JCCP:亲子神经同步:一种阐明学龄前儿童应激性双向相关的新方法

研究背景：迄今为止有关应激性的研究都主要从个体内差异的角度开展。然而，人际交往中的双向交流过程对其的影响却鲜受重视。亲子互动中的双向同步困难可能是幼儿应激性的一个重要影响因素。神经成像方法的创新,使神经同步的测量能够量化亲子间双向的同步反应，并有助于阐明儿童应激性的神经基础。我们使用破坏性行为诊断观察表(Disruptive Behavior Diagnostic Observation Schedule)：生物同步（DB-DOS:BioSync）作为范式，探索亲子神经同步能够作为学龄前儿童心理病理学上人际交往困难的潜在生物学机制。本研究由华盛顿大学圣路易斯的研究者发表在Journal of Child Psychology and Psychiatry杂志。   

研究方法：使用功能性近红外光谱法(fNIRS)，令116名 4- 5岁的儿童和他们的母亲完成DB-DOS:BioSync任务，同时评估他们在轻度挫折(mild frustration )和恢复(recovery)期间的神经同步。儿童的应激性是用一种潜在的应激性因子来测量的，该因子是由四个发育相关指标计算。

研究结果：轻度挫折和恢复情境都会导致神经同步。然而，在恢复过程中，神经同步性与应激性呈负相关。

研究结论：挫折期后的恢复对应激性高的儿童来说可能是特别困难的，并为本研究使用DB-DOS:BioSync任务，阐明发展性精神病理学的人际神经机制。

方法

参与者

研究最初招募151名学龄前儿童及其照顾者(144名母亲;从这里开始被称为“母亲”)。排除已经寻求了临床服务、目前或过去有任何精神疾病诊断，以及患有有神经障碍、意识丧失史或感觉障碍，如癫痫、脑瘫、自闭症或明显的智力障碍的儿童。最终有117对儿童-母亲（亲子对）提供了在DB-DOS任务和fNIRS中均有效的数据。117名儿童的平均年龄为4.86岁。其中包括71%的白人，23%的非洲裔美国人，3%的亚洲人和3%的混血儿(96%的非西班牙人和4%的西班牙人)。家庭收入在0 - 20,000美元(14%)、21,000-60,000美元(29%)、61,000-100,000美元(25%)和101,000+美元(32%)之间。 

破坏性行为诊断观察

量表：生物同步，Biological Synchrony (DB-DOS: BioSync)

DB-DOS是一种行为范式，旨在探究儿童对应激性情绪和行为调节的变化，以及在不同要求的环境中双向调控的能力，该量表能够收集临床信息。我们为适应fNIRS的任务要求和其他生物指标的测量，对DB-DOS进行了修改，如使运动最少化、使用重复试次的block设计以最大化生物信号的功率、减少整体任务时间以提高学龄前儿童的参与度。

我们将这个新版本称为DB-DOS-生物同步(DB-DOS: BioSync)，其目的是通过整合生物测量结果，有效地提取协同调控中的变化。实验的具体流程如下：

挫折期：10分钟。儿童和母亲分别独坐在有漂亮玩具的桌子旁，并告知他们在完成拼图的过程中不要触碰玩具。拼图由7块组成，拼成后是动物的形状。挫折期要求亲子二人在每个2分钟的block内完成5个拼图，共有4个block，block间有15秒的休息。告知儿童及其母亲，完成任务会得到奖励，然而对于儿童来说，这些拼图很难完成，并且在实际情况在，完成任务的时间被缩短，真实时间为1分45秒。亲子二人在任务中可以看到计时器，以提示他们剩余时间。

恢复期：在挫折期结束后，实验者对亲子二人解释下一阶段的任务要求。在此期间，研究人员将拼图拿走并替换成玩具，放在他们能够触碰得到的地方。他们有10分钟的时间玩玩具。恢复期同样由4个block组成，每个block是2分钟，block之间有15秒的休息时间。只是在恢复期，实验任务相对简单，并且每个block结束是，研究者都会提供一个新玩具。 

行为同步编码

将亲子行为同步定义为亲子二人在每种条件下（挫折期vs恢复期），参与相互响应和共同调节所需的时间量，使用内部开发的方案进行编码。同步被定义为通过亲子二人共同的注意、反映、彼此协调的相互合作。同步交流的反映为相互沟通、眼神交流和有目视的协调行为。互动的每一秒都被编码为同步或非同步。测量的分值会转化为同步总分数，即同步的时间/相互合作的总时间。

在实验者进行同步码之前，亲子必须进行3次言语或者行为上的互动变化，因为互动是建立同步的必要条件。同步编码会持续到互动中断，如实验中亲子二人超过3秒没有进行互动，则表明互动终止。使用相同的方式对挫折期和恢复期的数据进行编码。

在117个有效数据中，有98个是同时具有行为编码和神经同步的数据。因此，在后续分析中，用来分析这两个变量分样本量是98。为了进一步分析，我们汇总了在每个条件下，每个行为同步的时间。 

fNIRS 数据采集和预处理

使用连续波NIRScout fNIRS系统对fNIRS的数据进行采集。该系统包含8个LED光源传感器和4个探测器，波长分别为760 nm和850 nm，每个波长有10个通道。光信号分辨率为：15.625 Hz。传感器与探测器的距离为2.9 - 3.1 cm。对fNIRS的帽子根据国际10-20坐标系进行定位，背内侧源在AF3/AF4上，腹内侧源在Fp1/Fp2上。探测器延伸至PFC各半球的额中回(MFG)和额下回(IFG)，并记录在Colin27脑图谱中。使用NIRS Brain AnalyzIR toolbox进行预处理和激活分析。

1）将fNIRS的原始光强度信号转换为光密度信号。

2）利用时间导数分布修复(TDDR， temporal derivative distribution repair )方法，对运动相关伪迹进行光密度信号校正。

3）将校正后的光密度信号降采样到4Hz，以减少计算量。

4）使用Butterworth滤波器进行0.01 Hz高通滤波，以去除信号中的慢漂移。     

5）使用modified Beer–Lambert law将信号再次转化为含氧血红蛋白浓度(oxygenated hemoglobin)。     

小编注：Beer–Lambert law，比尔-朗伯定律，是光吸收的基本定律，适用于所有的电磁辐射和所有的吸光物质，包括气体、固体、液体、分子、原子和离子。比尔-朗伯定律是吸光光度法、比色分析法和光电比色法的定量基础。光被吸收的量正比于光程中产生光吸收的分子数目。描述物质对某一波长光吸收的强弱与吸光物质的浓度及其液层厚度间的关系

神经同步的量化

我们将神经同步其定义为亲子二人在“挫折”和“恢复”期间，同时发生的外侧PFC激活之间的关联。在计算神经同步之前，所有参与者的时间都是标准化的。由于序列相关性是fNIRS数据中常见的噪声源，会夸大相关性估计，因此使用自回归模型消除时间自相关。采用贝叶斯信息准则，其AR模型的阶数范围是：最小值1~最大值32。使用robust回归方法计算参与者之间的 robust 相关系数，其中几何平均值为从X通道回归到Y通道所得的robust回归系数，反之亦然，

然后使用Fisher r-to-z变换对robust相关系数绝对值转化，以对同步进行量化。以这种方式对所有可能的通道对（channel pairs）进行同步评估。最后，取z值的均值。

神经同步化的统计分析

统计分析通过随机置换检验进行，以确认同步是由于孩子主动与母亲交流而不是仅仅由两人完成相同的任务而引起。

为了确定同步值的适当null 分布，在所有可能的被试对(subject pairs)之间计算同步。对于每个通道对，有117个concurrent[此为观测值]亲子双向(parent–child dyads)和27144个nonconcurrent (null)[此为空值]亲子双向同步值。

   通过置换检验，确定等于或大于观测值的空对值( null pairings)的比例，计算与每个观测同步值相关的p值，

选择常数项是为了确保得到的p值在0到1之间。然后利用标准正态分布的反累积密度函数从估计的p值中得到调整后的z值。其中一组数据Z值大于4个SD，不参与后续分析，使样本减少为116对。

使用混合效果模型进行拟合，其中任务条件建模为固定效果，dyad ID建模为随机效果。使用单样本T检验，检验每种条件下是否存在同步化。用挫折-恢复的配对T检验来评估不同情况之间的差异。使用Benjamini–Hochberg FDR进行多重比较校正。

儿童应激性气质应激性

由孩子的母亲填写儿童行为问卷(Children’s Behavior Questionnaire)。CBQ广泛用于评估3 - 7岁儿童的 15个气质维度。由于我们感兴趣的是父母与孩子的神经同步和孩子应激性之间的关系，我们把注意力集中在可以评估孩子应激性的愤怒/挫折维度上。该子量表的信度良好(a = 0.81)，孩子的得分范围从1.50到6.67 (M = 4.296, SD = 1.110)。   

 应激性维度谱

孩子的母亲还填写了破坏性行为多维评估问卷(MAPDB, Multidimensional Assessment Profile of Disruptive Behavior questionnaire)的发脾气量表(Temper Loss scale)。该问卷测量了从临床水平到规范水平的所有维度的应激性，并有良好的信度和效度。发脾气分量表由22个项目组成，用来评估暴躁情绪和发脾气的质量、强度和环境的变化。最大可能的得分是110，我们的样本中孩子的分数从0到89 (M = 22.121, SD = 15.177)。本样本中量表的信度良好(a = 0.96)。 

应激性相关障碍

一位受过培训的研究人员使用儿童早期应激障碍访谈(ECRI，Early -Childhood Irritability Impairment Interview )对父母进行了关于他们孩子的应激性的访谈。这个半结构式访谈的目的是评估在不同情况下(例如:和同龄人、兄弟姐妹、没有父母的成年人以及学校)，与暴躁情绪和发脾气相关的障碍的有意义的变化。访谈具有良好的内部评分、重测和纵向信度。本访谈共计包含12个分数:6个发脾气障碍分数(6种社会环境)和6个急躁情绪障碍分数。使用MTMM（multimethod, multitrait modeling）生成一个完美适配的双因素模型：发脾气相关因素和情绪障碍相关因素(cfi > 0.999, RMSEAs = 0.015 - -0.22)。

潜在应激性因素     

采用因子分析的方法，将应激性气质、应激性维度谱、发脾气相关障碍、应激性情绪相关障碍四个指标合并为一个单独的得分。4个变量均有显著相关(rs > .315, p < .001)。采用主轴( principal axis)因子提取法进行因子分析。单因素占方差的61.40%，特征值为2.456。四项指标均具有良好的因子负荷:应激性气质0.685应激性维度谱0.791、发脾气相关障碍0.761、应激性情绪相关障0.548。

使用Barlett从因子解决方案中计算因子得分。我们之所以选择这种方法，是因为它在生成真实因子得分的无偏估计值方面具有优势。有两个孩子的因子得分高于平均值4个标准差。为了提高该变量的正态性，他们的得分被winsorized到均值以上3个SD的值(值为3.24) 

母亲应激性

母亲们完成了情感反应指数(ARI，Affective Reactivity Index)问卷来评估她们自己的应激性程度。这份简短的问卷包括7个项目:其中6个用于评估应激性的严重程度，另一个用于评估损伤。六个严重程度项目的平均值用于分析，对应到应激性严重程度的三个等级(0-2)中。 

结果

条件间的行为同步差异

描述性统计见表1。总的来说，dyads在挫折期间的同步时间为292.36 s (SD = 127.73 s)，在恢复期间的同步时间为306.50 s (SD = 105.94 s)。配对样本t检验表明，不同条件下的行为同步性没有差异( p =0 .251)。

表1 描述性统计和预测因子之间的相关性

条件间的神经同步差异     

挫折条件下的亲子个体间连通性显著;与null分布相比，12个通道对具有显著的神经同步性( q = .0002)(图1)。恢复条件下，14个通道对具有显著的神经同步性(q = .0001)。不同条件之间的神经同步没有显著差异(q = .445)。

图1  A.使用置换检验计算挫折期和恢复期的null分布的神经同步。B.两个条件下的神经同步差异。

行为和神经同步的相关性

在挫折条件中，行为和神经的同步性显著相关(r(98) = .209, p = .038)(图2)。在挫折条件下，整体同步性与行为同步性呈正相关。在恢复条件下，行为和神经同步没有显著相关(r(98) = .094, p = .358)。

图2 挫折条件下，神经和行为同步的相关性。洋红色的线表示预测线的95%置信区间

    儿童和母亲应激性与行为同步的相关性

母亲和孩子的应激性显著相关(r(116) = .344, p < .001)。皮尔森相关系数表明，在挫折条件下(r(98) = .349, p < .001)和恢复条件下(r(98) = .269, p = .007)，双向同步化与儿童的应激程度呈负相关。母亲的应激性与行为同步无关(rs(116) < .113, ps > .268)。 

儿童和母亲的应激性和神经同步的相关性

儿童应激性与恢复条件下的神经同步显著相关（r (116) = .206, p = .027）(图3)。母亲应激性与神经同步无关(rs (116) < .059、ps > .531),控制母亲的应激性并没有改变神经同步与儿童应激性之间相关的本质(r(113) = .198, p = .034)。

图3 儿童应激性因子得分与恢复期平均神经同步的相关性。淡蓝色的线表示预测线的95%置信区。 

最后，评估在恢复期间，为探究应激性和神经同步之间的相关是否是伪结果(即，这一结果是否由于从挫折到恢复的神经同步下降导致)，我们从神经测量中创建了一个不同的分数，并将其与儿童应激性做相关，其相关性不显著(r(116) = .069, p = .463)，表明儿童应激性与从挫折到恢复的同步性显著降低无关。

 总结

儿童的应激性与挫折调节困难和缺乏积极教养有关。然而，我们对其生物学机制知之甚少。本研究使用fNIRS和DB-DOS:BioSync范式，分析儿童的应激性与亲子二人在挫折期和恢复期的行为同步和神经同步之间的关系。发现，轻度挫折和恢复情境都会导致神经同步，在恢复过程中，神经同步性与应激性呈负相关，挫折期后的恢复对应激性高的儿童来说特别困难。

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