眼动追踪与近红外结合:婴儿利他行为的神经发育基础
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利他行为是构成人类合作行为的关键特征之一,具有很深的个体遗传根源。然而,利他行为的倾向性具有很大的个体差异(从极度无私的肾脏捐献者到高度反社会的精神病患者),并且与对恐惧面孔的反应不同有关。来自美国弗吉尼亚大学心理学系的Grossmann结合眼动追踪和功能性近红外光谱(fNIRS)两种技术探究了对处于困境中的他人(表现为恐惧)的注意力反应能否解释在早期发展过程中帮助行为的变异性,本文发表在plos biology。
主要发现包括:
1. 幼儿时期的利他行为是由婴儿对恐惧面孔而非高兴或生气面孔的注意来预测的。具体来说,在7个月时对恐惧面孔表现出更高的初始注意(即,长时间的第一次看)随后又表现出更大的脱离(即,减少的注意偏向超过15秒)的婴儿会在14个月大时表现出更大的亲社会行为。
2. 背外侧前额叶皮质(DLPFC)中的大脑反应预测了婴儿对恐惧面孔的注意偏向及利他行为。
结果表明,从个体发育的早期开始,利他主义帮助行为的变异性与对恐惧面孔的反应性以及涉及注意力控制的大脑过程有关。这些研究结果确定了对他人恐惧时的反应是导致亲社会行为变异的早期前兆,从而批判性地推进了对于人类利他主义出现的理解。
关键词:眼动追踪近红外利他行为个体发育
研究方法:
被试
共有64名婴儿(其中女婴30名)分别在3个时间点参加了这个研究: 5个月(M = 147.39天,SD = 15.16),7个月(M = 214.81天,SD = 6.79),和14个月(M = 432.30天,SD = 8.70)。这些婴儿的母亲也参加了5个月时的访问(M = 31.56岁,SD = 4.07)。所有婴儿均为欧洲血统,出生于标准胎龄(超过38周),出生体重正常(> 2500克)。父母在每次访问时都会获得旅行费用、婴儿照片和玩具补偿。本研究实验设计的全貌及在婴儿不同年龄所采用的研究方法如图:
图1.研究设计的概览和在婴儿不同年龄所采用的研究方法。
5个月时的皮质醇测量
母婴对被告知在约定时间前30分钟除了水之外不要进食或饮用任何东西。实验过程最常在上午晚些时候进行(平均到达时间=11:00,SD= 1:52),目的是为了解释昼夜皮质醇的变化。在到达后约5分钟左右收集婴儿及其母亲的唾液样品。在每次实验后将样品储存在-80℃冰箱中,随后在室温下被运走以用于分析。对原始皮质醇水平进行对数转换以校正正偏斜。
5个月时的自由社会互动游戏
自由交互游戏发生在唾液收集之后。为了录制一段自然的游戏过程,每位母亲都被指示与她的婴儿像在家里做得那样互动。此外没有给更多的指示。婴儿被放在一条柔软的毯子上。设置两台摄像机来同时记录互动:一台摄像机捕获母亲的脸部和身体,另一台摄像机捕获婴儿的脸部和身体。母亲们都知道摄相机的存在,并被告知要保持在视线之内。为每位母亲提供了相同的5个物件(4个玩具和1本游戏书)以协助游戏。母亲可以在交互过程中自由选择和改变感兴趣的物件(或完全放弃这些物件)以适应婴儿的需求和偏好。匹配好后,实验者离开房间,只留下母婴进行5分钟的互动。
自由游戏分析。使用开源软件Kdenlive对母亲和婴儿的录像进行了调整,这就生成了整个互动过程的单个时间锁定的视频。每个视频的前几秒都被裁剪掉以创建一个精确的4分钟时间窗口,并从中进行编码。一名受过训练的(主要的)编码员根据先前在内部开发的编码方案评定每次互动,以评估母亲和婴儿的参与度。编码旨在捕捉母亲(口头参与、与婴儿的身体接近、对婴儿的视觉注意或视觉接触、积极情绪)和婴儿(对母亲视觉注意或视觉接触和积极情绪)从1(非常低)到5(非常高)等级回答的行为。身体接触的持续时间、婴儿的微笑和笑声等其他因素在INTERACT Software(Mangold International)中进行编码。为了测试主编码器的可靠性,另一位训练有素的编码员评估了视频的随机子样本(25%)。为每个变量生成评分者间Z分数,并对其进行平均以创建母亲和婴儿参与度的综合分数。
7个月时的近红外测量
7个月时的访问包括fNIRS实验以及随后的眼动追踪实验。此外,母亲填写了婴儿行为问卷修订版(IBQ-R)。该问卷提供了有关婴儿各种气质特征的信息。在我们的分析中特别关注婴儿的恐惧感。之所以这样做是因为先前的工作表明婴儿的恐惧与大脑额叶对恐惧(身体)表情的反应相关。在此次访问期间进行的fNIRS和眼动追踪实验的方法详述如下。
刺激。从被验证过和已公布的刺激库(FACES Collection)中选择表达幸福、愤怒、恐惧和中立的5位白种人女性的彩色照片。选出的5位女演员的表情平均识别准确率达到或超过93.25%。使用Adobe Photoshop CS5,将面孔放置在浅灰色背景中心的预定椭圆内(下方)。移动照片并调整大小从而与固定标记对齐以确定2只眼睛、嘴巴和鼻子的位置。这种编辑技术消除了脸部的任何可能分散注意力的外部特征,例如耳朵和头发,并且还确保所有内在面部特征呈现在屏幕上大致相同的位置。基线图像由呈现在浅灰色背景中心的5个无生命物体(植物)的彩色照片组成(与面孔刺激所选择的背景相同)。无生命物体图像在先前发表的与婴儿面部处理有关的婴儿fNIRS研究中已被用作基线刺激。面孔刺激和无生命基线刺激的视角分别为15.7°×21.7°和16.8°×16.8°。伴随有声音的摇动拨浪鼓的3秒视频剪辑(来自Tobii软件,瑞典)被用作注意力吸引物以将婴儿注意力定向到屏幕的中心。拨浪鼓的视角大约为4.6˚,声音包括3种交替的频率音(从109Hz到262Hz)。
程序:在一个安静、昏暗的房间里,婴儿坐在他们父母的膝盖上,面对着一个距离大约60厘米远的屏幕(52厘米×32厘米)。调节监视器使得屏幕的中心大致处于婴儿的眼睛水平,这确保可以容易地检测到视觉刺激,同时使父母难以看到屏幕。此外,父母被要求避免观看屏幕,并确保他们的婴儿在整个实验过程中没有碰到fNIRS光极帽。房间隔板将实验区域与控制台分开。与先前发表的研究一样,在实验过程中为每个婴儿提供了一个小塑料环握在手中,这已被证明可以减少实验过程中的手臂和身体运动。屏幕底部的摄像头在线跟踪婴儿行为,并允许在实验的每个试次之间进行注意力的离线编码。使用演示软件(Neurobehvioral Systems,United States)呈现刺激。
实验范式由包含3个随机试次(分别是幸福、生气和恐惧)的区块构成。每个区块都以注意力吸引物开始,以保持婴儿警觉并使他们的注意力定向到屏幕中心。每个试次包括至少6秒的无生命物体刺激呈现作为一个基线,然后是持续6秒的情绪面孔刺激。在每个基线和表情面孔呈现之前,短暂的150毫秒铃声(大约600赫兹)将婴儿的注意力吸引到屏幕上。面孔的身份是伪随机的,使得每个婴儿观看每个可能的女性面孔-情绪组合,连续呈现不同刺激。类似的伪随机化参数用于无生命的基线刺激,使得没有图像被连续两次用作基线,并且呈现了每个可能的基线图像-情绪组合。
基线和面孔刺激都以动态变化的视觉刺激的方式呈现。基线是由呈现时间至少6秒的同一照片从原始尺寸(500毫秒)变为稍大的尺寸(视角增加约1˚)(700毫秒)至少5次组成。面孔呈现是由呈现时间正好6秒的同一面孔从中性表情(500毫秒)变为目标情绪(700毫秒)5次组成(参见图5A)。这种面孔表情的假动态呈现方法改编自Nakato及其同事先前的婴儿fNIRS范式,并确保婴儿在fNIRS测量需要的相对较长的试次期间保持注意力。婴儿平均观看了总共30.75个试次(范围=18-43; SD = 5.847)。婴儿fNIRS数据通过NIRx NIRScout系统(德国)和NIRStar采集软件记录。安置32个光极(16个光源,16个探测器)在大脑两个半球的额叶和颞叶皮层,共形成49个通道(参见图5B)。采样率为6.25Hz。近红外光以波长760nm和850nm发射,功率为5nm/波长。
图5.A:本研究中7个月时使用的fNIRS范式。请注意,fNIRS实验先于眼动追踪实验进行。婴儿观看至少6秒的非社会性(无生命的)的基线刺激,然后是6秒的情绪性(快乐、生气和恐惧)测试刺激。通过呈现中性面孔来动态改变刺激,而中性面孔将快速且重复地变为3种情绪中的一种。
B:fNIRS通道布局(右),其中鼻子绘制向上,左图标有不同颜色的3个ROI(dlPFC=蓝色;IFC =紫色;STC =绿色;TPJ =红色),参考常用于脑电图研究的10-20系统。在左图,当投影到前视脑(底部)和侧视脑(顶部)的皮质表面时,也显示这些ROI。EEG,脑电;fNIRS,功能性近红外光谱成像;IFC,下额皮质;ROI,感兴趣脑区;STC,颞上皮质;TPJ,颞顶叶交界处。
数据分析。利用每个个体的录像视频首先编码了每个试次的注视时长,只有在基线和面部刺激均出现时婴儿注视屏幕至少4s才会进入fNIRS分析中。另外,目视检查并删除具有运动伪影的试次。使用基于Matlab的软件Nilab2(NIRx,Germany)分析剩余的干净数据。使用0.2Hz的低通滤波器和0.083Hz的高通滤波器对数据进行滤波,以消除太快的波动(即,由于心率引起的波动)和太慢而与实验刺激无关的变化(即漂移引起的波动)。对于面孔开始出现后6秒的时间窗口(相当于每个情绪面孔的刺激呈现持续时间),使用比尔-朗伯定律将NIRS数据测量值转换为氧合血红蛋白(oxy-Hb)和脱氧血红蛋白(脱氧-Hb)的浓度。每个婴儿的每个通道对于每种情绪表达的oxy-Hb和deoxy-Hb的平均浓度变化值被提取出来,并按比例缩放(×1,000),以避免使用很小的小数。每个婴儿每种情绪至少提供3个无伪影的试次(快乐试次:M= 7.14,SD= 2.34;生气试次:M= 7.09,SD= 2.16; 恐惧试次:M= 6.52,SD= 2.26)。分析专门性地针对颞上、下额叶和背外侧额叶皮质的脑区响应(见图2B)。这些感兴趣的脑区是基于nirsLAB分析包(NIRx)中计算的fNIRS通道在MNI空间的皮层投射、参考10-20EEG电极放置及其在婴儿中的已知皮质投设而先验创建的。
7个月时的眼动追踪
刺激。在fNIRS实验中使用的5位女演员中的3位的快乐、恐惧、生气和中性面孔表达的照片被选用于创建眼动追踪实验的刺激。刺激在Adobe Photoshop Version CS5中创建使得每个情绪面孔都与同一女演员的中性面孔并排呈现。每张面孔的视角约为15.7˚×21.7˚。
程序。在fNIRS实验之后立即进行眼动追踪。刺激通过Tobii Studio在之前观看fNIRS刺激的同一监视器上呈现。附着在计算机显示器底部的TobiiX120眼动仪记录了婴儿的观看行为。在刺激呈现之前,进行了5点校准程序。对没有成功固定的婴儿重复校准程序。
每个婴儿共观看了9次试次,其中3种情绪每种呈现3次,3位女演员每位呈现一次。刺激呈现是伪随机的,使得在连续试次中没有情绪没有女演员会被重复。此外,对于每个婴儿,情绪面孔呈现的位置(左侧或右侧)是平衡的。在线记录婴儿行为,以便实验者可以评估注意力并完全控制每个试次的呈现。每次试验都以屏幕中央的3秒钟注意力吸引物开始。实验试次呈现15秒(参见图2A)。在此期间,婴儿可以自由地探索面孔以及朝向和远离屏幕。
图2.A:本研究中7个月时使用的眼动追踪范式。请注意,眼动追踪实验在fNIRS实验之后进行。如图所示,实验试次包含并排呈现的中性面孔和情绪(快乐、生气或恐惧)面孔。注意,在实际实验中,情绪面孔和中性面孔呈现的位置是平衡的,面孔身份变化是伪随机的。B:在眼动追踪数据分析中使用的两个个感兴趣区域(面部和眼睛)。
数据分析。在TobiiStudio中创建了面部和眼睛的感兴趣区域(AOI)(有关面部和眼睛AOI定义的图示,请参见图2B)。对于这两个AOI的分析重点放在两种眼动追踪测量上:
(a)第一次观看情绪面孔的持续时间和(b)对情绪面孔的整体观看偏向。第一次观看的持续时间是由Tobii眼动追踪软件直接计算的。对情绪面孔的整体观看偏向的计算经过以下步骤:提取婴儿对每种情绪性和中性刺激的面部的观看次数和总观看次数。观看偏向的得分:计算观看每种情绪面孔的次数相较于其对应的中性面孔所占的比例。任何给定情绪(X)的注意偏差计算如下:
因此,当考虑到婴儿对中性刺激的观看时间时,其对生气、恐惧和快乐面孔的观看时间的百分比就可以进行比较了。对整个阶段的热图的目视检查显示婴儿在所有9个注意力吸引物中都注意着动着的拨浪鼓,表明首先在实验期间没有漂移,其次婴儿在面孔刺激的呈现之前保持看向屏幕中心。请注意,数据分析时使用四分位距离规则(IQR)删除了5个月和7个月时显著的预测因子所报告的的变量的异常值。
14个月时的亲社会测量
使用改编自先前发表的研究范式评估工具性帮助行为。该实验包括实验者需要帮助以获得够不着的物体的两种情景,每种情景都呈现3次,共有6次提供帮助的机会。
在第一种情景中(钢笔),实验者坐在桌子旁画一幅画。婴儿在桌子前面的地面上,这样她就可以看到实验者的动作。接着实验者的笔掉落了,并使之显得偶然。在前10秒钟,实验者看着笔并伸手去捡,但从未够着它。在接下来的10秒钟内,实验者继续伸手去拿笔,但目光接触在婴儿和笔之间转换。在最后10秒钟,实验者去拿笔、转换目光接触,并说:“哦,我的笔!”。该过程重复两次,结果就生成关于此情景的3个试次。整个范式被录制成视频并编码婴儿帮助频率(婴儿拿起笔并将其交给实验者的试次数目)和延迟(从笔落地到把笔交给实验者的时长)。
在第二种情景(球)中,实验者和婴儿(在父母的膝盖上)坐在桌子对面。3个纸球放在实验者面前(婴儿够不着),3个球放在婴儿面前。实验者使用钳子夹起自己面前的3个球并将它们放进一个盒子里。然后实验者去拿婴儿身边的一个球,但够不着它。实验者看着球并尝试接触到球10秒钟。在接下来的10秒钟内,实验者继续去拿球,目光接触在球和婴儿之间转换。在最后10秒钟,实验者继续去拿球、转换目光接触,并说:“哦,我的球!”。该过程重复两次,产生关于该情景的3个试次。同样,试次被编码为帮助频率(3个试次中提供帮助的试次的数目)和帮助的延迟。实验阶段由3台摄像机录像,所有的实验阶段均由未参与实验且不知道研究假设的的一位主要编码员编码。包含25%的实验阶段的一个随机样本由第二个编码员编码以确定编码员间的效度。针对目标行为的编码(即,婴儿确实递过来钢笔)具有完美的信度,κ=1。本研究中采用的帮助任务(情境)是基于使用适当的控制条件确认了14个月的婴儿能察觉他人需要帮助的情景。初步分析依赖于根据婴儿在两个帮助任务中的表现计算出的两个变量:
(a)在两个任务中表现出的帮助行为的频率,范围从0到6,和(b)试次间平均的帮助行为的延迟。然而,由于研究中包括的64名婴儿中有24名没有提供任何帮助,所以将结果部分报告的分析重点放在频率而非反应时测量上,以避免在分析中丢弃大部分样本。婴儿帮助频率范围从0到6次(M= 1.83,SD = 1.95)。
结果
眼动追踪
采用逐步多元回归分析检验7个月的婴儿对恐惧面孔而非快乐和生气面孔的注意(通过首次观看的持续时间和整体注意偏向来衡量)可以预测14个月时的利他帮助行为的假设。将帮助行为作为从0到6的连续变量来测量,0表示婴儿没有表现出任何帮助行为,6表示婴儿在所有6个帮助试次中都有帮助行为。包含所有3种情绪的回归模型分析证实了研究假设,结果显示对恐惧面孔的第一次观看的持续时间预测了利他帮助行为,增加的持续时间预示着更高水平的利他帮助行为(参见图3和表1)。此外,对恐惧面孔而非快乐或生气面孔的减少的整体注意,显著预测了14个月时更大的利他帮助行为(见图3)。多元回归模型分析还表明,对恐惧面孔的第一次观看的持续时间和整体注意偏向解释了14个月时利他行为的超过28%的变异。
v
图3.注意恐惧的面孔,而非快乐或生气面孔,预测利他行为。它显示的是来自多元回归的部分回归图,说明与实验中呈现的其他面部表情(左)相比,第一次注视恐惧面孔的持续时间在预测利他行为中的具体作用,以及与实验中呈现的其他面部表情(右)相比,对恐惧面孔的注意偏向在预测利他行为(通过14个月时帮助行为的频率来衡量)中的具体作用。
表1.当利他行为被表示为一个连续变量(帮助频率,范围从0到6)时,眼动追踪和fNIRS结果的概述。请注意,ß正值反映出该变量与利他行为正相关。
除了对恐惧面孔的分析外,又采用同样的方法做了对恐惧眼睛的分析,结果与之前类似,发现:对恐惧眼睛而非生气或快乐眼睛的整体性注意偏向可以预测14月大时的利他行为(参见表1),但是对恐惧眼睛第一次观看的持续时间不能预测幼儿期的助人行为,p= 0.148(参见表1)。
除了进行逐步多元回归分析(将助人行为作为一个连续变量)外,又进行了逻辑回归模型的分析(将助人行为作为二分变量:助人vs.不助人),用以探索得到的结果能否保持稳定(参见表2),发现:对恐惧面孔和对恐惧眼睛第一次观看的持续时间可以预测利他行为(参见图4),但是对恐惧面孔和对恐惧眼睛的注意偏向不能预测14月大时的助人行为。
表2.当利他行为被测量为二分变量(帮助vs.不帮助)时,对眼动追踪和fNIRS结果的概述。请注意,b正值表示该变量与利他行为正相关。
图4.小提琴盒组合图显示,与没有提供帮助的婴儿(利他行为用作二分变量)相比,在14个月时有帮助行为的婴儿在7个月大时对恐惧面孔的首次注视持续时间显著更长。请注意,在逻辑回归中,7个月时首次注视恐惧面孔的持续时间显著预测了14个月时的利他行为。***p <0.001。
总之,眼动追踪结果清楚地显示了对恐惧面孔的注意对于早期发育中的利他倾向性具有特定的影响。研究结果表明,人们对恐惧面孔和眼睛具有最初增加的注意,以及随后对恐惧面孔和眼睛减少的注意偏向(增强的注意脱离),与更多的利他行为有关。
fNIRS
采用逐步回归分析用以探索先验定义的哪些感兴趣脑区(两个半球的颞上皮层,下额叶皮层和背外侧前额叶皮层)能够预测在眼动追踪过程中测量的对恐惧面孔的注意。回归分析结果表明:在观看恐惧面孔时只有左侧DLPFC的响应预测了眼动追踪测得的对恐惧面孔的注意偏向。具体而言,更大的DLPFC的响应与增加的对恐惧面孔的注意偏向相关。但是用对恐惧眼睛的注意偏向或首次观看的持续时间作为回归中的因变量时则没有这样的效应。
左侧DLPFC对恐惧面孔的脑响应与14个月大时的利他行为的关系没有达到显著水平.。当控制自由游戏期间评估得到的母亲的参与度时(母亲的参与度与左侧DLPFC对恐惧面孔的脑响应有显著的负相关),7个月大的婴儿对恐惧面孔的脑响应与14个月大时幼儿的助人行为呈显著的负相关。
将帮助行为(脑响应与利他行为的相关)作为二分变量,进行逻辑回归分析结果发现,右侧DLPFC对恐惧面孔的响应显著地预测了帮助行为,但是左侧DLPFC对恐惧面孔的响应帮助行为不相关。右侧DLPFC对恐惧面孔的响应与眼动追踪的任何指标(对恐惧面孔和眼睛首次观看的持续时间和注意偏向)都不相关。
右侧DLPFC对恐惧面孔和生气面孔的脑响应的差异显著预测了14个月大时的助人行为,表明相比生气面孔,右侧DLPFC对恐惧面孔更大的脑响应与减少的助人行为相关,而评估左侧DLPFC的脑响应时没有发现这样的联系(参见表1)。进一步地探索性分析结果显示:右侧DLPFC对恐惧面孔和生气面孔的脑响应差异与对恐惧眼睛首次观看的持续时间的差异相关,表明更大的右侧DLPFC对恐惧面孔的差别化的响应与对恐惧眼睛减少的首次观看的持续时间有关。
母亲方面的因素、恐惧气质和皮质醇的探索性分析
本研究进一步发现左侧DLPFC的响应可以由婴儿5个月大时测量得到的母亲的参与度来预测。具体而言,母亲的参与与左侧DLPFC对恐惧面孔的脑响应负相关,即更高的母亲参与度与减少的左侧DLPFC对恐惧面孔的脑响应相关,但是与右侧DLPFC对恐惧面孔的响应没有这种联系。当控制母亲的年龄和教育水平,将它们作为回归中的预测因子时,母亲的参与与左侧DLPFC对恐惧面孔的响应之间的相关仍然保持(母亲的年龄和受教育水平)。此外,母亲的参与本身与利他行为没有直接的关系。7个月大的婴儿左侧DLPFC对恐惧面孔的响应没有调节5个月大时母亲的参与度与14个月大时的利他行为之间的关系,但是当控制母亲的参与度时,左侧DLPFC对恐惧面孔的响应与助人行为正相关。当fNIRS测量发生时通过7个月大的父母报告测量所得的婴儿恐惧的气质对于DLPFC对婴儿恐惧面孔的脑反应没有影响。此外,也没有观察到皮质醇对婴儿和母亲测量的任何影响。
总之,本研究通过揭示早期人类发展中亲社会行为的预测因子,提供了对人类利他主义本质的新见解。本研究的发现支持这样的观点:对他人恐惧的反应可以被视为人类亲社会行为的关键标志和个体发育的预测因子。结果表明,对恐惧面孔和眼睛的注意和背外侧前额叶响应的差异在婴儿7个月大时就存在了,且与14个月时表现出的利他行为的水平有关。总而言之,这描绘了亲社会行为的早期个体发展的的综合图景,从而推进了对人类利他主义出现的理解。
参考文献:Grossmann,T., Missana, M., & Krol, K. M. (2018). The neurodevelopmental precursors ofaltruistic behavior in infancy. PLOS Biology, 16(9), e2005281.doi:10.1371/journal.pbio.2005281
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