脑损伤对利他决策的影响

本文以94名穿透性创伤性脑损伤患者为样本，采用支持向量-多变量模式分析的方法，量化了脑损伤位置对利他惩罚和利他奖赏这两种利他决策各自的作用。利他行为由一种比较新颖的行为学任务测量，要求个人有代价地对第三方社会组织进行奖赏或惩罚，这种设计使得本研究可以分离利他奖赏和利他惩罚两种行为各自的神经基础。与此同时，支持向量-多变量模式分析使得研究者的关注重点从不同脑损伤的人群转移到脑损伤的位置和范围本身。
背景

利他主义是人类社会中人际交往与合作的内核，也是法律准则和社会规范的内核。在利他主义的框架下，人们会牺牲自己的利益，去惩罚违反规范的人，鼓励遵循规范的人。在利他主义的研究中，模拟经济游戏和假设犯罪情景这两种实验范式近年来十分流行。

道德动机是利他行为的根源。一些非侵入性方法，如经颅直流电刺激、经颅磁刺激以及脑损伤定位，为研究道德判断相关的脑区提供了帮助。一些经颅直流电刺激和经颅磁刺激的实验表明，右背外侧前额叶参与了部分决策过程，帮助个体最大化个人声誉、在有惩罚的条件下遵守社会规范，减少自私表现。内侧额极的损伤会减少负罪感，增加欺骗行为，例如在模拟犯罪审讯中撒谎。额颞叶痴呆患者额极和隔区的退化削弱了他们内疚和同情的情感。杏仁核与后背内侧前额叶的退化则会减少愤慨和厌恶情感。最近的一项研究显示，背外侧前额叶的损伤使人不那么关注诚信问题。该研究应用了一个独裁者博弈游戏，每对参与者中，一人能够看到2种金钱选项，分别是利己的和利他的，另一人根据对方提供的关于选项的信息（可以说实话也可以说假话），在2个选项中做出决策。正常的参与者都是诚实且利他的，而背外侧前额叶损伤的患者则不在意诚信问题，总是提供“虚假信息”。这些研究共同说明，背外侧和内侧前额叶的不同部分和亲社会动机、诚信、自我名誉关注和第三方惩罚息息相关。

（注：独裁者博弈游戏：这类两人博弈中，一人指派两个人各自的收益，而另一人无权反驳，只能被动接受。如A和B进行独裁者博弈，A决定给自己100元，给B10元，B只能接受这个决定）

有很多研究关注利他决策的神经基础，但大多以正常人为被试，对脑损伤患者的研究比较少见，而对病人的研究可以提供独特的因果信息。此外，以往的研究都没有考虑到一种情形：被试作为匿名的第三方施加奖惩。本研究中使用一个简单的利他决策任务，调查了一大群患有局灶性额，颞，顶叶损伤的越战老兵的行为表现。在这个利他决策任务中，被试需要对一些支持重要社会事业（例如支持妇女权利，安乐死和核能利用）的组织进行匿名的罚款和捐款，研究者假设，被试的行为将会因不同大脑区域的损害而改变，而这些大脑区域应该与社会认知，尤其是与道德和正义的判断有关。 

方法

被试

被试均为男性越战退伍军人，包括94名有创伤性脑损伤（TBI）的患者和28名同样在越战中服役但没有脑损伤或其他神经疾病史的正常人对照组。被试从WF Caveness Vietnam Head Injury Study Registry招募，他们在2009年至2012年期间都参与了另一项在马里兰州Bethesda的国家神经疾病和中风研究所的研究，彼时进行了影像采集与病变部位识别。

在Bethesda海军医院用GE Medical Systems Light Speed Plus CT扫描仪对被试进行螺旋模式轴位CT扫描。结构像重构参数：in-plane voxel size=0.4*0.4mm，overlapping slice thickness =2.5mm，slice interval=1mm。病变部位和体积基于CT图像使用Analysis of Brain Lesion 软件在MEDx V.3.44（Medical Numeric）中实现，并使用了自动解剖标记图谱（AAL）。每个大脑的CT图像使用12参数自动图像配准算法配准到MNI空间中的CT模板。被试的大脑和MNI模板都做了颅骨剥离；空间标准化没有包括目标病灶内部的体素。与其他脑损伤研究类似，由一名经验丰富的CT专家在原始空间的每个切片上人工追踪损伤部位，随后由项目负责人进行检查。二人均对临床评估的结果不知情。脑损伤重叠图如图1所示。

图1. 94名患者的脑损伤重叠。颜色代表该位置具有损伤的人数。（原文图1）

对TBI组和控制组在关键的人口统计学变量上进行了匹配，包括年龄，性别，教育和战争经验。这两组中几乎没有药物滥用的情况。由于大部分的穿透伤代偿机制可能在伤后3年内表现出来，而本实验中穿透性TBI患者的脑损伤在伤后约40年进行评估，可以认为他们的脑损伤是稳定的。此前的筛查没有发现他们有任何神经退行性疾病或额外的病变。研究通过了伦理审查委员会的审查，所有被试和护工均签署了知情同意书。 行为学任务：利他决策任务

利他决策任务的主要目标是：评估基于道德信仰的对现实中的社会问题的偏好。在这个任务中，被试会看到一系列真实存在的社会组织（详见表1），然后根据道德判断，对每一个组织做出金钱决策。他们有3种选项：①惩罚，即对该组织罚款；奖励，即向该组织捐款；节省，即既不惩罚，也不奖励。被试一开始得到一笔60美元的款项，用于奖励或惩罚。每一个惩罚或奖励的决定都要花费被试自己的1美元，而存钱意味着没有支出。具体来说，在“捐赠”下选择“是”，1美元将会从该被试的账户扣除并转给该组织；如果在“惩罚”下选择“是”，他和该组织的帐户均会减少1美元（组织的罚款是从其他参与者对同一组织的捐款中扣除的）。  如果参与者选择既不捐赠也不惩罚，他需要选择“否”，此时他的余额不会增加或减少。整个实验中，30个组织均会呈现2次，每位被试最多可以结余60美元，捐款和惩罚的上限均为30美元，结余的钱归被试所有。所有的捐赠和惩罚都是以花费自己的金钱为代价的，因此都是利他的。在惩罚或捐赠上花费的金额，以及结余的金额，被用于该任务的评分。研究假设参与者奖励或惩罚某一特定组织的意愿是基于他对该组织宗旨的道德态度。我们还假设，惩罚或捐赠的决定反映了个体总体的道德惩罚倾向和慷慨水平。

表1. 利他决策任务中涉及的社会组织列表（原文补充表1）

背景测量：神经心理学评估

被试接受了简短的认知筛查（简易智力状态检查量表），随后进行了详细的神经心理学评估，包括利手性和智力（韦氏成人智力测验）。考虑到执行功能在利他决策中的决定性作用，穿透性TBI患者还做了Delis-Kaplan测评，测量了其在分类任务、字母和类别流畅性任务中的得分。最后分别用大五人格量表和Barratt量表评估了被试的人格和冲动性。

其中，Delis-Kaplan分类测验要求被试将六张卡片按两列排列成几种可能的类别（自由分类），然后详细解释他们是如何进行分类的（自由分类解释）；接着由主试对卡片分类，被试说明分类的理由（分类认知）。Delis-Kaplan言语流畅性测验要求被试在1分钟的时间内产生言语反应:字母流利性测验要求生成以特定字母（F，A，S）开头的单词；类别流利性测验要求被试说出属于特定语义类别的单词（动物和男孩的名字）；类别切换测验包括一个单独要求被试在两个语义类别（水果和家具）之间连续交替地说出单词。

利他决策任务下的决策损害

本研究的核心是利用支持向量回归多变量模式分析（SVR-MLSM）对脑损伤分布与利他决策任务得分的关系进行评估。不同于传统的单变量分析，多变量模式分析不认为每个体素的贡献是独立的，而是假设多个体素对行为学结果共同产生影响。具体计算步骤如下：

1. 制作mask：如果该体素在至少3名患者身上被标记为损伤，则mask包含该体素

2.通过支持向量回归模型从原始数据中生成β-map；

3. 使用置换检验的方法计算每一个voxel贡献的显著性，即P值；

4.应用FDR校正，P<0.05，从FDR校正的P图中筛选出>10个体素的簇。这个校正后的p-map就是最终结果，称为q-map

（注：支持向量回归多变量模式分析可以理解为多变量回归+支持向量回归。简要地说，首先对行为学成绩-脑损伤建立回归方程：y=X^Tβ+ε，对每个被试来说，y是行为学成绩，这里指的是惩罚金额/捐赠金额，X是所有voxel的值，这里对应的是mask里的每一个voxel是否为损伤部位（例如是=1，否=0），β是拟合出来的系数，对应于结果的β-map，ε是误差。由于这个回归方程中，变量的个数＞样本个数，方程无法直接解，因此使用了支持向量回归的方法，通过引入惩罚项，支持向量回归可以避免过拟合，在训练准确率和预测准确率中达到一个比较好的平衡。

置换检验指的是把行为学结果-被试脑损伤模式这一对应关系随机打乱5000次，然后5000次中用同样的方法对这一新的数据集计算出新的β-map，每个voxel的p值即为5000次置换检验中这个voxel的新β值高于原始β值的比例。）

支持向量回归的结果是脑损伤位置和行为学的对应关系，而不是把个体进行分类，因为单个个体的惩罚或捐赠决定可能受到不同损伤部位的调节；此外，某些损伤可能不影响利他决策任务中的决策。

因此，研究者根据损伤分布模式对穿透性TBI患者进行了再次分组。根据对惩罚和捐赠q-map的值和符号正负，把TBI患者分为以下几组:  对于惩罚q图，存在一个无差异亚组，即脑损伤不影响惩罚决策；惩罚增加亚组；惩罚减少亚组；非特异亚组，即脑损伤可能增加惩罚，也可能减少惩罚。对于捐赠 q-map也按上述标准进行分类。

统计分析

采用单因素方差分析，并用Tukey检验进行成对比较，分析行为亚组之间利他决策任务行为学结果的统计差异。使用皮尔逊相关系数（r）评估感兴趣变量之间的相关性。所有统计测试的显著性阈值均设为0.05，双尾。根据Cohen的方差分析指南，统计功效和效应量被划分为小（0.10），中（0.25），大（0.40）。

结果

背景测量

如表2所示，穿透性脑损伤（TBI）患者与对照组在年龄、教育程度、整体智力、利手性或冲动性方面没有统计学差异。穿透性TBI组言语智力和执行能力略低，达到显著，但其病前智力略高。然而，考虑到这些差异的效应量较小（η²≤ 0.11）以及它们与利他决策任务的得分没有显著的相关性，它们不作为协变量输入到统计模型中。

（注：病前智力指个体在疾病和颅脑创伤前的智力水平。不同个体在健康状态下基础认知水平不同，因此发病后用相同的标准判断神经心理学测评结果会出现偏差。本实验采用国家成人阅读测验NART得分作为病前智力的依据。）

表2. 背景测量结果。Mann-Whitney检验差异显著（p<0.05）的项目加粗显示。（原文表1）

行为学结果

TBI组和控制组都结余大约三分之二的资金，其余三分之一用于捐赠多于惩罚（F>20，df=1，P<0.0001；两两比较: P<0.001）。两组用于捐赠、惩罚以及节省的金额没有显著差异（F<32，df=1，P>0.23）。理论上，结余的金额应该和惩罚或捐赠的金额成反比，因为结余=不惩罚+不捐赠。实际结果也服从这个假设，结余与惩罚（r≤-0.49）和捐赠（r≤-0.53）之间确实存在反比关系，这恰恰说明利他行为需要付出高昂的代价。但惩罚和捐赠的金额没有显著相关。
脑功能定位

1. 惩罚有关的脑损伤

图2. 和利他惩罚相关的脑损伤。（A–C）右外侧前额叶和外侧裂周区，包括顶下小叶、后额中回、颞上回。（D–G）背内侧前额叶和左内测额极。（原文图2）

如下部位的损伤导致惩罚次数增加（图2蓝色）：双侧背内侧前额叶；右外侧额叶（额中回和额下回）。背内侧前额叶损伤更多分布在左脑，还包括前扣带回前膝部和深部旁沟前区。

如下部位的损伤导致惩罚次数减少（图2红色）：左脑损伤主要为腹内侧颞叶，包括钩状回的前三分之二和海马旁回的喙部。这个部位的损伤导致杏仁核与前额叶和顶颞枕皮质的连接减弱。右脑的损伤包括中央前回、中央后回和边缘上回（额叶和顶叶）的下1/3、岛叶、颞中回的后1/3、颞上沟和颞上回的后半部分。

这些损伤还扩展到皮质下白质，包括右上纵束中支和左钩束（减少惩罚），和左上纵束上部（增加惩罚）。

此外，TBI组和对照组在惩罚和捐赠方面没有总体差异。仅在惩罚增加亚组中，损伤体积与节省金额（r=-0.37，P<0.03）、惩罚金额（r=0.42，P<0.01）分别有显著相关。对于利他决策任务的三个主要结果变量，控制组和无差异亚组之间没有统计学差异。换句话说，如果一个患者的损伤发生在调控惩罚决策的区域以外，那么这种损伤对当前这个利他任务无影响。损伤体积最大的是既影响惩罚又影响捐献的亚组。该亚组的总损伤体积明显大于无差异亚组。惩罚增大组和其他组的损伤体积没有显著差异，这说明损伤体积并不是利他决策任务的一个决定因素。综上所述，影响当前利他决策任务的关键因素是损伤部位而非损伤大小。使用SVR模型控制病变体积后，结果没有发生质的变化，这点进一步加强了这一结论。
2. 捐赠有关的脑损伤

图3. 和利他捐赠有关的脑损伤。（A）楔前叶，扣带回，顶上小叶，中央后回（B）楔前叶和背内侧额叶（C）眶额皮层后区（D）腹外侧眶回，中央前回和中央前沟（E-G）背外侧枕叶/颞中回后区，顶上小叶，额上后回。（原文图3）

如下部位的损伤导致捐献次数增加（图3蓝色）：中央旁小叶、楔前叶、右背内侧前额叶的小部分。

如下部位的损伤导致捐献次数减少（图3红色）：右腹外侧枕叶、颞中回后区的小部分。捐赠的减少也与右侧额下回和额中回下方白质的病变有关，该病变可能破坏了上纵束的中支（补充图1）。

图4. 和惩罚和捐赠有关的脑损伤皮层下延伸。红色和蓝色分别表示惩罚（或捐赠）增加和减少。（原文补充图1）

其他结果

表3描述了各个损伤亚组中利他决策任务的行为模式。全脑的体积损失对总体惩罚或捐赠表现没有影响。而惩罚较多和惩罚较少的亚组的病灶体积均显著大于无差异亚组。为了排除样本数目过小导致的损伤和行为之间的虚假相关，研究者计算了对观察到的统计效应有贡献的参与者总数。结果表明，对统计效应做出贡献的的被试数量≥6，通常在10到25之间（表4）。对利他捐赠任务产生影响的脑损伤在体积上具有不对称性，更偏向右脑（Wilcoxon检验:  P<0.02，双尾）。

表3. 各个损伤亚组中利他决策任务的行为学结果（原文表2）

表4.和利他决策对应的脑损伤区域和相应的Brodmann区（原文表3）L=left, R=right, m=medial

讨论

本研究的新颖性主要在于它是迄今为止，唯一一项以现实存在的社会组织为决策对象的，因果的有关利他决策神经基础的研究。本研究利用基于支持向量回归的多元模式分析，研究脑局灶性损伤与利他决策之间的关系，实验使用的利他决策任务允许研究者评估与惩罚和奖励分别有关的神经网络，以及他们重叠和分离的程度。

主要结果如下:

双侧背内侧前额叶损伤增加利他惩罚，右外侧裂周区和左颞岛皮质损害减少利他惩罚

双侧背内侧顶叶损伤增加利他捐献，右颞上沟后区和颞中回损伤减少利他捐献

利他主义和谋生主义的决定都与人格的改变无关。

利他决策任务

本研究所用的利他决策任务和前人研究所用的任务有所不同。首先，以往关注点在惩罚的神经基础上，较少地关注捐赠；其次，本任务允许对惩罚或捐赠的多少进行量化分级；第三，本任务中的被试的花费都是真实的，是“自掏腰包”。此外，本任务要求被试根据组织的宗旨或使命来做决策，但没有提供任何线索来说明该使命何时会实现，或者是否会被实现；因此，本任务强调对组织及其使命的既定信念和态度，而非可观察到的结果。研究者假定被试的决策反映了他们的意图，这些意图可能是伤害性的，友好的或自私的（对应节省决策）。与该假定一致，结果显示，对利他决策产生影响的脑损伤与移情和心理归因有关的区域存在重叠。一项额颞叶痴呆患者的研究对此提供了支持，该研究发现这些患者大脑背内侧前额叶和旁回的损伤会对道德判断产生影响。

支持向量回归多变量模式分析

支持向量回归多变量模式分析允许将分析重点从个体转移到病变部位，这样解释结果更符合实际，因为正常人和患者可以自由地做出任何种类的决策，所以和惩罚（或捐赠）的变量直接关联的应该是脑损伤位置，而不是将个体划分到类别里，如“惩罚者”或“捐赠者”。现有策略产生的结果是:X区病变增加了惩罚决定，Y区病变减少了捐赠决定，诸如此类。因此，在利他决策任务上预测决策的是病变的位置，而不是被试的特殊性。此外，这一方法考虑了脑损伤之间的关联；对于同一个人来说，不同部位的损伤在不同的试次中提高或减弱了惩罚，据此得到和惩罚/捐赠有关的两种广泛的损伤位置模式。这一发现的一个推论是，在利他决策任务上的表现更多地依赖于右半球的完整性，而不是左半球的完整性。事实上，在正常人和脑损伤患者的移情，道德认知和政治倾向研究中，右偏的不对称一直是主流规律。

与惩罚有关的脑区

此前的研究中证实了许多与惩罚相关的脑区。如右背外侧前额叶和顶内沟参与了有关罪犯是否对罪行的发生负有责任的判断；右杏仁核、背内侧和腹内侧前额叶、颞极和后扣带则参与对不同种类罪行的惩罚的制定。有人认为，至少有两个网络在利他惩罚中起作用: 一个和责任归属有关的心智化网络；用于确定具体处罚的执行网络。和本研究一样，他们也发现左背内侧前额叶、外侧前额叶、辅助运动区和右侧顶下小叶的损伤会影响利他惩罚。  本研究还进一步指出两个相互作用的系统调节利他惩罚，一个与右外侧皮层、左颞叶前区、岛叶有关；另一个与背内侧和外侧前额叶有关。

减少惩罚的脑损伤主要位于右外侧裂周区。许多研究表明颞顶交界区和颞上沟后4区从知觉刺激中提取道德信息。右外侧裂周区和缘上回、颞顶交界区有部分重叠，而后者与复杂的社会线索和慷慨程度的个体差异相关，实验中观察到的右上纵束受损可能破坏了这些区域之间的连接。由于左侧颞岛叶损伤而导致的道德厌恶（愤慨）的减少也可能是惩罚减少的原因。总体而言，惩罚的倾向会因右后外侧裂周区和左颞岛皮质的损伤而减少。

前额叶的损伤正好相反。更具体地说，双侧背内侧前额叶损伤及其在腹侧的延伸，以及右外侧前额叶的损伤增加了惩罚率，而这些区域在判断道德反应时对外侧裂周区和颞岛叶区发挥调节作用。从旁观者的角度来说，背内侧前额叶皮层将被审判者的意图与实际行为（伤害/非伤害）结合起来，决定对他的处罚。伴随着背内侧前额叶损伤，患者亲社会性情绪降低，可能增强了惩罚倾向。因此，背内侧前额叶皮层的损伤使得后颞顶皮层和前颞皮层的社会归因过程不再受控，从而有利于惩罚。

与捐赠有关的脑区

左内侧顶叶损伤患者捐赠减少，而右颞中回的损伤使得捐赠增加，这些区域和利他奖赏的关联在本研究中首次被发现。前人研究表明，大脑后内侧和利他决策有关的位置是后扣带，它在自我参照的过程中发挥作用。总体而言，本研究提示上内侧顶叶在某种程度上促进了捐献，而枕颞叶腹外侧皮层降低了捐献意愿。

上述小结

利他决策产生于神经认知网络的相互作用，当个体需要进行道德决策时，这些网络被激活。其中一些区域负责感受事件中第三方的心理，并产生相应的道德体验（例如，目睹一件好人好事会产生敬佩感），做出对事件好坏的判断，以及惩罚、奖励的决定。实验表明，这些相互独立的过程很大程度上依赖于右脑的完整性。

本研究局限性和后续的研究方向

首先，研究中发现的和利他决策相关的脑损伤，实际产生的影响可能是异质性的，取决于具体的情境和损伤的位置。以背内侧前额叶为例，隔核和前背内侧前额叶皮层的损伤与亲社会情绪的降低有关，而后背内侧前额叶的损伤则导致愤怒和厌恶情绪的降低，因此，背内侧前额叶损伤在经济游戏中是强化利他还是强化自私，取决于损伤的位置和程度。

第二，白质通路的损伤对高级心理功能的影响也引人关注，它可能是某些脑损伤在皮层下的延伸，后续研究可以着重探索白质损伤的后果。

第三，本研究中没有观察到TBI患者人格的改变。不仅是脑损伤亚组中没有观察到人格改变，患者和对照之间也没有发现核心人格维度上的显著差异。这可能是由于只有少数病例损伤到了腹内侧前额叶等对人格有较大影响的区域。 

最后，本研究样本均为男性，且年龄较大，所以很难说是否适用于女性或年轻人。因为性别会影响脑半球对称性，所以女性利他决策的大脑基础可能有所不同。这些差异也是今后研究的重要课题。后续的研究应该进一步完善现有模型，通过对情境、投资数量和类型、特殊人群等的进一步细化，探索各种形式的利他主义的具体神经机制。此外，如下问题应该被着重关注：个体的利他行为倾向；对社会组织及其支持的社会事业采取利他行动；对个人的态度；以及支持上述心理功能的大脑基础。

总结：

作者利用了多元支持向量回归方法分析了病变分布与任务反应之间的关系，从而评估多个区域在确定特定兴趣行为方面的共同贡献，这种方法相比于一般的激活分析或者静息态分析更加具有灵活性，避免了病灶给数据采集带来的较大影响。值得在探索病灶分布与疾病行为之间关系的研究中被进一步使用。

同时作者发现:

(1)     双侧背内侧前额叶损伤增加了利他惩罚，而右侧背外侧区域和左侧颞岛皮质损伤减少了惩罚;

(2)     两侧背顶叶皮层病变增加利他性捐赠，右侧后颞上沟及颞中回病变减少捐赠;

(3)     利他惩罚与捐赠的相关性较弱，强调二者之间存在可分离的神经解剖学联系;

(4)     利他决策与创伤后人格改变无关。

这些发现表明，利他主义的惩罚和捐赠很大程度上是由不重叠的大脑区域决定的，这些区域在之前的社会认知和道德体验中已经涉及到，但仍旧需要更多的探索。
原文：

Altruistic decisions following penetrating traumatic brain injury

J Moll, R de Oliveira-Souza, R Basilio, IE Bramati… - Brain, 2018 - academic.oup.com

https://doi.org/10.1093/brain/awy064 

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