音樂速度變化感知的失匹配負(fù)波

賴永秀 田 銀 堯德中

(電子科技大學(xué) 神經(jīng)信息教育部重點實驗室 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 成都 610054)

引言

音樂速度是指音樂進(jìn)行時節(jié)拍的相對快慢程度，即拍子的速率。它取決于樂曲的內(nèi)容與風(fēng)格，與音樂所表達(dá)的情緒、情感有密切關(guān)系［1］，是準(zhǔn)確詮釋音樂作品個性的基礎(chǔ)。由于音樂表現(xiàn)的需要，不同風(fēng)格樂曲的演奏速度通常不同，而同一樂曲內(nèi)的速度也常緩急交錯。因此，感知音樂速度變化對演奏家、作曲家和聽者都具有重要意義［2］。

速度變化檢測相關(guān)的行為研究顯示，不同速度范圍內(nèi)的感知偏差不同［3－5］。當(dāng)聲音刺激間隔(inter onset interval，IOI)小于500 ms時，傾向于加速判斷;當(dāng)IOI大于700 ms時，傾向于減速判斷;而當(dāng)IOI在500～700 ms(許多音樂的偏好速度)之間時，對加速減速的判斷無偏差。即存在一個行為無差異的中速區(qū)間，在該區(qū)間內(nèi)，對加速與減速的檢測難度相等。但事件相關(guān)電位 (event－related potentials，ERPs)研究顯示，行為無差異區(qū)間內(nèi)的速度變化感知在電生理上是有顯著差異的。通過要求被試判斷刺激序列最后一拍的早晚，Jongsma等發(fā)現(xiàn)速度方向變化影響P3的不同亞成分，即加速增強P3晚成分，而減速增強 P3早成分［6］。根據(jù)振蕩器理論，加速目標(biāo)可以吸引主動注意，而減速目標(biāo)則主要由被動注意檢測。因此，延遲呈現(xiàn)目標(biāo)的感知不同于提前呈現(xiàn)目標(biāo)。表明電生理數(shù)據(jù)對速度變化檢測可能比行為數(shù)據(jù)能提供更準(zhǔn)確的測度。

速度變化不僅能在主動注意狀態(tài)下被識別，而且在非注意狀態(tài)下也能被感知［7－13］。但相關(guān)失匹配負(fù)波(MMN)實驗主要研究了快速(IOI＜500 ms)、慢速(IOI＞700 ms)下的速度變化，或中速(500 ms＜IOI＜700 ms)下的跨區(qū)速度變化。而中速內(nèi)的速度變化對MMN的影響還沒有報道。作為許多音樂的偏好速度，行為無差異區(qū)間對理解人類音樂感知機理非常重要。因此，本課題主要研究行為無差異區(qū)間內(nèi)的等間距序列速度變化，探測該區(qū)間內(nèi)的加速與減速感知MMN是否有差異。根據(jù)相關(guān)的電生理研究，假設(shè)單調(diào)節(jié)奏中的局部速度擾動可以被大腦自動加工，且加速與減速感知的 MMN特征不同。

1 材料和方法

1.1 刺激材料

標(biāo)準(zhǔn)刺激是由5個相同鼓點音組成的等間隔序列。鼓點音是 K－8bit2，音高 C5，音長85 ms。實驗共用三類不同標(biāo)準(zhǔn)等間隔序列，即IOI分別為300、600、900 ms。對每類標(biāo)準(zhǔn)序列的第三個 IOI進(jìn)行10%的增減，各生成加速、減速兩類偏差序列。所有刺激均用軟件FLS6.0和Audition3.0合成。

1.2 行為實驗

行為實驗的目的是檢驗中速序列中的局部速度擾動檢測是否確實無感知偏差。實驗共分3組，分別對應(yīng)三種不同標(biāo)準(zhǔn)速度:IOI=300、600、900 ms，播放順序偽隨機。其中每組含標(biāo)準(zhǔn)、加速、減速共3類序列，各隨機重復(fù)播放25次。要求被試根據(jù)序列前3個音的播放速度，判斷第4個音的播放時刻是提前、延后還是恰好等速，同時分別盡快按數(shù)字鍵 1、2、3 進(jìn)行響應(yīng)。

1.3 腦電實驗

腦電實驗采用被動聽覺范式，研究行為無差異區(qū)間內(nèi)的速度變化對MMN的影響，所以只考慮600 ms標(biāo)準(zhǔn)速度下的標(biāo)準(zhǔn)、加速、減速三類刺激序列。實驗分為兩組，每組中三類刺激各重復(fù)50次，隨機呈現(xiàn)。實驗中要求被試認(rèn)真觀看無聲電影而忽略雙耳的聲音刺激。

1.4 被試

行為實驗被試共19名，平均年齡為(23.2±1.6)歲，腦電實驗被試共15名，平均年齡為(23.5±1.3)歲，均為男性右利手大學(xué)生，無神經(jīng)或心理疾病歷史，聽力正常，視力正?；虺C正正常。實驗前均簽署了知情同意書。

1.5 EEG記錄

EEG采集使用EGI200系統(tǒng)，129導(dǎo)電極在頭表按10－20標(biāo)準(zhǔn)安放。參考電極Cz，接地電極在前額，水平和垂直眼電由眼眶上下和側(cè)面的EOG電極記錄。電極阻抗小于50 KΩ，采樣率1000 Hz。實驗室電屏蔽，隔音，光線微弱。計算機屏幕位于被試正前方50 cm，聽覺刺激通過Sennheiser耳機同時呈現(xiàn)到雙耳。腦電記錄過程中，要求被試采用舒適的姿勢，盡力保持身體不動、避免眨眼和眼動。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 行為數(shù)據(jù)

根據(jù)響應(yīng)精度(Acc)剔出一個被試的數(shù)據(jù)(Acc＜50%)。為判斷不同標(biāo)準(zhǔn)速度下的感知偏差，對響應(yīng)精度Acc和辨別力指數(shù)d’進(jìn)行雙因素重復(fù)測量Anova分析，再對每種標(biāo)準(zhǔn)速度下的加速和減速的辨別力指數(shù)d’進(jìn)行配對t檢驗。

2.2 腦電數(shù)據(jù)

離線數(shù)字濾波1～30 Hz，重參考為平均參考。剔除含EOG偽跡的Epochs。由于過多眼電偽跡，三個被試的數(shù)據(jù)不參與進(jìn)一步分析。分段以序列第4音開啟點為零點，選取刺激后600 ms的數(shù)據(jù)。為減弱第3音的持續(xù)影響，采用第3～4音之間的整段數(shù)據(jù)做基線。經(jīng)過疊加平均和基線校正，分別得到三類條件的大平均ERP波形。

根據(jù) ERP量化的優(yōu)化方法［14］，隨后在一個更窄的帶通范圍內(nèi)(1～10 Hz)對幅度和潛伏期進(jìn)行分析，以便平滑差異波，類似于傳統(tǒng)的10～100 ms時間窗(以峰值潛伏期為中心)平均。偏差ERP減去標(biāo)準(zhǔn)ERP，得到差異波。

MMN幅度由刺激開啟后100～400 ms內(nèi)的最大負(fù)峰確定。通常，經(jīng)典的MMN峰值在150～250 ms［15］，但對復(fù)雜的聽覺或認(rèn)知加工，需要考慮更寬的時間窗［16］。本研究中的100～400 ms窗與相關(guān)研究一致［16－17］。MMN潛伏期由MMN峰值確定。

中線區(qū)電極的EEG數(shù)據(jù)用于統(tǒng)計分析。首先采用單因素重復(fù)測量ANOVA分析，檢驗MMN是否顯著不同于基線，MMN潛伏期對應(yīng)的偏差ERP幅度是否顯著小于標(biāo)準(zhǔn)ERP幅度。然后再對MMN的潛伏期和幅度進(jìn)行單因素重復(fù)測量ANOVA分析，檢驗加速感知與減速感知是否有差異。

3 實驗結(jié)果

3.1 行為實驗

以速度及速度擾動方向為自變量，對Acc和d'進(jìn)行雙因素重復(fù)測量Anova分析。結(jié)果顯示，速度的主效應(yīng)均達(dá)到顯著(F(2，17)=5.566，P＜0.05;F(2，17)=6.165，P ＜0.01)。后校驗分析發(fā)現(xiàn)，中速(IOI=600 ms)的 Acc顯著大于快速(IOI=300 ms)(P＜0.01)和慢速(IOI=900 ms)(P＜0.05);加速的Acc顯著小于減速(P＜0.05);加速的d’也顯著小于減速(P＜0.01)。但二者的交互效應(yīng)均不顯著。

配對t檢驗顯示，快速序列中，加速和減速的d’有顯著差異(P＜0.001);慢速序列中，加速和減速的d’也有顯著差異(P＜0.05);但中速序列中，加速和減速的d’無顯著差異。該結(jié)果表明，被試對中速序列局部速度變化的主動檢測不存在行為上的感知偏差，確保了后續(xù)MMN實驗所采用的標(biāo)準(zhǔn)速度確實在行為無差異區(qū)間內(nèi)。

3.2 腦電實驗

圖 1 為中線(Fz，Cz，Pz，F(xiàn)3，F(xiàn)4，C3，C4)及左右乳突(LM，RM)電極的標(biāo)準(zhǔn)和偏差大平均 ERP波形。偏差ERP減去標(biāo)準(zhǔn) ERP得到差異波，其中額葉區(qū)電極有明顯的負(fù)波，如圖2所示。

采用單因素重復(fù)測量Anova對最大負(fù)峰對應(yīng)的偏差及標(biāo)準(zhǔn)ERP的幅度差異進(jìn)行了檢驗。結(jié)果顯示，標(biāo)準(zhǔn) ERP的幅度顯著大于加速(F(1，12)=14.49，P＜0.001)和減速(F(1，12)=10.59，P ＜0.005)兩種偏差ERP的幅度。

同時再采用單因素重復(fù)測量Anova對偏差誘發(fā)的MMN與基線進(jìn)行比較。結(jié)果顯示，加速(F(1，12)=282.22，P ＜0.001)和減速(F(1，12)=94.29，P＜0.001)兩種偏差條件下的差異負(fù)波均顯著不同于基線。

在 Fz，加速的 MMN 幅度為 －0.42 μV，潛伏期238 ms;減速的 MMN幅度為 －0.31 μV，潛伏期295 ms。單因素重復(fù)測量 Anova分析顯示，加速 MMN的幅度顯著大于減速(F(1，12)=6.06，P＜0.05)，潛伏期顯著早于減速(F(1，12)=6.77，P＜0.05)。

4 討論

本研究發(fā)現(xiàn)，在行為響應(yīng)中，被試對中速序列局部速度變化的主動檢測不存在感知偏差;但在大腦自動感知加工中，F(xiàn)z電極的加速 MMN比減速MMN的幅度更大，潛伏期更早。

4.1 行為結(jié)果

行為數(shù)據(jù)顯示，速度對Acc和d’有顯著影響，中速的Acc和d’均大于慢速和快速。進(jìn)一步分析顯示，慢速和快速下，加減速的d’均有顯著差異;而中速下，加減速的d’無顯著差異。表明快慢速下均存在速度變化感知偏差，而中速下的速度變化感知無偏差。這可能正是中速Acc大于快慢速Acc的原因。但MMN結(jié)果顯示，加速和減速間有顯著差異。結(jié)合行為和電生理結(jié)果，本研究推測，中速的加減速感知差異較小，不足以對行為成績產(chǎn)生顯著影響，而對電生理數(shù)據(jù)可產(chǎn)生顯著影響。由于MMN對聽覺刺激的可識別甚至無法識別的變化都很敏感，說明在感知和認(rèn)知加工中，ERP包括MMN可能是比行為成績更敏感的指標(biāo)。

4.2 速度擾動方向?qū)MN的影響

圖1 中線及左右乳突電極的大平均ERP波形圖。(a)F3;(b)Fz;(c)F4;(d)C3;(e)Cz;(f)C4;(g)LM;(h)Pz;(i)RMFig.1 Grand-averaged ERPs at midline and mastoid sites for standard，acceleration and deceleration conditions respectively.(a)F3;(b)Fz;(c)F4;(d)C3;(e)Cz;(f)C4;(g)LM;(h)Pz;(i)RM

圖2 額葉區(qū)電極的差異波。(a)F3;(b)Fz;(c)F4Fig.2 Difference Waveforms at frontal sites for acceleration and deceleration conditions respectively.(a)F3;(b)Fz;(c)F4

ERP分析顯示，在 Fz，加速 MMN的幅度更大，潛伏期更早。表明即使在行為無偏差的中速下，刺激開啟的提前和延后也是有區(qū)別的。Sams等發(fā)現(xiàn)，偏差刺激偏離標(biāo)準(zhǔn)刺激的量越大，MMN幅度越大，潛伏期越短［18］。Kisley等也指出，MMN波幅對微弱的速度變化很敏感，會隨速度變化程度的增大而顯著增加，與被動注意的神經(jīng)活動相關(guān)［19］。與此相似，Tervaniemi推斷，行為上易識別的聲音比難識別的聲音能誘發(fā)更大幅度的 MMN［20］。因此，本實驗的結(jié)果顯示，對中速等間隔序列，盡管速度變化比率相同，但加速與標(biāo)準(zhǔn)之間的偏差在感知上可能大于減速與標(biāo)準(zhǔn)之間的偏差，即提前目標(biāo)對應(yīng)行為上更容易識別的條件，而延后目標(biāo)則相反。

腦電數(shù)據(jù)的分析顯示，即使在行為無偏差速度下，加速感知也不同于減速感知。據(jù)相關(guān)研究報道，加減速的感知機理并不相同。Hibi認(rèn)為，延長情況比縮短情況需要更大程度的偏離才能達(dá)到50%的正確判斷率［21］。Jongsma等也推測，提前呈現(xiàn)的加速目標(biāo)會導(dǎo)致一個‘驚喜效應(yīng)’，由于注意還未到達(dá)最大，可吸引主動注意檢測;而延遲呈現(xiàn)的減速目標(biāo)在注意到達(dá)最大時仍未出現(xiàn)，則注意在檢測到延遲后會發(fā)生轉(zhuǎn)移，離開聽覺序列，實際呈現(xiàn)時由被動注意檢測［6］。這些研究表明，行為無偏差速度下的加減速感知機理可能不同。

行為無偏差速度下的加減速MMN顯示了一個速度偏差方向效應(yīng)。相似的不對稱也存在于音長和頻率 MMN中［22－23］。在頻率變化或音長縮短偏差誘發(fā)的 MMN中，Grimm等發(fā)現(xiàn)，MMN與偏差開啟點距標(biāo)準(zhǔn)開啟點的時間距離有關(guān);偏差出現(xiàn)越晚，MMN幅度越小［22］。由于標(biāo)準(zhǔn) IOI總是大于加速IOI而小于減速IOI，這種時間距離效應(yīng)可能部分地解釋了長短IOI偏差的不對稱性?；谄顧z測和量化的同步理論，Colin等進(jìn)一步解釋了音長感知的不對稱效應(yīng)［23］。他們推測，對短偏差，偏差檢測和量化同時進(jìn)行;而對長偏差，偏差檢測早于偏差量化。根據(jù)Naatanen的刺激驅(qū)動聽覺變化檢測的ERP模型［24］，提前目標(biāo)的同步加工可能比延后目標(biāo)的非同步加工能分配到更多注意資源。因此，即使在行為無偏差速度下，提前目標(biāo)也比延后目標(biāo)更容易識別。由于行為實驗結(jié)果中缺少對應(yīng)的心理生理指標(biāo)，因此，這種速度擾動方向效應(yīng)也可能是一種類似于音長感知的獨特電生理現(xiàn)象。

5 結(jié)論

本研究顯示，大腦能自動感知行為無偏差區(qū)間內(nèi)的等間距序列速度的局部速度擾動，且速度擾動方向?qū)MN有顯著影響。與減速相比，在Fz，加速MMN的幅度更大，潛伏期更早，可能更易被識別。行為和腦電實驗的結(jié)果表明，即使在行為無偏差速度下，大腦對加減速的感知還是有差異的。

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