心有灵犀，脑有所应 | OPM-MEG让自然场景下的脑磁图超扫描成为现实

在日常生活中，你是否曾与朋友合作解决问题，或与亲密的人深入交谈并产生共情？这些互动中的行为配合和生理反应是我们可以观察和感知到的。作为神经系统的最高指挥中心，我们的大脑在一系列社会互动中会产生怎样的相互作用？

超扫描（Hyperscanning）是一种同时记录多个人脑活动的技术，旨在研究多个个体在互动过程中的神经同步现象。与传统的单人脑成像技术不同，超扫描允许研究人员探讨两个或多个大脑之间的相互作用及其在不同任务、沟通情景和社会互动中的表现。通过同时记录多个人的脑活动，超扫描技术能够揭示在社会互动中大脑如何同步活动或交互，从而帮助理解沟通、协作和情感交流等的神经机制。

通过各类脑成像技术在超扫描研究中的应用，我们可以更深入地理解人类社会行为、认知过程和互动机制。超扫描研究的开展常见的脑成像技术包括脑电图(Electroencephalography，EEG)、脑磁图(Magnetoencephalography，MEG)、功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)和近红外脑功能成像(functional near-infrared spectroscopy，fNIRS)等。功能性磁共振成像提供了高空间分辨率的脑活动评估，但要求参与者在噪声较大的扫描仪中静止不动，从而限制了自然互动的可能性限。相比之下，fNIRS和EEG作为可穿戴技术，可以在现实生活场景中部署，允许更自然的超扫描。然而，fNIRS的时间和空间分辨率均有待提高，EEG虽然具有优异的时间分辨率，但空间分辨率较低，并且对肌肉等非神经源电活动的伪影较敏感 。脑磁图通过测量神经电流产生的磁场，直接评估电生理活动，具有高时空精度和较低的非神经源伪影敏感度，为探索人类社会互动行为开辟了新的途径。

图1 各功能成像技术手段时空分辨率对比示意图

早在2014年，研究者基于超导脑磁图系统在一个磁屏蔽房中设置了母子超扫描系统^[1]，使母亲和孩子能够实时看到彼此的面部表情，以研究高时空分辨率的脑-脑相互作用。通过分析母子大脑的交互作用，可以揭示母亲和孩子之间的脑间互动。

图2 基于超导脑磁图对母亲和婴儿的超扫描

近年来，基于光泵磁力计（optically pumped Magnetometer，OPM）的脑磁图在灵敏度和小型化上取得了显著进展，实现了脑磁信号的常温检测，这一突破使得脑磁图的应用更加广泛。2018年发表在《Nature》主刊上的研究《Moving magnetoencephalography towards real-world applications with a wearable system》深入探讨了基于可穿戴脑磁图系统的应用潜力，进一步证明了其在实际生活中应用的可行性和前景^[2]。

图3 受试者佩戴OPM-MEG的头盔进行高生态效度的研究

OPM作为一种无需低温环境的高灵敏度磁场探测器，极大地促进了灵活MEG传感器阵列的设计与应用，能够满足不同个体研究的独特需求。同时，相较于超导MEG系统，OPM传感器能够更贴近头皮检测，显著提升了系统的灵敏度和空间分辨率。此外，OPM的轻便性特点为可穿戴MEG系统的开发创造了条件，该系统允许参与者在检测过程中自由移动，同时也支持对全生命周期内的脑磁探测，大大拓展了MEG技术的应用范围。

2023年，研究者基于OPM的脑磁图系统开展了高生态效度双人超扫描研究^[3]。该研究设定了两个任务以评估系统的稳定性和检测性能。首先，通过一个简单的双⼈触摸实验来探索OPM-MEG超扫描的稳定性，为了进⼀步证明系统的检测性能，测量了两名参与者进行更快、更不可预测的来回击打乒乓球时的⼤脑活动。参与者都佩戴着排布有16个OPM探测器的脑磁图头盔，由于实验任务均用右手进行操作，故OPM探测器排布在参与者的左侧感觉运动皮层。

图4 基于OPM-MEG的双人触摸任务及结果

在双人触摸任务中，尽管参与者在任务中头部运动较大（两名参与者的最大平移分别为16毫米和24毫米，最大旋转分别为3.0°和7.9°），OPM-MEG系统仍能够获得高质量的数据。

图5 基于OPM-MEG的双人击打乒乓球任务及结果

脑磁图通过多通道高灵敏探测器，能够精确记录大脑神经元兴奋性突触后电位产生的微弱电流形成的生物电磁场。这种高精度的信号捕捉能力，使得MEG能够实时监测大脑活动的微小变化，尤其是在毫秒级的时间尺度上。脑磁图凭借其高精度和高灵敏度的特性，能够准确记录多个受试者大脑活动的同步变化。通过MEG，研究者可以分析不同大脑在交互过程中信号在频率、相位等特征上的变化，从而探究不同大脑之间的耦合关系，这对于理解社会互动中大脑网络的复杂动态变化具有重要意义。

脑磁图检测的大脑磁场信号与脑电信号不同，磁场信号的传导不受颅骨和脑脊液等的扭曲，故脑磁图可以在毫米的误差范围内与高清晰结构图像（如MRI影像）融合，精准定位到超扫描研究中多人的信号空间位置。

脑磁图检测无创无辐射，受试者无任何不适感，同时，脑磁图系统为被动检测大脑活动的自发磁场，检测过程无设备噪声干扰。在超扫描研究中，这些特性使得MEG特别适用于涉及言语和听觉等相关的交互研究，同时也拓宽了研究的适用范围，如特殊人群（儿童、孕妇等）的超扫描研究。

随着MEG技术的不断发展和完善，其在超扫描研究中的应用也将更加广泛和深入。未来，MEG有望与其他神经成像技术（如fNIRS、EEG、肌电、心电图等）相结合，形成多模态、全方位的脑功能监测，将进一步提升超扫描研究的精度和深度。

[1]Hirata, M., Ikeda, T., Kikuchi, M., Kimura, T., Hiraishi, H., Yoshimura, Y., & Asada, M. (2014). Hyperscanning MEG for understanding mother-child cerebral interactions. Frontiers in human neuroscience, 8, 118. https://doi.org/10.3389/fnhum.2014.00118

[2]Boto, E., Holmes, N., Leggett, J., Roberts, G., Shah, V., Meyer, S. S., Muñoz, L. D., Mullinger, K. J., Tierney, T. M., Bestmann, S., Barnes, G. R., Bowtell, R., & Brookes, M. J. (2018). Moving magnetoencephalography towards real-world applications with a wearable system. Nature, 555(7698), 657–661. https://doi.org/10.1038/nature26147

[3]Holmes, N., Rea, M., Hill, R. M., Boto, E., Leggett, J., Edwards, L. J., Rhodes, N., Shah, V., Osborne, J., Fromhold, T. M., Glover, P., Montague, P. R., Brookes, M. J., & Bowtell, R. (2023). Naturalistic Hyperscanning with Wearable Magnetoencephalography. Sensors (Basel, Switzerland), 23(12), 5454. https://doi.org/10.3390/s23125454