本文以94名穿透性創傷性腦損傷患者為樣本，采用支持向量-多變量模式分析的方法，量化了腦損傷位置對利他懲罰和利他獎賞這兩種利他決策各自的作用。利他行為由一種比較新穎的行為學任務測量，要求個人有代價地對第三方社會組織進行獎賞或懲罰，這種設計使得本研究可以分離利他獎賞和利他懲罰兩種行為各自的神經基礎。與此同時，支持向量-多變量模式分析使得研究者的關注重點從不同腦損傷的人群轉移到腦損傷的位置和范圍本身。

背景

利他主義是人類社會中人際交往與合作的內核，也是法律準則和社會規范的內核。在利他主義的框架下，人們會犧牲自己的利益，去懲罰違反規范的人，鼓勵遵循規范的人。在利他主義的研究中，模擬經濟游戲和假設犯罪情景這兩種實驗范式近年來十分流行。

道德動機是利他行為的根源。一些非侵入性方法，如經顱直流電刺激、經顱磁刺激以及腦損傷定位，為研究道德判斷相關的腦區提供了幫助。一些經顱直流電刺激和經顱磁刺激的實驗表明，右背外側前額葉參與了部分決策過程，幫助個體最大化個人聲譽、在有懲罰的條件下遵守社會規范，減少自私表現。內側額極的損傷會減少負罪感，增加欺騙行為，例如在模擬犯罪審訊中撒謊。額顳葉癡呆患者額極和隔區的退化削弱了他們內疚和同情的情感。杏仁核與后背內側前額葉的退化則會減少憤慨和厭惡情感。最近的一項研究顯示，背外側前額葉的損傷使人不那么關注誠信問題。該研究應用了一個獨裁者博弈游戲，每對參與者中，一人能夠看到2種金錢選項，分別是利己的和利他的，另一人根據對方提供的關于選項的信息（可以說實話也可以說假話），在2個選項中做出決策。正常的參與者都是誠實且利他的，而背外側前額葉損傷的患者則不在意誠信問題，總是提供“虛假信息”。這些研究共同說明，背外側和內側前額葉的不同部分和親社會動機、誠信、自我名譽關注和第三方懲罰息息相關。 

（注：獨裁者博弈游戲：這類兩人博弈中，一人指派兩個人各自的收益，而另一人無權反駁，只能被動接受。如A和B進行獨裁者博弈，A決定給自己100元，給B10元，B只能接受這個決定）

有很多研究關注利他決策的神經基礎，但大多以正常人為被試，對腦損傷患者的研究比較少見，而對病人的研究可以提供獨特的因果信息。此外，以往的研究都沒有考慮到一種情形：被試作為匿名的第三方施加獎懲。本研究中使用一個簡單的利他決策任務，調查了一大群患有局灶性額，顳，頂葉損傷的越戰老兵的行為表現。在這個利他決策任務中，被試需要對一些支持重要社會事業（例如支持婦女權利，安樂死和核能利用）的組織進行匿名的罰款和捐款，研究者假設，被試的行為將會因不同大腦區域的損害而改變，而這些大腦區域應該與社會認知，尤其是與道德和正義的判斷有關。 

方法

被試

被試均為男性越戰退伍軍人，包括94名有創傷性腦損傷（TBI）的患者和28名同樣在越戰中服役但沒有腦損傷或其他神經疾病史的正常人對照組。被試從WF Caveness Vietnam Head Injury StudyRegistry招募，他們在2009年至2012年期間都參與了另一項在馬里蘭州Bethesda的國家神經疾病和中風研究所的研究，彼時進行了影像采集與病變部位識別。在Bethesda海軍醫院用GE Medical Systems Light Speed PlusCT掃描儀對被試進行螺旋模式軸位CT掃描。結構像重構參數：in-plane voxel size=0.4*0.4mm，overlapping slice thickness =2.5mm，slice interval=1mm。病變部位和體積基于CT圖像使用Analysis of Brain Lesion 軟件在MEDx V.3.44（Medical Numeric）中實現，并使用了自動解剖標記圖譜（AAL）。每個大腦的CT圖像使用12參數自動圖像配準算法配準到MNI空間中的CT模板。被試的大腦和MNI模板都做了顱骨剝離；空間標準化沒有包括目標病灶內部的體素。與其他腦損傷研究類似，由一名經驗豐富的CT專家在原始空間的每個切片上人工追蹤損傷部位，隨后由項目負責人進行檢查。二人均對臨床評估的結果不知情。腦損傷重疊圖如圖1所示。

圖1. 94名患者的腦損傷重疊。顏色代表該位置具有損傷的人數。（原文圖1）

對TBI組和控制組在關鍵的人口統計學變量上進行了匹配，包括年齡，性別，教育和戰爭經驗。這兩組中幾乎沒有藥物濫用的情況。由于大部分的穿透傷代償機制可能在傷后3年內表現出來，而本實驗中穿透性TBI患者的腦損傷在傷后約40年進行評估，可以認為他們的腦損傷是穩定的。此前的篩查沒有發現他們有任何神經退行性疾病或額外的病變。研究通過了倫理審查委員會的審查，所有被試和護工均簽署了知情同意書。

行為學任務：利他決策任務

利他決策任務的主要目標是：評估基于道德信仰的對現實中的社會問題的偏好。在這個任務中，被試會看到一系列真實存在的社會組織（詳見表1），然后根據道德判斷，對每一個組織做出金錢決策。他們有3種選項：①懲罰，即對該組織罰款；獎勵，即向該組織捐款；節省，即既不懲罰，也不獎勵。被試一開始得到一筆60美元的款項，用于獎勵或懲罰。每一個懲罰或獎勵的決定都要花費被試自己的1美元，而存錢意味著沒有支出。具體來說，在“捐贈”下選擇“是”，1美元將會從該被試的賬戶扣除并轉給該組織；如果在“懲罰”下選擇“是”，他和該組織的帳戶均會減少1美元（組織的罰款是從其他參與者對同一組織的捐款中扣除的）。  如果參與者選擇既不捐贈也不懲罰，他需要選擇“否”，此時他的余額不會增加或減少。整個實驗中，30個組織均會呈現2次，每位被試最多可以結余60美元，捐款和懲罰的上限均為30美元，結余的錢歸被試所有。所有的捐贈和懲罰都是以花費自己的金錢為代價的，因此都是利他的。在懲罰或捐贈上花費的金額，以及結余的金額，被用于該任務的評分。研究假設參與者獎勵或懲罰某一特定組織的意愿是基于他對該組織宗旨的道德態度。我們還假設，懲罰或捐贈的決定反映了個體總體的道德懲罰傾向和慷慨水平。

表1. 利他決策任務中涉及的社會組織列表（原文補充表1）

背景測量：神經心理學評估

被試接受了簡短的認知篩查（簡易智力狀態檢查量表），隨后進行了詳細的神經心理學評估，包括利手性和智力（韋氏成人智力測驗）�？紤]到執行功能在利他決策中的決定性作用，穿透性TBI患者還做了Delis-Kaplan測評，測量了其在分類任務、字母和類別流暢性任務中的得分。最后分別用大五人格量表和Barratt量表評估了被試的人格和沖動性。

其中，Delis-Kaplan分類測驗要求被試將六張卡片按兩列排列成幾種可能的類別（自由分類），然后詳細解釋他們是如何進行分類的（自由分類解釋）；接著由主試對卡片分類，被試說明分類的理由（分類認知）。Delis-Kaplan言語流暢性測驗要求被試在1分鐘的時間內產生言語反應: 字母流利性測驗要求生成以特定字母（F，A，S）開頭的單詞；類別流利性測驗要求被試說出屬于特定語義類別的單詞（動物和男孩的名字）；類別切換測驗包括一個單獨要求被試在兩個語義類別（水果和家具）之間連續交替地說出單詞。

利他決策任務下的決策損害

本研究的核心是利用支持向量回歸多變量模式分析（SVR-MLSM）對腦損傷分布與利他決策任務得分的關系進行評估。不同于傳統的單變量分析，多變量模式分析不認為每個體素的貢獻是獨立的，而是假設多個體素對行為學結果共同產生影響。具體計算步驟如下：

1.制作mask：如果該體素在至少3名患者身上被標記為損傷，則mask包含該體素

2.通過支持向量回歸模型從原始數據中生成β-map；

3. 使用置換檢驗的方法計算每一個voxel貢獻的顯著性，即P值；

4.應用FDR校正，P<0.05，從FDR校正的P圖中篩選出>10個體素的簇。這個校正后的p-map就是最終結果，稱為q-map

（注：支持向量回歸多變量模式分析可以理解為多變量回歸+支持向量回歸。簡要地說，首先對行為學成績-腦損傷建立回歸方程：y=XTβ+ε，對每個被試來說，y是行為學成績，這里指的是懲罰金額/捐贈金額，X是所有voxel的值，這里對應的是mask里的每一個voxel是否為損傷部位（例如是=1，否=0），β是擬合出來的系數，對應于結果的β-map，ε是誤差。由于這個回歸方程中，變量的個數＞樣本個數，方程無法直接解，因此使用了支持向量回歸的方法，通過引入懲罰項，支持向量回歸可以避免過擬合，在訓練準確率和預測準確率中達到一個比較好的平衡。

置換檢驗指的是把行為學結果-被試腦損傷模式這一對應關系隨機打亂5000次，然后5000次中用同樣的方法對這一新的數據集計算出新的β-map，每個voxel的p值即為5000次置換檢驗中這個voxel的新β值高于原始β值的比例。）

支持向量回歸的結果是腦損傷位置和行為學的對應關系，而不是把個體進行分類，因為單個個體的懲罰或捐贈決定可能受到不同損傷部位的調節；此外，某些損傷可能不影響利他決策任務中的決策。

因此，研究者根據損傷分布模式對穿透性TBI患者進行了再次分組。根據對懲罰和捐贈q-map的值和符號正負，把TBI患者分為以下幾組:  對于懲罰q圖，存在一個無差異亞組，即腦損傷不影響懲罰決策；懲罰增加亞組；懲罰減少亞組；非特異亞組，即腦損傷可能增加懲罰，也可能減少懲罰。對于捐贈 q-map也按上述標準進行分類。

統計分析

采用單因素方差分析，并用Tukey檢驗進行成對比較，分析行為亞組之間利他決策任務行為學結果的統計差異。使用皮爾遜相關系數（r）評估感興趣變量之間的相關性。所有統計測試的顯著性閾值均設為0.05，雙尾。根據Cohen的方差分析指南，統計功效和效應量被劃分為�。�0.10），中（0.25），大（0.40）。

結果

背景測量如表2所示，穿透性腦損傷（TBI）患者與對照組在年齡、教育程度、整體智力、利手性或沖動性方面沒有統計學差異。穿透性TBI組言語智力和執行能力略低，達到顯著，但其病前智力略高。然而，考慮到這些差異的效應量較�。é�2≤ 0.11）以及它們與利他決策任務的得分沒有顯著的相關性，它們不作為協變量輸入到統計模型中。（注：病前智力指個體在疾病和顱腦創傷前的智力水平。不同個體在健康狀態下基礎認知水平不同，因此發病后用相同的標準判斷神經心理學測評結果會出現偏差。本實驗采用國家成人閱讀測驗NART得分作為病前智力的依據。）

表2. 背景測量結果。Mann-Whitney檢驗差異顯著（p<0.05）的項目加粗顯示。（原文表1）

行為學結果

TBI組和控制組都結余大約三分之二的資金，其余三分之一用于捐贈多于懲罰（F>20，df=1，P<0.0001；兩兩比較: P<0.001）。兩組用于捐贈、懲罰以及節省的金額沒有顯著差異（F<32，df=1，P>0.23）。理論上，結余的金額應該和懲罰或捐贈的金額成反比，因為結余=不懲罰+不捐贈。實際結果也服從這個假設，結余與懲罰（r≤-0.49）和捐贈（r≤-0.53）之間確實存在反比關系，這恰恰說明利他行為需要付出高昂的代價。但懲罰和捐贈的金額沒有顯著相關。

腦功能定位

1. 懲罰有關的腦損傷

圖2. 和利他懲罰相關的腦損傷。（A–C）右外側前額葉和外側裂周區，包括頂下小葉、后額中回、顳上回。（D–G）背內側前額葉和左內測額極。（原文圖2）

如下部位的損傷導致懲罰次數增加（圖2藍色）：雙側背內側前額葉；右外側額葉（額中回和額下回）。背內側前額葉損傷更多分布在左腦，還包括前扣帶回前膝部和深部旁溝前區。

如下部位的損傷導致懲罰次數減少（圖2紅色）：左腦損傷主要為腹內側顳葉，包括鉤狀回的前三分之二和海馬旁回的喙部。這個部位的損傷導致杏仁核與前額葉和頂顳枕皮質的連接減弱。右腦的損傷包括中央前回、中央后回和邊緣上回（額葉和頂葉）的下1/3、島葉、顳中回的后1/3、顳上溝和顳上回的后半部分。

這些損傷還擴展到皮質下白質，包括右上縱束中支和左鉤束（減少懲罰），和左上縱束上部（增加懲罰）。

此外，TBI組和對照組在懲罰和捐贈方面沒有總體差異。僅在懲罰增加亞組中，損傷體積與節省金額（r=-0.37，P<0.03）、懲罰金額（r=0.42，P<0.01）分別有顯著相關。對于利他決策任務的三個主要結果變量，控制組和無差異亞組之間沒有統計學差異。換句話說，如果一個患者的損傷發生在調控懲罰決策的區域以外，那么這種損傷對當前這個利他任務無影響。損傷體積最大的是既影響懲罰又影響捐獻的亞組。該亞組的總損傷體積明顯大于無差異亞組。懲罰增大組和其他組的損傷體積沒有顯著差異，這說明損傷體積并不是利他決策任務的一個決定因素。綜上所述，影響當前利他決策任務的關鍵因素是損傷部位而非損傷大小。使用SVR模型控制病變體積后，結果沒有發生質的變化，這點進一步加強了這一結論。

2.捐贈有關的腦損傷

圖3. 和利他捐贈有關的腦損傷。（A）楔前葉，扣帶回，頂上小葉，中央后回（B）楔前葉和背內側額葉（C）眶額皮層后區（D）腹外側眶回，中央前回和中央前溝（E-G）背外側枕葉/顳中回后區，頂上小葉，額上后回。（原文圖3）

如下部位的損傷導致捐獻次數增加（圖3藍色）：中央旁小葉、楔前葉、右背內側前額葉的小部分。如下部位的損傷導致捐獻次數減少（圖3紅色）：右腹外側枕葉、顳中回后區的小部分。捐贈的減少也與右側額下回和額中回下方白質的病變有關，該病變可能破壞了上縱束的中支（補充圖1）。

圖4. 和懲罰和捐贈有關的腦損傷皮層下延伸。紅色和藍色分別表示懲罰（或捐贈）增加和減少。（原文補充圖1）

其他結果

表3描述了各個損傷亞組中利他決策任務的行為模式。全腦的體積損失對總體懲罰或捐贈表現沒有影響。而懲罰較多和懲罰較少的亞組的病灶體積均顯著大于無差異亞組。為了排除樣本數目過小導致的損傷和行為之間的虛假相關，研究者計算了對觀察到的統計效應有貢獻的參與者總數。結果表明，對統計效應做出貢獻的的被試數量≥6，通常在10到25之間（表4）。對利他捐贈任務產生影響的腦損傷在體積上具有不對稱性，更偏向右腦（Wilcoxon檢驗:  P<0.02，雙尾）。

表3. 各個損傷亞組中利他決策任務的行為學結果（原文表2）

表4.和利他決策對應的腦損傷區域和相應的Brodmann區（原文表3）L=left, R=right, m=medial

討論

本研究的新穎性主要在于它是迄今為止，唯一一項以現實存在的社會組織為決策對象的，因果的有關利他決策神經基礎的研究。本研究利用基于支持向量回歸的多元模式分析，研究腦局灶性損傷與利他決策之間的關系，實驗使用的利他決策任務允許研究者評估與懲罰和獎勵分別有關的神經網絡，以及他們重疊和分離的程度。

主要結果如下:

雙側背內側前額葉損傷增加利他懲罰，右外側裂周區和左顳島皮質損害減少利他懲罰

雙側背內側頂葉損傷增加利他捐獻，右顳上溝后區和顳中回損傷減少利他捐獻

利他主義和謀生主義的決定都與人格的改變無關。

利他決策任務

本研究所用的利他決策任務和前人研究所用的任務有所不同。首先，以往關注點在懲罰的神經基礎上，較少地關注捐贈；其次，本任務允許對懲罰或捐贈的多少進行量化分級；第三，本任務中的被試的花費都是真實的，是“自掏腰包”。此外，本任務要求被試根據組織的宗旨或使命來做決策，但沒有提供任何線索來說明該使命何時會實現，或者是否會被實現；因此，本任務強調對組織及其使命的既定信念和態度，而非可觀察到的結果。研究者假定被試的決策反映了他們的意圖，這些意圖可能是傷害性的，友好的或自私的（對應節省決策）。與該假定一致，結果顯示，對利他決策產生影響的腦損傷與移情和心理歸因有關的區域存在重疊。一項額顳葉癡呆患者的研究對此提供了支持，該研究發現這些患者大腦背內側前額葉和旁回的損傷會對道德判斷產生影響。

支持向量回歸多變量模式分析

支持向量回歸多變量模式分析允許將分析重點從個體轉移到病變部位，這樣解釋結果更符合實際，因為正常人和患者可以自由地做出任何種類的決策，所以和懲罰（或捐贈）的變量直接關聯的應該是腦損傷位置，而不是將個體劃分到類別里，如“懲罰者”或“捐贈者”。現有策略產生的結果是:X區病變增加了懲罰決定，Y區病變減少了捐贈決定，諸如此類。因此，在利他決策任務上預測決策的是病變的位置，而不是被試的特殊性。此外，這一方法考慮了腦損傷之間的關聯；對于同一個人來說，不同部位的損傷在不同的試次中提高或減弱了懲罰，據此得到和懲罰/捐贈有關的兩種廣泛的損傷位置模式。

這一發現的一個推論是，在利他決策任務上的表現更多地依賴于右半球的完整性，而不是左半球的完整性。事實上，在正常人和腦損傷患者的移情，道德認知和政治傾向研究中，右偏的不對稱一直是主流規律。

與懲罰有關的腦區

此前的研究中證實了許多與懲罰相關的腦區。如右背外側前額葉和頂內溝參與了有關罪犯是否對罪行的發生負有責任的判斷；右杏仁核、背內側和腹內側前額葉、顳極和后扣帶則參與對不同種類罪行的懲罰的制定。有人認為，至少有兩個網絡在利他懲罰中起作用: 一個和責任歸屬有關的心智化網絡；用于確定具體處罰的執行網絡。和本研究一樣，他們也發現左背內側前額葉、外側前額葉、輔助運動區和右側頂下小葉的損傷會影響利他懲罰。  本研究還進一步指出兩個相互作用的系統調節利他懲罰，一個與右外側皮層、左顳葉前區、島葉有關；另一個與背內側和外側前額葉有關。

減少懲罰的腦損傷主要位于右外側裂周區。許多研究表明顳頂交界區和顳上溝后4區從知覺刺激中提取道德信息。右外側裂周區和緣上回、顳頂交界區有部分重疊，而后者與復雜的社會線索和慷慨程度的個體差異相關，實驗中觀察到的右上縱束受損可能破壞了這些區域之間的連接。由于左側顳島葉損傷而導致的道德厭惡（憤慨）的減少也可能是懲罰減少的原因�？傮w而言，懲罰的傾向會因右后外側裂周區和左顳島皮質的損傷而減少。

前額葉的損傷正好相反。更具體地說，雙側背內側前額葉損傷及其在腹側的延伸，以及右外側前額葉的損傷增加了懲罰率，而這些區域在判斷道德反應時對外側裂周區和顳島葉區發揮調節作用。從旁觀者的角度來說，背內側前額葉皮層將被審判者的意圖與實際行為（傷害/非傷害）結合起來，決定對他的處罰。伴隨著背內側前額葉損傷，患者親社會性情緒降低，可能增強了懲罰傾向。因此，背內側前額葉皮層的損傷使得后顳頂皮層和前顳皮層的社會歸因過程不再受控，從而有利于懲罰。

與捐贈有關的腦區

左內側頂葉損傷患者捐贈減少，而右顳中回的損傷使得捐贈增加，這些區域和利他獎賞的關聯在本研究中首次被發現。前人研究表明，大腦后內側和利他決策有關的位置是后扣帶，它在自我參照的過程中發揮作用�？傮w而言，本研究提示上內側頂葉在某種程度上促進了捐獻，而枕顳葉腹外側皮層降低了捐獻意愿。

上述小結

利他決策產生于神經認知網絡的相互作用，當個體需要進行道德決策時，這些網絡被激活。其中一些區域負責感受事件中第三方的心理，并產生相應的道德體驗（例如，目睹一件好人好事會產生敬佩感），做出對事件好壞的判斷，以及懲罰、獎勵的決定。實驗表明，這些相互獨立的過程很大程度上依賴于右腦的完整性。

本研究局限性和后續的研究方向

首先，研究中發現的和利他決策相關的腦損傷，實際產生的影響可能是異質性的，取決于具體的情境和損傷的位置。以背內側前額葉為例，隔核和前背內側前額葉皮層的損傷與親社會情緒的降低有關，而后背內側前額葉的損傷則導致憤怒和厭惡情緒的降低，因此，背內側前額葉損傷在經濟游戲中是強化利他還是強化自私，取決于損傷的位置和程度。

第二，白質通路的損傷對高級心理功能的影響也引人關注，它可能是某些腦損傷在皮層下的延伸，后續研究可以著重探索白質損傷的后果。

第三，本研究中沒有觀察到TBI患者人格的改變。不僅是腦損傷亞組中沒有觀察到人格改變，患者和對照之間也沒有發現核心人格維度上的顯著差異。這可能是由于只有少數病例損傷到了腹內側前額葉等對人格有較大影響的區域。 

最后，本研究樣本均為男性，且年齡較大，所以很難說是否適用于女性或年輕人。因為性別會影響腦半球對稱性，所以女性利他決策的大腦基礎可能有所不同。這些差異也是今后研究的重要課題。

后續的研究應該進一步完善現有模型，通過對情境、投資數量和類型、特殊人群等的進一步細化，探索各種形式的利他主義的具體神經機制。此外，如下問題應該被著重關注：個體的利他行為傾向；對社會組織及其支持的社會事業采取利他行動；對個人的態度；以及支持上述心理功能的大腦基礎。

總結：

作者利用了多元支持向量回歸方法分析了病變分布與任務反應之間的關系，從而評估多個區域在確定特定興趣行為方面的共同貢獻，這種方法相比于一般的激活分析或者靜息態分析更加具有靈活性，避免了病灶給數據采集帶來的較大影響。值得在探索病灶分布與疾病行為之間關系的研究中被進一步使用。

同時作者發現:

(1)    雙側背內側前額葉損傷增加了利他懲罰，而右側背外側區域和左側顳島皮質損傷減少了懲罰;

(2)    兩側背頂葉皮層病變增加利他性捐贈，右側后顳上溝及顳中回病變減少捐贈;

(3)    利他懲罰與捐贈的相關性較弱，強調二者之間存在可分離的神經解剖學聯系;

(4)    利他決策與創傷后人格改變無關。

這些發現表明，利他主義的懲罰和捐贈很大程度上是由不重疊的大腦區域決定的，這些區域在之前的社會認知和道德體驗中已經涉及到，但仍舊需要更多的探索。

原文：

Altruisticdecisions 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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