父子问题解决过程中的人际间神经同步性：一项fNIRS超扫描研究

人际间神经同步性(INS)已在母子互动中得到证明，但关于父子互动的发现仍然缺乏。本研究考察了父亲及其5-6岁的孩子(N=66)在自然互动过程中他们的大脑活动是否同步，并探讨了与INS相关的父亲和儿童因素。与单独解决问题和静息相比，父亲-儿童亲子对在合作解决问题过程中表现出双侧背外侧前额叶皮层和左侧颞顶联合区的显著增加的INS。此外，父亲对其父亲角色的态度与合作条件下的INS呈显著正相关。这些结果首次强调了父亲的养育态度在人际间神经同步性进程中的影响。

引言

在过去的几十年里，父亲的角色随着重大的社会变化而发生了实质性的演变。今天的科学研究广泛认同孩子们在许多方面受益于他们的父亲的观点，例如，父亲的存在与更好的认知发展和更强的感知能力有关。这些新见解伴随着依恋理论中：父亲是照顾者和依恋对象的认识的增加，导致探索父亲-儿童对（包括父亲-儿童互动）研究的激增。最近的一项研究为父亲的互动行为和婴儿大脑解剖结构的变化之间的关联提供了第一个证据，而其他研究则将体验父亲身份与父亲心理理论和情绪加工相关脑区（即颞上沟或额下回）的神经变化联系起来。然而，尽管对父子互动与孩童结果之间关系的了解越来越多，但对可能构成这种关联的行为动力学和大脑机制知之甚少。随着超扫描技术在亲子互动中的进展，人际间神经同步性(INS)—被认为支持行为协调和沟通—迄今为止主要在母子互动中得到证明。在本文中，作者开展了一项功能近红外光谱(fNIRS)超扫描研究，专门探究了父亲-学龄前儿童对的人际间神经行为同步性。

在早期的社会交往过程中，行为协调（如同步）被认为对孩子的社会、认知和情感发展至关重要。最近，这一描述还被扩展到包括生理（如心率、皮质醇分泌）和神经（如大脑活动）水平的同步性。针对神经同步，研究者提出行为协调的节律性被认为反映在神经振荡的同步上。当行为交际节律通过环境(如语音)传播时，一个人的感觉系统与另一个人的运动系统就是耦合的。在两个相互作用的成对的个体中，内部神经元振荡对外部节律的夹带已被证明能够实现对节律刺激的最优化处理，这是因为感觉输入随后会在高神经元共兴奋的阶段被采样。因此，INS被认为是被试对成员之间（或群体内部）通过语言和非语言交流来促进信息传递的基本机制。越来越多的研究确实提供了证据，表明成人-成人对以及成人-儿童对在合作互动期间更高水平的INS与其较高的任务绩效（就共同目标实现而言）相关。这些发现强调了促进协调和沟通与增强的亲子对的神经同步性有关。综上所述，关于社会互动过程中生物-行为同步的神经方面的数据仍然很少。这通常适用于亲子对，尤其适用于父亲-儿童对。

现有的fNIRS超扫描研究主要考察了母亲-儿童对的神经同步性。fNIRS允许在自然交互情境下测量大脑活动，通过血红蛋白的氧合变化来反应。与功能磁共振成像（fMRI）和脑电图/脑磁图（EEG/MEG）相比，它不太容易受到运动伪影的影响，但在皮层深度和时间分辨率上有所降低。在越来越多的研究中，照顾者-儿童对（包括从婴儿到学龄的不同年龄的儿童）的INS在自然问题解决、非言语二元互动、自由言语对话以及标准化的合作按键任务过程中被观察到。这些研究为从婴儿期到青春期的不同儿童年龄组以及一系列不同互动情景中的照顾者-儿童互动过程中的INS提供了最早的证据。所有已发表的儿童研究的共同之处在于，在给定的任务或互动中，INS随着不同行为模式（即注视、言语、运动）的相互参与而变化。相比之下，在评估行为协调时，相关模式会随着儿童的发展而变化。例如，对话协调只有在孩子们能够口头表达自己时才会出现。因此，我们提出将INS作为亲子互动过程中相互投入的一种有效的生物标志物。研究父亲-儿童对的INS可以帮助我们更好地理解母子互动和父子互动的独特特征和共性，并可能揭示整个幼儿期人际间行为协调的基本机制。

尽管使用了不同的INS估计方法，但关于母子合作和交流的研究一致报告了颞顶交界处 (TPJ) 和外侧前额叶皮层 (PFC) 的INS。TPJ脑区的INS与人际间行为协调有关，这对亲子互动至关重要。协调过程中人际间节律对齐取决于各种影响因素，特别是其社会情感价值（在包括TPJ在内的颞顶叶区域计算所得）。除了TPJ脑区功能相关的追踪所输入的视觉信息的社会情感价值和参与心理状态表征外，合作还涉及对社会情景中的情感加工的自上而下的认知控制。而这一功能与主要位于外侧前额叶脑区（如背外侧前额叶[dlPFC]）的认知控制系统的参与有关。因此，dlPFC脑区的INS被认为是社会互动过程中相互注意和共同意图的潜在生物标志物，同时也反映了情绪调节能力。总的来说，新的研究结果表明TPJ和dlPFC在照顾者-儿童互动期间的INS中发挥着重要的作用。

虽然父亲越来越被认为是孩子的照顾者和依恋对象，但关注或包括父子互动的亲子超扫描研究却很少。现有的行为数据表明，父亲和母亲与孩子的互动行为在原则上应该没有本质上的不同。例如，父亲-儿童对和母亲-儿童对在互动过程中表现出相似水平的人际间行为同步性，父子和母子的互动质量一般来说似乎是相当的。这些结果表明，父亲-儿童对可能表现出类似于母亲-儿童对的INS与状态类因素（如行为互惠）的关联。

除了与成对个体的行为同步性相关的状态类因素外，还有和父母特征相关的其他状态类因素也被探究过。两项研究表明，母亲的压力可以减弱母亲-儿童对的INS，而不依赖于互动环境。相反，母亲敏感度作为亲子关系质量的另一个预测因子，到目前为止可能与INS无关（尽管这种相关性的缺乏可能是由于评估的高社会经济地位样本的差异太小所致）。父亲行为的类似品质似乎也会影响孩子的发展。更准确地说，父亲对儿童保育的参与与父亲对保育的敏感性以及随后儿童发展的积极结果有关。更普遍地说，特质性因素“父职参与”不仅能积极影响父亲的照顾行为，还能改变父亲的生理机能。相比之下，与养育子女有关的痛苦感知可能会以对孩子产生负面影响的方式塑造父亲的行为，甚至可能使他们面临精神病理学的风险。总而言之，这些发现强调了在生物-行为同步的背景下使用超扫描研究父子互动时，需要考虑状态性因素（如父亲敏感性和痛苦）和特质性因素（如父职参与）。

此外，其他fNIRS超扫描研究的结果证实了行为研究的结果，强调了学龄前儿童在互动中扮演越来越积极的角色。孩子的生理性别可能与父亲-儿童对的互动质量有关。然而，最重要的是，这里的证据有些不一致。例如，虽然有研究发现父女对与父亲更协调，父亲对女儿表现出更敏感、结构化的行为，但其他研究表明父亲更多地参与和回应他们的儿子。此外，早期的研究表明，相比女孩，父亲更可能支持男孩的积极玩耍，并且父亲-儿子互动的特点是更高的儿童能动性，而不会陷入冲突或竞争。综合起来，行为研究结果可能存在一些不一致之处，表明父亲-儿童对在INS和互动质量方面可能具有与母亲-儿童对相似但不一定等同的模式。与此同时，现有的研究结果表明，父亲-儿童对在互动质量上可能表现出性别差异。由此可见，在亲子关系的探究中，需要考虑儿童的生理性别。

在本研究中，作者特别关注父亲-儿童对在合作问题解决过程中是否表现出INS（使用fNIRS超扫描测量）的问题。个人问题解决的控制条件以及休息阶段作为合作问题解决的对照条件。本文的作者在先前母亲-儿童对相关文献的基础上，使用七巧板拼图任务来考察父亲-儿童对在问题解决过程中是否会表现出类似的INS模式，包括已在此背景下进行了评估的状态性和特质性因素。在这些互动过程中，我们只关注父亲作为照顾者，这一事实使我们加深了对一般亲子互动的神经生物学基础的理解，并提供了研究促进或减弱父亲-儿童对神经行为同步的潜在因素的机会。此外，了解母亲-儿童对和父亲-儿童对之间的行为和大脑活动的相似模式是如何一致又有所不同的，可能有助于阐明父亲对儿童发展的独特贡献。

本文探究了以下主要的研究问题：

1.与个人阶段和休息阶段相比，父亲和儿童在合作的问题解决任务期间表现出增强的INS吗？鉴于上述证据表明，在多个不同儿童年龄的母子研究中都发现了TPJ和dlPFC脑区的INS的增加，本文作者预期在合作条件下(与所有其他条件相比)，相同脑区的INS是最高的。

2.合作过程中的INS是否与被试对的行为变量（即任务表现和行为互惠）有关？INS和任务表现之间的联系在从按键到问题解决的各种形式的合作任务期间的母子研究和成人被试对中都得到了证实。因此，本文作者预期在父亲-儿童对合作的过程中，其任务表现和所有感兴趣区的INS之间正相关。此外，最近发展研究的证据表明，在合作的母子问题解决过程中，其较高水平的行为互惠与TPJ和dlPFC脑区较高水平的INS相关。因此，本文作者假设父亲-儿童对在相同脑区表现出同样的关联。

3.合作期间的INS与儿童能动性之间是否有关系？先前研究证实了在母子合作期间TPJ和dlPFC脑区较高的INS与儿童能动性之间的关联。因此，本文作者假设这种联系也会表现在父子合作过程中。

4.父子合作中INS的父亲状态性行为的和自我报告的标记是什么？本文作者假设在合作过程中，父亲敏感性与INS呈正相关。虽然在之前的研究中，母亲的敏感性与合作期间的INS没有显着相关性，但本文作者预期在合作问题解决过程中，父亲的敏感性照顾会提供与TPJ和dlPFC脑区INS相关的独特个体差异。另外，先前的文献表明，母亲的压力可能与合作过程中TPJ和dlPFC脑区的INS降低有关，本文作者预期在父亲-儿童对中也存在相似的模式。

5.合作期间的INS与父亲身份相关的特质性特征之间有何联系？由于研究发现父亲对儿童保育的敏感性和参与更普遍地与儿童发展的积极结果有关，本文作者还预期在合作的过程中，父亲对其作为父亲角色的欣赏(通过父亲角色问卷进行衡量)与所有感兴趣区的INS之间存在正相关关系。

方法

样本

66名父亲(M=39.2岁，SD=5.17岁)及其学龄前孩童(M=5.32岁，SD=0.31岁；31名女孩)参与了本研究。使用G*Power对中等效应量重复测量设计进行最佳样本量计算(groups = 3, f = .25, α = .05, 1-beta = .90)，得到N=36。

程序

在给予书面知情同意后，父子两人面对面地坐下，由一张桌子隔开，并被引导经历合作问题解决的条件（120秒）、个人问题解决的条件（120秒）和80秒静息（即每个条件之间闭眼休息80秒）（见图1A）。合作和个人问题解决条件重复两次，顺序平衡。在问题解决的条件中，父亲和孩子被要求合作或单独安排七巧板拼图，并重新创建抽象形式、物体和动物的模板。在个人条件下，在两者之间放置一个不透明的屏幕，以帮助照顾者和孩子专注于他们自己的问题解决。在静息阶段，父亲和孩子被指示闭上眼睛，放松，不要互相交谈。整个过程被记录在从三个不同角度（捕捉父亲和孩子的正面图像以及整个被试对的一个侧面像）录制的视频中。

图1.实验范式。

（A）实验过程序列的说明，展示了一个示范性的父子对正在合作（红色）和个人（绿色）解决七巧板问题。静息阶段用蓝色表示。条件的顺序是平衡的，从而产生了两种可能的序列。

(B)双侧背外侧前额叶皮层和颞顶联合区解剖位置的光极板构造图（光源=红色，探测器=蓝色，通道=编号，脑电图位置=黑色）。左边图是左半球，右边图是右半球。

fNIRS数据采集

使用NIRScout 8 × 16 (NIRx Medizintech-nik GmbH：柏林，德国)光学测量系统记录了每个被试对氧血红蛋白(HbO)和脱氧血红蛋白(HbR)浓度的变化。8个光源和8个探测器被分成4个2×2的光极板，并被安置到一个具有10-20配置的脑电帽上。光极按照标准电极位置放置。为了评估左侧和右侧dlPFC的大脑活动，使用AF3和AF4的电极位置作为指导，而左侧和右侧颞顶联合区（TPJ）的光极则根据CP5和CP6放置。感兴趣区域 (ROI) 是基于以往考察合作性亲子互动的研究发现进行选取的。四个光极板共得到16个测量通道，相邻光极之间的距离为3cm。测量了760和850nm波长的近红外光的吸收量，采样率为7.81Hz。

fNIRS数据处理

在分析fNIRS测量值之前，在初始质量检查过程中对原始数据进行了目视检查。这导致整个样本中2.16%的通道被排除在进一步分析之外。在这一初始步骤之后，使用基于MATLAB、来自SPM的函数对剩余数据进行预处理。首先用MARA（一种使用加权线性最小二乘法和二阶多项式模型的基于局部回归的平滑程序）对原始光密度值进行头动校正，然后对数据进行0.01Hz的高滤波。根据修改后的Beer-Lambert定律将滤波后的数据转换为HbO和HbR值。接下来的统计分析重点关注HbO值，研究发现HbO值对局部脑血流的变化更为敏感。

小波相干

利用基于Morlet小波的小波相干(WTC)计算INS。WTC根据频率和时间估计两个fNIRS时间序列之间的相干系数，从而得出一个同步性数值（由某一频带中的同相和相位滞后同步性组成）。WTC是INS最常用的估计方法，它包括了两个时间序列的时间相关性和频率相关性。根据视觉检查和之前使用相同范式的研究，本研究感兴趣的频带被确定为10-50秒(约0.08-0.1Hz)。WTC值是在条件上和频带上求取的平均值，共得到16（通道）×4（两个合作条件+两个个人条件）个INS值。对于所有四个条件，相同长度的数据（即240秒）进入计算。此外，在本研究中进一步对1000个排列进行了随机配对分析，以排除由于虚假相关性造成的影响。

行为上的任务表现和交互质量

个人的和成对的任务表现分别通过个人条件和合作条件下解答的七巧板模板数量来评估。合作条件下的互动质量（即行为互惠）、父亲敏感性和儿童能动性是由三名研究生对视频记录使用同一种编码方案（该编码方案改编自之前考察母子问题解决期间的INS的一篇研究）进行评分所得。简而言之，儿童能动性和行为互惠的评分是使用基于母子互动编码系统的定制化编码方案得出的，而父亲敏感性则是使用名为INTAKT的德国仪器进行评估的。有关这些编码量表的更多详细信息（以及被计算为组内相关性（ICC）的对25%的视频记录的评分者一致性信度），请参见表1。每个量表均采用7点李克特评分（1=不出现，7=连续出现），并在两种合作条件下取平均值。对编码者之间在每个量表上超过一个点的差异进行审查，并达成共识。

表1 量表名称、量表描述和评分者一致性信度

与父亲身份相关的自我报告的其他特质性变量

父亲角色问卷

父亲对父亲身份的态度（即，父亲坚信自己对孩子的发展起重要作用的程度）是采用适用于学龄前儿童父亲的ROFQ德译版来测量的。ROFQ包含15个项目，父亲用5点评分表示他们对每个项目的同意或不同意程度。较高的分数反映了父亲有能力照顾孩子且他们应该参与并以敏感的态度对待他们的孩子的态度。内部一致性是足够的（Cronbach’s α = .78）。

亲职压力量表

当前父亲的育儿压力大小是使用简短的德语版亲职压力量表来评估的。这份自我报告问卷评估了在儿童和养育领域内亲职压力的大小。该量表由48个项目组成，这些项目形成了与父母对孩子的感知及父母功能有关的压力源的简短陈述，使用从1（完全没有）到5（非常强）的5点李克特评分。内部一致性很高（Cronbach’s α = .91）。

统计分析

统计分析在RStudio中运行。行为和问卷数据分析采用线性回归法对行为量表(即任务表现、父亲敏感性、儿童能动性、父亲参与)和自我报告量表(即父亲角色和父亲压力)进行分析。使用零膨胀泊松回归法对行为互惠进行分析。使用FDR对多重比较进行p值校正。

对于四个ROIs和三种条件下的INS分析，使用软件包lme4计算了一个线性混合效应模型。由于WTC值的范围从0到1，它们经过了Fisher z变换。WTC值作为响应变量输入，条件（合作vs.个人vs.休息）、ROI（每个被试对有4个ROIs）的交互作用作为固定因素，每个被试对中的每种条件都具有随机斜率。对于每一个先验假设，都计算了一个单独的统计模型。除了考察INS的主要模式（模型1）之外，为了检验个人的和被试对的因素对INS的影响，根据作者预注册的内容，使用仅包含合作条件和个人条件（后者作为积极控制条件）的数据子集估计了以下统计模型。模型2（被试对互动变量）包括条件、合作任务表现和行为互惠的固定效应和交互效应。模型3包括了条件与儿童能动性的固定效应和交互效应。模型4（状态性的父亲变量）包括条件、父亲敏感性和父亲压力的固定效应和交互效应。模型5（特质性的父亲变量）包括条件和父亲角色的固定效应和交互效应。

使用似然比检验，将包含所有预测因子的全模型与只包含随机效应结构的各自的零模型进行比较，得到模型拟合。为了检验固定效应因素的显著性，计算了具有函数约束的置信区间来估计稳健性（即不包括0的置信区间为0），并使用emmeans软件包进行事后比较，从而按照预先登记的假设进一步分析关系。事后对比中的p值使用Tukey's HSD进行校正。

结果

人际间神经同步性

首先，检查了不同的父子交互情景和非交互情景是否会影响dlPFC和TPJ脑区被试对的INS（模型1）。线性混合效应分析显示条件的主效应显著（见图2）。总的来说，与个体问题解决和静息条件相比，在合作性的问题解决任务中被试对表现出更高的INS水平。个体问题解决和休息过程中的INS没有显著差异。

图2. 合作条件下在小波相干性(WTC)方面的人际间神经同步性（INS；y轴）显著高于个人（绿色）和休息（蓝色）条件（x轴）的图示。

模型1也发现了显著的ROI主效应。然而，条件和ROI之间的交互效应不显著。随后的计划中的每个ROI中条件间的探索性对比被计算，结果显示，与个人和静息条件相比，合作过程中双侧dlPFC和左侧TPJ的INS显著增强(见图3)。在右侧TPJ脑区的条件间的对比就合作与静息对比而言是显著的，但是就合作与个人条件对比而言是边缘显著的。总体而言，与个体条件和静息阶段相比，合作条件下所有ROI的INS都有所增加。随后的分析包括ROI的固定效应来控制混淆因素。

图3. 在双侧dlPFC和TPJ脑区，合作条件（红色）对比个人（绿色）或静息（蓝色）条件的人际间神经同步性的图示。WTC=小波相干性。*p < .05. **p < .01. ***p < .001。

被试对交互变量

模型2检验了被试对交互变量（即任务表现和行为互惠）的影响，以及它们与INS的关系在合作条件与个体条件（后者作为积极控制条件）下是否有差异。研究结果显示，所有预测因子的主效应和交互效应均不显著，这意味着在当前的父子对研究中，合作的INS与行为互惠中的被试对差异和任务表现均无关。

儿童能动性

第三个线性混合效应模型（模型3）探查了儿童能动性评分作为固定效应预测因子。结果显示，儿童能动性在任何条件下都与INS无关，因为没有显著的主效应和交互效应。

父亲变量

状态性变量：父亲敏感性和亲职压力

线性混合效应模型4检验了状态性的父亲变量（即父亲敏感性和父亲的亲职压力）的影响。模型4没有显示出涉及父亲敏感性的显著主效应或交互效应，而与亲职压力有关的分析只显示了一个边缘的主效应。尽管先前似乎有迹象表明，在母子互动期间，较高的自我报告的亲职压力与较低的INS水平有关，但在当前的父子对样本中，这种影响似乎不够稳健。

特质性变量：父亲角色

模型5分析了特质性变量父亲角色对INS的影响。模型5揭示了父亲角色的显著主效应，以及与接近显著的条件的交互效应（见图4）。随后的事后趋势分析显示，该关联在合作条件下是正向的和最稳健的，在个人条件下是正向但不稳健的。这一模式表明，当父亲对自己在育儿中的角色的态度更关注、敏感、积极时，合作条件下的INS就会增强。

图4. 在小波变换相干性(WTC)方面的人际间神经同步性（INS，y轴）和父亲角色问卷(ROFQ)得分（x轴）之间的显著正相关的图示。灰色阴影区域对应95%的置信区间，每个黑点对应一个被试对的数据。

结论及未来展望

本研究使用fNIRS超扫描的方法，首次研究了父亲-孩子在合作问题，并将INS作为指标。本研究结果与学龄儿童-父母和学龄前儿童-母亲被试对的fNIRS研究结果一致，即学龄前的父亲-儿童被试对的侧前额叶(dlPFC)和颞顶叶(TPJ)脑区在合作行为中出现了INS增加。本研究的结果也初步表明，在合作解决问题中，父亲-孩子被试对的INS可能存在与母亲-孩子被试对中不同的潜在过程。例如，我们只在母亲-孩子被试对而不是父亲-孩子被试对中观察到INS与合作任务绩效和互惠之间的关联。

此外，未来的研究可能会进一步解读与INS相关的行为和特征，并探索可能的中介/调节机制。研究父亲-孩子被试对的行为和INS模式并进行更详细的比较，似乎是一个有前途的研究途径。父子间的互动中，父亲对自己作为父母角色的态度是父子合作期间的相关因素。因此，在更广泛的社会背景下，这似乎与促进父亲参与孩子成长的重要性有关。本研究首次强调了父子神经同步性的差异可能与父亲特质性的养育态度的差异有关。

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