现的自我细胞和他人细胞仅编码一个个体的行为或另一个个体的行为。所有三种细胞——镜像细胞、自我细胞和他人细胞——都存在于小鼠大脑中并对齐。

小鼠研究表明了同步性的另一个含义层面：它可以预测未来互动的结果。与蝙蝠一样，小鼠喜欢其他小鼠的陪伴，并挤在一起睡觉，但它们是等级森严的物种，有些动物比其他动物更具统治力。为了利用这一点，洪和金斯伯里使用了一个标准实验，称为管子测试，这很像观看两支足球队试图到达对方的端区。研究人员将两只动物放在一个管子里，每端一只，并观察它们彼此靠近。他们想看看哪只小鼠在对手身上获得了最大的地盘。走得更远的那只被认为是占优势的。

令人惊讶的是，社会地位差距较大的小鼠（一只占优势，一只顺从）之间的同步性水平更高，而等级接近的小鼠之间的同步性水平较低。（中国研究人员在人类领导者和追随者身上也发现了类似的情况。在 2015 年的一项研究中，领导者和追随者之间的神经同步性高于追随者和追随者之间。）一旦他们认识到社会地位在他们的实验中的作用，洪和金斯伯里就可以使用他们观察到的同步性水平在 15 分钟互动的几分钟内预测一只小鼠是否会占优势以及它会取得多少进展。

尚不完全清楚蝙蝠的等级有多森严，但它们确实有偏爱的同伴。亚特舍夫和他的团队注意到，他们的大多数蝙蝠倾向于聚集在一起，但也有一些蝙蝠花时间稍微靠边站。研究人员开始研究当“群体内”和“群体外”蝙蝠发声时，相关性水平是否存在差异。这一次，除了记录频率带水平的大脑活动外，他们还同时记录了四只蝙蝠的大脑中单个神经元的活动，这些蝙蝠以四只、五只和八只为一组飞行。2021 年由当时亚特舍夫实验室成员梅蒙·罗斯（Maimon Rose）和博阿兹·斯蒂尔（Boaz Styr）领导的一项研究表明，当一只蝙蝠发出叫声时，它会在所有听到的蝙蝠中引起集体大脑耦合。与小鼠一样，取决于群体中哪只蝙蝠发声，不同的神经元组变得活跃，这意味着蝙蝠大脑中的单个神经元编码身份，一些神经元代表自我，另一些神经元代表其他个体。信号非常明显，以至于科学家只需查看神经活动记录就可以判断是哪只蝙蝠在叫。所有蝙蝠的大脑中都可以看到相关性，但当叫声来自“更友好”的蝙蝠（那些更常聚集在一起的蝙蝠）时，相关性最强。

蝙蝠和小鼠的研究在技术上差异很大，但“这两个故事出奇地相似，”洪说。“当您看到别人的工作支持我们独立[得出]的结论时，这就是科学令人兴奋的部分。”

超越同步性

最新的人类研究（例如惠特利邀请我参加的研究）的目标不仅是更深入地探索同步性，而且还要超越它。惠特利与另外四位达特茅斯学院的科学家共同建立了该学院的互动心灵联盟，她认为，询问我们何时与他人同步“是一种相当局限的方式来思考两个心灵走到一起”。邦茨说，更有趣的是看看大脑是否可以在理解层面上对齐。“我们认为，例如，当人们以相同的方式理解甚至不同的刺激时，如果他们有一些他们共享的更高层次的意义，就可能会存在同步性。”

我参与的研究的初步证据表明，互动大脑之间存在同步性，更令人感兴趣的是，在某些大脑区域，人们在讲述共同故事时的大脑区域相关性高于独立故事期间的大脑区域相关性，尤其是在顶叶皮层中。“该区域在记忆和叙事构建中很活跃，”惠特利说。“这似乎很合理。”

但该小组也在询问故事的内容是否会改变对齐水平，以及每对参与者对过程的相对享受程度是否与更大或更小程度的同步性有关。像西德和我一样，大多数人表示更喜欢共同讲故事的练习而不是个人故事，但并非所有人都如此。同步的大脑是否更具创造力？还是它们只是更有趣？答案将不得不等待进一步分析。

这项研究的挑战之一是理解它产生的大量数据。就像早期的天文学家首次在繁星点点的天空中绘制星座图一样，科学家们必须通过数学方式理解看似混乱的数据，从而在混乱中找到秩序。惠特利说，测量同步性相对简单，因为“我们知道如何进行数学计算。”研究人员计算受试者之间的线性相关性，以确定他们大脑的某些部分在多大程度上以相同的方式随时间做出反应——它们是否步调一致？它们的活动是否一起消长？

超扫描研究只是惠特利研究同步性的一种方式。在她即将发表的一项研究中（以预印本形式提供），她和博·西弗斯（Beau Sievers）（目前在哈佛大学担任研究助理，同时在斯坦福大学担任博士后）展示了对话同步大脑模式的力量。49 名参与者观看了不熟悉的无声电影片段，然后分成大约 4 人一组的小组讨论这些片段。每个小组都被要求就电影的内容达成共识。对话结束后，各小组再次观看了这些片段，以及来自同一电影的新视频。在进一步讨论达成共识后，当参与者观看第二轮视频时，大脑处理模式在参与者之间对齐。对话小组的成员在处理视觉、记忆和语言理解的大脑区域同时具有相同的大脑活动。那些倾听并最努力寻求共识的人——而不是那些说话最多的人——是那些大脑首先与他人同步并推动更大群体同步的人。“通过共同交谈并达成小组共识，”西弗斯在描述这项研究的视频中说，“参与者对齐了他们的大脑。”

总而言之，这些发现是一种有趣的理解方式，了解我们的大脑如何促进对人类生活至关重要的社会互动。如果没有同步性以及超越同步性的更深层次的连接，我们可能会面临更大的精神不稳定和身体健康不良的风险。有了同步性和其他层次的神经互动，人类可以教与学、建立友谊和爱情，以及合作与交谈。我们被驱使去连接，而同步性是我们的大脑帮助我们做到这一点的一种方式。

合作与交谈正是西德和我在我们各自的扫描仪中所做的事情，当我们一起创作一个故事时。然而，比我们的努力更令人印象深刻的是在我们之前的那对搭档的努力。惠特利实验室的研究生凯特琳·李（Caitlyn Lee）与达特茅斯学院的计算机科学教授洛瑞·勒布（Lorie Loeb）合作。他们将他们的故事背景设定在一个陌生的景观中，而不是像我们一样设定在公园里。在李的一次轮到她时，她说，“孩子们爬的树看起来很奇怪；地面开始隆起。”然后她的回合结束了，勒布接过了故事，说，“感觉就像生物吸了一口气。”这正是李一直在想的：孩子们走在的外星生物本身上。“感觉我们真的在同一页面上，”李说。

当我们听李的复述时，惠特利转向我。“在某种程度上，”她说，“我认为这一定是同步性在起作用。”