絕大多數神經科學研究包含三個要素：一個人、一項認知任務和一臺能夠觀察大腦內部的高科技機器。這個簡單的配方可以產生強大的科學成果。此類研究現在例行產生神經科學家過去只能夢想的影像。它們使研究人員能夠描繪出複雜的神經機制，這些機制可以理解視覺和聽覺，處理語言並從經驗中獲得意義。
但是，這些研究中主要缺少的是：其他人。我們人類天生是社會性的，但即使是社會神經科學這個明確為探索人類互動的神經生物學而建立的領域，也沒有您想象的那麼社會化。僅舉一個例子：還沒有人捕捉到兩個人一起交談時豐富複雜的大腦活動。達特茅斯學院的神經科學家塔利亞·惠特利說：“我們一生都在與他人交談並建立這些聯絡。” “ [然而]我們對人們實際上是如何聯絡的知之甚少。我們幾乎不瞭解思維是如何耦合的。”
群體腦紋
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這種情況正在開始改變。越來越多的神經科學家正在使用複雜的技術——以及一些非常複雜的數學——來捕捉當一個大腦、兩個大腦甚至 12 或 15 個大腦的所有者進行眼神交流、講故事、共同關注一個主題或物體或任何其他需要社互動動的活動時會發生什麼。儘管互動式社會神經科學領域仍處於起步階段，但希望仍然存在，即識別真實社交交流的神經基礎將改變我們對溝通的基本理解，並最終改善教育或為涉及社交障礙的許多精神疾病的治療提供資訊。
以前的技術限制是研究真實人類互動的主要障礙。腦成像需要靜止，而科學的嚴謹性要求一定程度的實驗控制，但這絕非自然。因此，很難生成關於一個大腦的高質量資料。紐約大學的神經科學家大衛·波佩爾說，為兩個大腦這樣做“不僅僅是難兩倍”。 “您必須同步機器、資料和資料採集。”
儘管如此，首次成功同時監測兩個大腦的研究發生在近 20 年前。弗吉尼亞理工大學的物理學家裡德·蒙塔古和他的同事將兩個人放入獨立的 功能性磁共振成像 (fMRI) 機器中，並觀察他們的大腦活動，因為他們參與了一個簡單的競爭性遊戲，其中一名玩家（傳送者）傳輸了一個訊號，表明他或她剛剛看到的是紅色還是綠色，而另一名玩家（接收者）必須決定傳送者說的是真話還是謊言。猜對的人會得到獎勵。蒙塔古將該技術稱為超掃描，他的工作證明可以同時觀察兩個大腦。
最初，蒙塔古的領先地位主要被其他神經經濟學家而不是社會神經科學家所追隨。但是，術語超掃描現在適用於任何涉及多個人的腦成像研究。如今，符合要求的技術包括腦電圖 (EEG)、腦磁圖和功能性近紅外光譜學。這些各種技術（其中許多是全新的）的使用擴大了可能的實驗範圍，並使超掃描不那麼繁瑣，因此也更受歡迎。
參與很重要
除了互動神經科學的實際挑戰之外，還有一個更哲學的問題一直在流傳，即從社互動動期間測量人獲得的大腦神經資訊是否與人在獨處或僅充當觀察者時進行的掃描有顯著不同。當您看著的人也看著您時，這有關係嗎？說一句話和對正在聽的人說一句話有什麼區別嗎？
是的，顯然是有的。慕尼黑馬克斯·普朗克精神病學研究所的精神病學家和社會神經科學家萊昂哈德·希爾巴赫說，越來越多的證據表明，“當您直接與另一個人互動而不是觀察另一個人時，社會認知從根本上是不同的。”
證明這些差異不一定需要對多個大腦同時進行研究，但這確實需要相對自然的實驗，這些實驗在標準實驗室協議施加的約束下難以設計。馬里蘭大學的心理學家伊麗莎白·雷德凱研究自閉症中的社互動動，重點是兒童中期。早在 2010 年，當她還是在麻省理工學院與麗貝卡·薩克斯合作的博士後研究員時，雷德凱設定了一個開創性的實驗，其中一名參與者在掃描器內部，另一名（實際上是一名研究人員）在掃描器外部透過影片饋送進行即時互動。另一個對話者的錄製影片作為對照。在即時互動與錄製互動中，雷德凱看到更多參與社會認知和獎勵的大腦區域被啟用。
她隨後的研究繼續確立了互動大腦反應方式的差異。在兒童的大腦中，當他們認為自己正在與同伴互動時，比不互動時，更多參與思考他人心理狀態的區域（用白話說是心理化）會被啟用。在共同注意力的研究中，共同注意力是社互動動的關鍵組成部分，雷德凱發現，當共享注意力而不是獨自檢視某物時，大腦的心理化區域（如顳頂交界處）的反應不同。現在她想知道自閉症個體的互動方式是否存在進一步的差異。“人們參與這些心理化區域的程度是否與他們在社互動動中的成功有關？”她想知道。雷德凱說，現在說還為時過早，但顯然，“如果您只依賴觀察者方法，您就不會獲得完整的故事。”
希爾巴赫一直是所謂的第二人稱神經科學的最主要倡導者之一。他的研究包括似乎對參與者的目光做出反應的虛擬角色。希爾巴赫說，在這種情況下，“所謂的心理化網路和行動-觀察網路似乎比我們以前知道的聯絡更緊密”。 “它們相互影響，有時以互補的方式，有時以抑制的方式。” 希爾巴赫還發現，即使是非常簡單的行為，例如凝視另一個人並相信他們在回望您——一種您感覺到自己的行為對另一個人產生影響的互動——也會刺激大腦獎勵迴路中的活動，尤其是腹側紋狀體。我們發現一種行為越有回報，我們就越有可能重複它。
眼睛會說話
另一個人的大腦中發生了什麼？眼神交流是一個合乎邏輯的觀察點。眼神交流啟用社交大腦，並向另一個人發出您正在關注的訊號。這是我們分享意圖和情感的一種方式。日本國立生理科學研究所的佐渡紀宏和他的同事在 2019 年初使用超掃描表明，眼神交流透過同時啟用每個人大腦的相同區域來為社交大腦做好移情準備：小腦（有助於預測行為的感官後果）和邊緣映象系統（一組大腦區域，當我們移動身體的任何部位（包括眼睛）以及當我們觀察別人的動作時，這些區域都會變得活躍）。一般來說，邊緣系統是我們識別和分享情感能力的基礎。換句話說，它對於調節我們的同理心能力至關重要。
我們互相講述的故事是探索將我們聯絡在一起的社會粘合劑的理想手段。普林斯頓大學的神經科學家尤里·哈森透過講故事進行了關於大腦耦合的開創性實驗。在一項這樣的研究中，他將一個人放入掃描器中，讓這個人講故事。然後，他將一個新人放入掃描器中，讓志願者聽第一個人講述的故事的錄音。哈森比較了說話者和聽眾隨時間推移的大腦處理過程，逐時匹配活動，他發現了兩個大腦耦合的證據。哈森說：“聽眾的大腦變得類似於說話者的大腦。” 而且大腦越aligned，聽眾報告的理解力就越強。哈森說：“您作為個體的大腦實際上是由您所連線的大腦決定的。”
哈森最近與達特茅斯的惠特利聯手，看看他們是否可以測量對話期間的大腦耦合。惠特利說，一次好的對話意味著“共同創造新的想法和您無法獨自獲得的體驗”。她想在大腦中看到這種體驗。他們的研究包括連線到線上的不同大學的掃描器。（大多數心理學系只有一個掃描器。）每臺掃描器中有一個人，受試者輪流完成一個故事——一個參與者說幾句話，另一個參與者從同伴離開的地方繼續說下去。惠特利說，如果科學家能夠捕捉到這種互動期間的大腦狀態，他們或許能夠看到在對話過程中，兩個大腦是如何交替地靠近，然後再彼此遠離的。
超越配對
或許不可避免地，神經科學家已經轉向研究不僅是兩個，而是多個大腦。這些實驗需要使用行動式腦電圖。早期的研究表明，當我們參與音樂會或電影等集體活動時，我們的大腦波會同步——觀眾全神貫注意味著他們以相同的方式處理交響樂的結尾或愛情或打鬥場面。這並不是那麼令人驚訝，但現在科學家們正在課堂上應用相同的方法，研究結果可能會增加我們對學生最佳學習方式的瞭解。
在紐約市高中進行的一系列研究中，包括波佩爾、蘇珊娜·迪克和伊多·戴維德斯科在內的紐約大學研究團隊在一個學期的時間裡，從生物課上的每位學生那裡重複進行了腦電圖記錄。他們發現，當學生更投入課堂時，他們的大腦波彼此之間更加同步。大腦到大腦的同步也反映了學生彼此以及老師的喜愛程度——更親密的關係會導致更多的同步。他們目前的研究正在檢查課堂上的大腦同步水平是否可以預測所學材料的保留率。波佩爾說：“我認為我們正在做的事情非常有用。” “ [我們如何] 以有針對性的方式將這些技術用於 STEM 學習？”
希爾巴赫認為，互動神經科學在精神病學中也具有實際應用。例如，它可以預測哪位治療師最適合哪位患者。而對現實生活情境的關注有助於確保任何發現都對患者有價值。希爾巴赫說：“作為一名精神病醫生，我沒有興趣幫助一個人在特定的社會認知任務中變得更好。我試圖幫助那個人過上幸福而充實的生活。”