莫扎特奏鳴曲K.448對(duì)腦電功率譜與重心頻率的影響

盧英俊, 吳海珍, 錢 靚, 謝 飛

浙江師范大學(xué)杭州幼兒師范學(xué)院發(fā)展認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310012

莫扎特奏鳴曲K.448對(duì)腦電功率譜與重心頻率的影響

盧英俊, 吳海珍, 錢 靚, 謝 飛

浙江師范大學(xué)杭州幼兒師范學(xué)院發(fā)展認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310012

采用腦電功率譜 （power spectrum，PS）和重心頻率 （gravity frequency，GF）分析方法研究“莫扎特效應(yīng)”代表音樂——Sonata K.448的神經(jīng)電生理效應(yīng)。在靜息和播放不同音樂狀態(tài)下記錄16名非音樂專業(yè)大學(xué)生的腦電，通過平均周期圖法計(jì)算腦電PS和GF。結(jié)果顯示:3種音樂都顯著升高了GF值，尤其在顳區(qū)；聽莫扎特音樂時(shí)，男性GF的增加顯著高于女性；莫扎特音樂對(duì)腦電PS的影響模式存在性別差異，顯著降低了女性α1和α2頻段PS，卻顯著升高了男性α2頻段PS；莫扎特音樂對(duì)顳葉PS影響最顯著；且其對(duì)α1頻段PS的作用模式與其它音樂差異顯著。結(jié)果表明，莫扎特奏鳴曲K.448對(duì)腦電GF和α波PS的作用具顯著性別差異。

莫扎特效應(yīng)；腦電；腦電功率譜；重心頻率；性別差異

引 言

所謂“莫扎特效應(yīng)”，是指與聽莫扎特音樂相關(guān)的行為能力提高或神經(jīng)生理活動(dòng)改變。1993年， Rauscher等[1]發(fā)現(xiàn)聽莫扎特D大調(diào)雙鋼琴奏鳴曲 （Sonata K.448）的實(shí)驗(yàn)組在時(shí)空推理任務(wù)上的測(cè)驗(yàn)成績(jī)，高出聽通俗音樂的對(duì)比組和不聽任何音樂的控制組8～9個(gè)百分點(diǎn)。他們進(jìn)一步證實(shí)音樂訓(xùn)練能長(zhǎng)時(shí)程地增強(qiáng)學(xué)前兒童的時(shí)空推理能力[2]。以大鼠為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，也發(fā)現(xiàn)莫扎特音樂能提高大鼠走多重T迷宮的成績(jī)[3]。已知音樂加工與時(shí)空知覺共享了部分腦區(qū)，如音樂與空間知覺的表征均涉及顳葉皮層。又根據(jù)Trion模型 (Mountcastle認(rèn)為皮層柱是皮層的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，由加工單元“微柱”所組成。Trion模型是對(duì)Mountcastle組構(gòu)原理的數(shù)學(xué)實(shí)現(xiàn)：一個(gè)trion代表了一個(gè)理想化的微柱或大約100個(gè)神經(jīng)元，并具有三種水平的放電活動(dòng)；由一小群trions結(jié)構(gòu)化聯(lián)結(jié)而組成的皮層柱會(huì)被誘發(fā)出一種似穩(wěn)定的、周期性的時(shí)空放電模式，稱為Magic Patterns，且該模式能夠通過Hebb規(guī)則來學(xué)習(xí)或提高)，Rauscher等[3]認(rèn)為具有很強(qiáng)周期性且高度結(jié)構(gòu)化的莫扎特音樂能夠激發(fā)或增強(qiáng)時(shí)空任務(wù)所使用的固有神經(jīng)放電模式，進(jìn)而提高時(shí)空推理能力。而腦電相干性實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了暴露于莫扎特音樂后，后繼完成空間任務(wù)時(shí)不同腦區(qū)之間的相干模式遺留了聽音樂時(shí)的模式。

“莫扎特效應(yīng)”一經(jīng)提出，學(xué)界就掀起了研究莫扎特音樂的熱潮。在行為學(xué)層面上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不是很一致，有些研究能夠重復(fù)這一效應(yīng)，有些則不能[4]，如1999年Steele對(duì)Rauscher等的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，但未獲得莫扎特效應(yīng)[5]，2003年他又對(duì)Rauscher的大鼠學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行質(zhì)疑，指出實(shí)驗(yàn)所用樂章中大部分音符超出了老鼠的聽覺閾限[6]。Mckelvie和Low也報(bào)告說，在他們的實(shí)驗(yàn)中聽莫扎特奏鳴曲的兒童的空間智力分?jǐn)?shù)相對(duì)于控制組并沒有顯著提高[7]。這些不一致的發(fā)現(xiàn)引發(fā)熱烈討論，使得“莫扎特效應(yīng)”備受爭(zhēng)議。

然而利用認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)手段來探究這一效應(yīng)的研究，幾乎一致地證實(shí)了莫扎特音樂對(duì)神經(jīng)生理活動(dòng)的影響存在不同于其他音樂的獨(dú)特模式。1）腦電方面的研究發(fā)現(xiàn)：莫扎特音樂導(dǎo)致了腦電相干性的增強(qiáng)；莫扎特音樂增加了顳葉與左側(cè)額葉區(qū)域神經(jīng)電生理活動(dòng)的相關(guān)性；莫扎特音樂改變了腦電α頻段的幅度并增強(qiáng)了左右半球間的相干性；莫扎特音樂改變了EEG功率與相干性，特別是右側(cè)顳葉[8]；莫扎特音樂在空間旋轉(zhuǎn)和數(shù)字任務(wù)中普遍誘發(fā)了γ波段活動(dòng)，且在執(zhí)行數(shù)字任務(wù)時(shí)獨(dú)特地影響了低頻α活動(dòng)[9]；莫扎特音樂組在空間旋轉(zhuǎn)任務(wù)下腦電復(fù)雜性較低，且低頻α和γ頻段的同步化顯著[10]。2）事件相關(guān)電位（event-related potential，ERP）研究發(fā)現(xiàn)：莫扎特音樂作為背景音樂時(shí)，視覺Oddball任務(wù)誘發(fā)的左半球ERP成分的潛伏期增長(zhǎng)，右半球ERP成分的潛伏期縮短[11]；而添加了新異刺激后的視覺Oddball任務(wù)，發(fā)現(xiàn)莫扎特音樂使P3a和P3b的幅度降低，且P3b潛伏期改變[12]。3）腦成像的研究結(jié)果也很一致，如fMRI實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)莫扎特音樂對(duì)大腦的激活最為廣泛，除了顳葉皮層外，還激活了背外側(cè)前額葉、枕葉和小腦等與時(shí)空推理關(guān)系密切的腦區(qū)[13]；近紅外腦功能成像 （near-infrared spectroscopy，NIRS）也發(fā)現(xiàn)除顳葉外，莫扎特音樂還激活了背外側(cè)前額葉和枕葉[14]。4）臨床研究也證實(shí)：記錄聽莫扎特音樂時(shí)腦電的變化，發(fā)現(xiàn)莫扎特音樂可以減弱癲癇病人的癇樣放電活動(dòng)，且短期和長(zhǎng)期效應(yīng)都存在[15]；在平衡分析平臺(tái)上進(jìn)行靜態(tài)姿勢(shì)描記顯示，莫扎特音樂還能夠使被試的平衡變量改變，如視覺成分下降、前庭和體覺的輸入增加等，提示其具有在前庭損傷病人康復(fù)治療中的潛在應(yīng)用價(jià)值[16]。

總之，對(duì)“莫扎特效應(yīng)”的評(píng)價(jià)尚存爭(zhēng)議，需要綜合利用各種技術(shù)進(jìn)行更系統(tǒng)性的研究，特別還要考究音樂本身的特性與文化背景。Rauscher等通常以放松狀態(tài)、白噪聲或Glass簡(jiǎn)約音樂等差別很大的音樂作為對(duì)照，而我們?cè)谘芯恐刑匾膺x取了音樂曲式風(fēng)格比較類似Sonata K.448的古典音樂“致愛麗絲”和流行音樂“后來”鋼琴曲作為對(duì)照，以考查音樂類型、性別、腦區(qū)和半球等因素對(duì)腦電不同頻段（α1波、α2波、α波總——α1+α2、β波、δ波及θ波）功率譜和腦電重心頻率的影響?；谏鲜鲅芯恳约澳匾魳藩?dú)特而顯著的回旋曲式特征，預(yù)測(cè)Sonata K.448對(duì)腦電各個(gè)頻段功率譜及重心頻率的影響模式可能異于后兩種音樂。

材料和方法

被試者

隨機(jī)選取非音樂專業(yè)大學(xué)生16名 （年齡范圍21～23歲，M=22），男、女生各8名，均未接受過任何專業(yè)音樂訓(xùn)練。所有被試身體健康，聽力正常，無精神病史或大腦創(chuàng)傷，均為右利手。

實(shí)驗(yàn)材料

刺激音樂采用莫扎特“D大調(diào)雙鋼琴奏鳴曲” （K.448）、貝多芬“致愛麗絲”和通俗音樂“后來”，均為純鋼琴音樂，且均能引發(fā)愉悅正性的情緒。K.448具有莫扎特音樂的典型特征——曲式的回旋性與主旋律的重復(fù)性，調(diào)式為D大調(diào)，速度是行板（在四分音符70左右）；“致愛麗絲”曲式的特點(diǎn)是 ABACA式回旋曲式結(jié)構(gòu)，a小調(diào)，中速 （在四分音符80～100左右）；“后來”為降E大調(diào)，小行板 （在四分音符72左右）。前兩首樂曲都屬于古典音樂，有回旋性、主旋律重復(fù)性的共性；“后來”屬于流行音樂，也重復(fù)了很多高潮部分，但和回旋曲式有所差別?？傊琄.448回旋曲式特征最顯著，“致愛麗絲”其次，“后來”最弱。被試對(duì)這3首樂曲的熟悉程度基本一致。

實(shí)驗(yàn)過程

被試首先填寫被試記錄表，佩戴電極帽后，放松1～2 min后實(shí)驗(yàn)開始。實(shí)驗(yàn)分為4個(gè)部分，參考Bodner等[5]的實(shí)驗(yàn)范式，令被試分別在靜息、播放通俗音樂“后來”、古典音樂“致愛麗絲”和莫扎特“D大調(diào)雙鋼琴奏鳴曲”等狀態(tài)下閉眼靜坐3 min，同步記錄腦電；為避免不同音樂間的相互干擾，兩種音樂刺激之間被試休息10 min，且保證被試大腦保持較高的喚醒度。

EEG記錄

采用Neuroscan便攜式腦電采集系統(tǒng)記錄腦電。IBM手提電腦播放音樂，并由掛耳式耳機(jī)傳入被試耳中。播放音樂前，各種音樂聲音強(qiáng)度均先調(diào)節(jié)到令聽者感覺舒適柔和，即強(qiáng)度中弱 （mp，約60 db左右），以降低音樂強(qiáng)度因素對(duì)腦電測(cè)量的干擾。37導(dǎo)電極帽（Ag/AgCl電極）采集腦電，電極排列位置按照10-20國(guó)際腦電系統(tǒng)安放，雙側(cè)乳突平均參考，頭皮電極電阻均調(diào)至5 kΩ以下。腦電采集頻率為DC～70 Hz，采樣頻率為1000 Hz。參數(shù)分析

腦電功率譜值計(jì)算

利用Bartlett平均周期圖法計(jì)算腦電功率譜密度：用Scan軟件將采集到的腦電進(jìn)行腦電預(yù)覽、DC矯正、去眼電和濾波后，將3 min（每種音樂的長(zhǎng)度）的腦電 5等分 （每段36 s），選取緊鄰每個(gè)分界點(diǎn)前方的4.096 s腦電，即約32～36 s、68～72 s、104～108 s、140～144 s和176～180 s，共5段，總長(zhǎng)約20 s。通過快速傅里葉變換 （4096點(diǎn)FFT）計(jì)算每一段EEG的周期圖，并進(jìn)行平均[17]。腦電功率譜密度 （power spectral density，PSD）計(jì)算公式為此處M=5，L=每段腦電長(zhǎng)度=4.096 s。

計(jì)算各頻段的腦電功率譜 （power spectrum，PS）：功率譜定義了信號(hào)功率如何隨頻率分布，各段頻率范圍設(shè)定如下：δ （0.5～3.9 Hz）、θ （4～7.4 Hz）、α1 （7.5～8.9 Hz）、α2（9～13.4 Hz）、β（13.5～30 Hz）。腦電功率譜由腦電功率譜密度積分得到，并通過對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換化簡(jiǎn)數(shù)據(jù)，公式如下：

重心頻率計(jì)算

功率譜曲線的重心頻率 （gravity frequency，GF）可以反映腦電信號(hào)功率譜的總體分布趨勢(shì)[18]。其計(jì)算公式如下：

腦電功率譜圖繪制

利用Matlab軟件繪制32個(gè)導(dǎo)聯(lián)的不同性別的平均腦電功率譜圖，橫坐標(biāo)為頻率 （0～30 Hz），縱坐標(biāo)為腦電功率譜密度 （取log化簡(jiǎn)）。腦電功率譜數(shù)據(jù)結(jié)果分析

利用VB編程自制軟件分析并輸出腦電功率譜數(shù)據(jù)，可同時(shí)生成每個(gè)導(dǎo)聯(lián)各個(gè)頻段的功率譜、百分比 （%）及腦電重心頻率文件。選出特定的十導(dǎo)電極代表不同腦區(qū)進(jìn)行分析，額葉：Fp1、Fp2（前額）；Fc3、Fc4（后額）；頂葉：P3、P4； 枕葉：O1、O2；顳葉：T5、T6。最后，利用SPSS軟件多因素重復(fù)測(cè)量方差分析方法，進(jìn)行4種狀態(tài) （3種音樂及靜息）、4個(gè)腦區(qū)、2個(gè)半球和2種性別的主效應(yīng)與交互作用分析。

腦電數(shù)據(jù)分析

重心頻率

經(jīng)多因素重復(fù)測(cè)量方差分析，球形檢驗(yàn)得知P＜0.05，因此使用Greenhouse-Geisser模型 （下面方法類同）。Fmusic（2.519，362.806）=5.552，P＜0.05，不同音樂狀態(tài)下GF值存在顯著差異。3種音樂都增加了GF值,但仍處于α1波段。其中“致愛麗絲”的GF最高 （M=8.153），其次是莫扎特“D大調(diào)雙鋼琴奏鳴曲” （M=8.087），均顯著高于靜息狀態(tài) （M=7.743）。音樂與腦區(qū)之間交互作用顯著：在顳區(qū)，F(xiàn)music（2.435，68.178）=3.076，P＜0.05，不同音樂之間GF存在顯著性差異；而在額區(qū)、枕區(qū)和頂區(qū)，音樂之間無顯著性差異。莫扎特音樂增大顳區(qū)GF值的程度最大，頂區(qū)其次；而“致愛麗絲”和“后來”均是增大顳區(qū)GF值的程度最大，額區(qū)其次 （見表1）。音樂類型與性別之間交互作用顯著，F(xiàn)music*gender（7.558，362.806）=142.00，P＜0.05。聽莫扎特音樂時(shí)，男性GF增加的幅度大于女性 （見圖1），說明男性腦電對(duì)莫扎特音樂的整體反應(yīng)幅度大于女性。

表1 不同音樂狀態(tài)下各個(gè)腦區(qū)的腦電重心頻率(Hz)(x±s)Table 1 Gravity frequency in different brain regions in different music statuses(Hz)(x±s)

圖1 不同音樂狀態(tài)與性別在GF上的交互作用 1：靜息狀態(tài)；2：“后來”；3：“致愛麗絲”；4：“莫扎特D大調(diào)雙鋼琴奏鳴曲”Fig.1 Effects of interaction between differentmusicstatusesand genderon EEG GF 1:Rest;2:"Hou Lai";3:"For Elise";4:"Mozart Sonata(K.448)"

腦電功率譜

考察莫扎特音樂等對(duì)α、α1、α2、β、δ和θ等頻段腦電功率譜的影響，結(jié)果如下。α總頻段

統(tǒng)計(jì)表明，音樂類型主效應(yīng)顯著，F(xiàn)music（2.476，356.527）=3.499，P＜0.05。相對(duì)于靜息狀態(tài)，3種音樂都顯著降低了α波的PS值，其中“后來”最低，而莫扎特“D大調(diào)雙鋼琴奏鳴曲”與其它音樂之間沒有顯著差異。音樂與腦區(qū)的交互作用不顯著：莫扎特音樂降低顳區(qū)PS值的程度最大、枕區(qū)其次，與“后來”和“致愛麗絲”的效應(yīng)一致 （見表2）。音樂類型與性別之間交互作用顯著，F(xiàn)music*gender（2.465，374.711）=14.467，P＜0.05。聽莫扎特音樂時(shí)，女性α波PS值降低的幅度高于男性 （見圖2）。

α1頻段

音樂類型主效應(yīng)顯著，F(xiàn)music（2.649，381.420)=10.600，P＜0.05。3種音樂都顯著降低了α1波的PS值，而莫扎特音樂與其它音樂之間沒有顯著差異。音樂與腦區(qū)之間交互作用顯著：在顳區(qū) 〔Fmusic(2.593，77.795)=3.796，P＜0.05〕和枕區(qū) 〔Fmusic(2.345，70.360)=4.511，P＜0.05〕，不同音樂之間PS值存在顯著性差異；而在額區(qū)和頂區(qū)無顯著差異。莫扎特音樂降低枕區(qū)PS值的程度最大，顳區(qū)其次，與音樂“后來”的反應(yīng)模式一致；而“致愛麗絲”降低顳區(qū)PS值的程度最大，枕區(qū)其次 （見表2）。音樂類型與性別交互作用顯著，F(xiàn)music*gender（2.649，381.420）=5.131，P＜0.05，聽莫扎特音樂時(shí)，女性α1波PS值降低的程度顯著高于男性，而男性α1波PS與靜息狀態(tài)下基本無差異 （見圖3）。

表2 不同音樂狀態(tài)下各個(gè)腦區(qū)的腦電功率譜值(μV2，取log)(x±s，n=16)Table 2 EEG power spectrum in different brain regions when in different music statuses(μV2，log)(x±s，n=16)

圖2 不同類型音樂與性別在α、β波上的交互作用 1：靜息狀態(tài)；2：“后來”；3：“致愛麗絲”；4：“莫扎特D大調(diào)雙鋼琴奏鳴曲”Fig.2 Effects of interaction between different music statuses and gender on α，β band PS 1:Rest;2:"Hou Lai";3:"For Elise";4:"Mozart Sonata(K.448)"

圖3 不同類型音樂與性別在α1、α2波上的交互作用 1：靜息狀態(tài)；2：“后來”；3：“致愛麗絲”；4：“莫扎特D大調(diào)雙鋼琴奏鳴曲”Fig.2 Effects of interaction between different music statuses and gender on α1， α2 band PS 1:Rest;2:"Hou Lai";3:"For Elise";4:"Mozart Sonata(K.448)"

α2頻段

音樂主效應(yīng)不顯著，F(xiàn)music（1.890，381.420）=1.937，P＞0.05，即不同的音樂對(duì)腦電α2波功率譜的影響不大。音樂與腦區(qū)的交互作用不顯著：莫扎特音樂降低顳區(qū)PS值的程度最大，枕區(qū)其次，與音樂“后來”和音樂“致愛麗絲”的反應(yīng)模式一致 （見表2）。音樂與性別之間交互作用顯著，F(xiàn)music*gender（1.889，287.159）=18.686，P＜0.05，聽莫扎特音樂時(shí)，男性的α2波PS顯著升高，而女性的α2波PS顯著降低。腦電功率譜分析顯示，不同性別被試在α2波與α1波呈現(xiàn)出迥異的反應(yīng)模式 （見圖3）。

β頻段

音樂類型主效應(yīng)顯著，F(xiàn)music（2.185，314.703）=10.398，P＜0.05。3種音樂均顯著降低了β波PS值，“后來”與“致愛麗絲”之間存在顯著性差異，而莫扎特音樂與其它音樂之間無顯著差異。音樂與腦區(qū)的交互作用顯著：在頂區(qū) 〔Fmusic(1.848，55.453)=3.575，P＜0.05〕和額區(qū) 〔Fmusic(2.009，124.534)=3.008，P＜0.05〕，不同音樂之間PS值存在顯著性差異；而在顳區(qū)和枕區(qū)無顯著差異。所有音樂均降低了β波PS值，“后來”的降低幅度最小，“致愛麗絲”降幅最大 （見表2）。不同音樂類型與性別之間交互作用顯著，F(xiàn)music*gender（2.235，339.696）=5.263，P＜0.05。男性聽莫扎特音樂時(shí)，β波PS降低的幅度小于女性 （見圖2）。δ頻段

音樂類型主效應(yīng)顯著，F(xiàn)music（1.937，128.00）=9.887，P＜0.05?！澳匾魳贰焙汀爸聬埯惤z”都顯著降低了δ波功率譜，“后來”略微降低δ波PS未達(dá)顯著；“致愛麗絲”δ波PS顯著低于“后來”。音樂與腦區(qū)交互作用顯著：在頂區(qū) 〔Fmusic(1.973，51.287)=5.619，P＜0.05〕、額區(qū) 〔Fmusic(1.889，109.576)=5.581，P＜0.05〕和顳區(qū) 〔Fmusic(1.973，51.287)=5.619，P＜0.05〕，不同音樂之間δ波PS值存在顯著性差異；枕區(qū)δ波PS值則不受音樂影響。莫扎特音樂降低顳區(qū)PS值程度最大，額區(qū)其次，與“后來”和“致愛麗絲”的變化趨勢(shì)一致（見表2）。不同音樂類型與性別間的交互作用不顯著。

θ頻段

音樂類型主效應(yīng)顯著，F(xiàn)music（2.395，144.00）=3.818，P＜0.05。3種音樂都不同程度地降低了θ波PS值：“致愛麗絲”顯著地降低了θ波PS值，而莫扎特音樂與“后來”降低θ波PS值未達(dá)顯著。音樂與腦區(qū)交互作用顯著：在顳區(qū)，F(xiàn)music（2.480，74.396）=3.580，P＜0.05，不同音樂PS值之間存在顯著性差異；在頂區(qū)、額區(qū)和枕區(qū)無顯著性差異。莫扎特音樂降低顳區(qū)PS值的程度最大，頂區(qū)其次，與音樂“后來”一致；“致愛麗絲”降低顳區(qū)PS值的程度最大，枕區(qū)其次 （見表2）。音樂類型與性別之間交互作用不顯著。

討 論

EEG是腦內(nèi)神經(jīng)細(xì)胞總體活動(dòng) （包括離子交換、新陳代謝等）的綜合外在表現(xiàn)，具有自發(fā)性、節(jié)律性和綜合性的特點(diǎn)。通過測(cè)定皮層不同區(qū)域的α、β、θ和δ等腦波頻段的能量，可以指示腦內(nèi)相應(yīng)的活動(dòng)區(qū)域及其變化。音樂是探索腦高級(jí)功能的窗口，腦對(duì)音樂的加工涉及認(rèn)知和情緒兩個(gè)層面。音樂認(rèn)知加工涉及大腦雙側(cè)顳葉、額葉、頂葉和枕葉的廣泛腦區(qū)并促進(jìn)各腦區(qū)間的相互連接，而音樂情緒加工則主要依賴于邊緣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[19]。“莫扎特效應(yīng)”的提出，伴隨著“神經(jīng)音樂學(xué) （neuromusicology）”這一新學(xué)科的興起，都為音樂加工的EEG研究帶來廣闊的應(yīng)用空間。通過選用“莫扎特效應(yīng)”的典型音樂——莫扎特D大調(diào)雙鋼琴奏鳴曲 （K.448），以曲式風(fēng)格接近的古典音樂“致愛麗絲”和流行音樂“后來”為對(duì)照，本文試圖探究莫扎特音樂對(duì)腦電不同頻段功率譜和腦電重心頻率是否具有獨(dú)特的影響模式。

腦電重心頻率的變化能夠反映情緒狀態(tài)的改變，例如研究發(fā)現(xiàn)，通過悲傷電影誘發(fā)強(qiáng)烈的悲傷情緒會(huì)使腦電重心頻率從α頻段轉(zhuǎn)移到θ頻段。實(shí)驗(yàn)所選的3種音樂都顯著增加了GF值,但同靜息狀態(tài)一樣仍處于α低頻段 （α1）；其中，“致愛麗絲”組的GF值已經(jīng)接近α高頻段 （α2）。α波是正常腦電波的基本節(jié)律，人在清醒、安靜并閉眼時(shí)該節(jié)律最為明顯。GF測(cè)定結(jié)果顯示聆聽音樂時(shí)腦仍處于放松狀態(tài)；且莫扎特音樂在腦區(qū)影響模式上與“致愛麗絲”和“后來”存在一定差異：前者主要增大了顳區(qū)和頂區(qū)GF值；而后兩者主要增大了顳區(qū)和額區(qū)GF值。

研究表明α波與大腦活動(dòng)呈負(fù)相關(guān)，即α波功率越高，大腦活動(dòng)程度越低，α波功率越低則大腦活動(dòng)程度越高。同時(shí)α波段功率比其他波段更能反應(yīng)大腦行為的變化[20]。3種實(shí)驗(yàn)音樂都顯著降低了α波功率，表明音樂狀態(tài)比閉眼靜息激活了更多的腦活動(dòng)。袁全等[21]的研究也表明，在音樂狀態(tài)下，腦電能量在α頻段呈明顯減少趨勢(shì)；Petsche等[8]的EEG研究也發(fā)現(xiàn)，莫扎特音樂降低了所有腦區(qū)的腦電功率，且α節(jié)律的降低主要在顳葉。類似地，此處3種音樂降低顳區(qū)α功率的程度最大，顯示顳葉激活增加，與顳葉聽覺皮層主要負(fù)責(zé)音樂知覺加工的理論相符。如ERP和fMRI的音樂實(shí)驗(yàn)都顯示，顳上回不但是音高的加工中心，也負(fù)責(zé)對(duì)旋律的識(shí)別與再認(rèn)[22]。此外，“致愛麗絲”和“莫扎特奏鳴曲 （K.448）”對(duì)不同性別被試腦電α2頻段的功率譜影響模式非常類似 （參見圖3），但對(duì)α1頻段功率的影響存在差異——莫扎特音樂降低α1波能量的幅度顯著小于“致愛麗絲”，男性、女性皆然。莫扎特音樂狀態(tài)下，α1活動(dòng)較古典音樂“致愛麗絲”更強(qiáng)，且α1能量最高的腦區(qū)為頂葉，其次是額葉、枕葉。Bodner等[13]的fMRI實(shí)驗(yàn)結(jié)果也顯示，莫扎特音樂對(duì)大腦的激活比古典音樂“致愛麗絲”更為廣泛，除了顳葉聽覺皮層外，還激活了背外側(cè)前額葉等與時(shí)空推理關(guān)系密切的腦區(qū)[13]。此處發(fā)現(xiàn)的腦電α1功率譜差異，與上述fMRI結(jié)果之間的相關(guān)性，值得進(jìn)一步深入研究。

β波反映了人腦的警覺狀態(tài)，即大腦皮層神經(jīng)元處于緊張活動(dòng)狀態(tài)，是皮層興奮的表現(xiàn)。3種音樂均顯著降低了β波功率值，提示音樂使大腦更為放松，其中“致愛麗絲”的變化最顯著，而“后來”最小。不同音樂在頂區(qū)和額區(qū)的激活模式存在差異。此外，3種音樂都不同程度地降低了θ波功率值，其中“致愛麗絲”作用顯著，而莫扎特音樂與“后來”未達(dá)顯著。研究顯示悲傷情緒下θ和β波功率比愉快時(shí)要高，如在悲傷音樂下，顳區(qū)θ波活動(dòng)較聽愉快音樂時(shí)要高；負(fù)性情緒與正性情緒相比，顳葉的β波活動(dòng)更激烈[23]；在聽悲傷音樂時(shí)β活動(dòng)比在聽高興音樂時(shí)高[24]；舒緩音樂使整個(gè)大腦皮層的θ波都降低，而煩躁緊張音樂卻使θ波增高[25]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所選音樂均能消除緊張和煩躁、誘發(fā)正性情緒，且古典音樂“致愛麗絲”的作用最為顯著，莫扎特音樂對(duì)θ和β波功率譜并未產(chǎn)生獨(dú)特的作用模式。此外，δ波通常出現(xiàn)于正常成人的慢波睡眠中，在認(rèn)知加工中的生理意義不明顯。前人研究表明，在音樂誘發(fā)EEG實(shí)驗(yàn)中，δ波變化不顯著[23]，但此處發(fā)現(xiàn)莫扎特音樂和“致愛麗絲”均顯著降低了δ波功率譜。且3種音樂降低顳區(qū)δ波功率的程度最大，可能也反映了音樂對(duì)顳葉的激活作用。

圖4 腦電功率譜示意圖 (A)Oz導(dǎo)聯(lián)男性平均功率譜圖；(B)Oz導(dǎo)聯(lián)女性平均功率譜圖；(C)Cz導(dǎo)聯(lián)男性平均功率譜圖；(D)Cz導(dǎo)聯(lián)女性平均功率譜圖Fig.4 Illustrations of EEG power spectrum diagram (A)Average male EEG power spectrum diagram at Oz;(B)Average female EEG power spectrum diagram at Oz;(C)Average male EEG power spectrum diagram at Cz;(D)Average female EEG power spectrum diagram at Cz

腦電功率譜與重心頻率數(shù)據(jù)都顯示，不同音樂類型與性別之間的交互作用顯著。如圖4中，Oz導(dǎo)聯(lián)的平均腦電功率譜圖清晰顯示，男性在聽不同音樂時(shí)枕葉中線位置的腦電功率譜差異顯著，而女性差異不顯著。聽音樂時(shí)，男性重心頻率變化的幅度大于女性；且男性GF對(duì)“致愛麗絲”反應(yīng)最大，而女性GF對(duì)莫扎特音樂反應(yīng)最大。兩性腦電重心頻率變化的差異，可能反映了男性腦對(duì)音樂的反應(yīng)更加強(qiáng)烈。類似地，Websters等使用EEG觀測(cè)了男、女性在音樂調(diào)式和速度上的情緒感受程度，也發(fā)現(xiàn)男性高于女性。有研究者還探究了造成兩性在音樂加工方面存在差異的可能神經(jīng)解剖因素：如Walter認(rèn)為雌激素會(huì)阻礙女性胼胝體發(fā)育，使髓鞘生成受阻，因此男性胼胝體的平行纖維數(shù)目較女性更多，胼胝體的纖維結(jié)合更緊密，任務(wù)加工信息更容易傳遞[26]。也許正是由于男性胼胝體膝部包含的髓鞘化纖維數(shù)目更多或髓鞘較厚，參與音樂信息加工的神經(jīng)元被激活得更多，所以導(dǎo)致男性EEG重心頻率的變化程度更大。

莫扎特音樂對(duì)腦電功率譜的影響也存在性別差異，它顯著降低了女性α1和α2頻段的功率，卻顯著升高了男性α2頻段功率，對(duì)男性α1頻段則幾乎無影響。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的這種莫扎特音樂對(duì)不同性別α波高、低頻段功率譜影響的差異，尚未見于報(bào)道。鑒于莫扎特音樂的EEG研究被試大都為西方人，是否中國(guó)文化背景導(dǎo)致的性別差異影響了這一腦電加工模式，尚有待進(jìn)一步驗(yàn)證和深入研究。此外，音樂對(duì)于腦電α總功率譜的影響也存在性別差異，女性在聽莫扎特音樂時(shí)的α總功率顯著高于男性，而男性在聽“致愛麗絲”時(shí)α總功率顯著高于女性。雖然女性的β波功率都高于男性，但這一差異在聽莫扎特音樂時(shí)最大，且顯著高于“致愛麗絲”。音樂對(duì)θ和δ波功率的影響則未見性別差異?？傊緦?shí)驗(yàn)證實(shí)了不同性別被試在加工莫扎特音樂與其它不同類型音樂時(shí)存在腦電模式上的差異。

莫扎特音樂效應(yīng)在腦區(qū)分布上差異明顯：腦電重心頻率從后腦向前腦逐漸降低，枕區(qū)GF最高，為α2節(jié)律主導(dǎo)，而頂葉和顳葉居中為α1節(jié)律主導(dǎo)，額葉最低，以θ節(jié)律主導(dǎo)。這與袁全等發(fā)現(xiàn)的“在音樂狀態(tài)下，前部腦區(qū)腦電能量在θ頻段更占優(yōu)勢(shì)”[21]的結(jié)果相一致。此外，在α總、α1和α2波頻段，莫扎特音樂對(duì)顳區(qū)、枕區(qū)的影響程度最高；在β波頻段，對(duì)枕區(qū)和頂區(qū)的影響程度最高；在δ波頻段，對(duì)顳區(qū)和額區(qū)的影響程度最高；在θ頻段，對(duì)顳區(qū)和頂區(qū)的影響程度最高。這種變化模式表明莫扎特音樂對(duì)各個(gè)腦區(qū)都產(chǎn)生作用，但對(duì)顳葉的影響最大，這也與Bodner等的研究結(jié)果“莫扎特音樂對(duì)大腦的激活最為廣泛，且主要激活的區(qū)域是顳葉”[13]相一致。另外，本研究中并未發(fā)現(xiàn)顯著的半球效應(yīng)，顯示對(duì)莫扎特等音樂的加工并無偏側(cè)化現(xiàn)象。

莫扎特音樂對(duì)腦電的獨(dú)特影響，原因可能在于它是一種高度組織化的音樂，與人類大腦皮層高度組織化的微觀解剖結(jié)構(gòu)存在著某種模式上的相關(guān)性。Hughes利用自動(dòng)分析軟件解析了353首不同音樂家作品的結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)只有莫扎特音樂 （30 s周期最顯著）和巴赫父子的音樂具有獨(dú)特的長(zhǎng)時(shí)程周期性；而腦內(nèi)存在類似的周期性活動(dòng)，如主要在睡眠期出現(xiàn)的循環(huán)交替模式 （cyclic alternating pattern，CAP）以20～40 s的周期重復(fù)，而CAP被認(rèn)為是中樞神經(jīng)系統(tǒng)不同部分 （包括自主系統(tǒng)）的一種整合機(jī)制。他認(rèn)為音樂與腦活動(dòng)的這種內(nèi)在周期性，可能產(chǎn)生共振并給腦帶來益處。此外，1～2 Hz的短時(shí)程周期在莫扎特音樂中幾乎沒有，卻非常顯著地存在于“硬搖滾”和“重金屬”音樂中。通過軟件分析，Hughes還發(fā)現(xiàn)莫扎特音樂中4～80個(gè)音符長(zhǎng)度的主旋律的重復(fù)度，在所有音樂中最高，顯示了莫扎特運(yùn)用不同的音符和音程來重復(fù)相同主題的獨(dú)特天賦[8]。

結(jié) 論

莫扎特音樂本身所具有的復(fù)雜結(jié)構(gòu)及其顯著的周期性和重復(fù)性特征，可能是其在行為學(xué)和認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究中呈現(xiàn)出獨(dú)特作用的內(nèi)在機(jī)制。本文研究發(fā)現(xiàn)，莫扎特奏鳴曲K.448對(duì)于腦電重心頻率和α頻段功率的影響具有顯著的性別差異，此前未見于文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。此外，還發(fā)現(xiàn)莫扎特音樂與具回旋曲式特征的古典音樂的腦電模式較接近，而與曲式差別較大的流行音樂的腦電差異也較大；但同時(shí)，莫扎特音樂與古典音樂“致愛麗絲”在某些頻段（如α1波功率上）的作用模式也存在較大的差異。莫扎特音樂這種獨(dú)特的α1波作用模式，可能反映了大腦對(duì)其獨(dú)特周期性和重復(fù)性的加工。不斷深入地研究音樂這一高級(jí)腦功能窗口的EEG特性，必將有助于推進(jìn)對(duì)人類大腦的探索進(jìn)程。

1. Rauscher FH,Shaw GL,Ky KN.Music and spatial task performance.Nature,1993(365):611

2. Rauscher FH,Shaw GL,Levine LJ,Wright EL,Dennis WR, Newcomb RL. Musictraining causes long-term enhancement of preschool children's spatial-temporal reasoning abilities.Neurol Res,1997,19(1):1～8

3. Rauscher FH,Robinson KD,Jens JJ.Improved maze learning through early music exposure in rats.Neurol Res,1998,20:427～432

4. Steele KM,dalla Bella S,Peretz I,Dunlop T,Dawe LA,Humphrey GK,Shannon RA,Kirby JL Jr,Olmstead CG.Prelude or requiem for the'Mozart effect'? Nature,1999,400:827～828

5.Steel KM,Bass KE,Crook MD.The mystery of the Mozart effect: Failure to replicate. Psychol Sci, 1999, 10(4):366～369

6. Steele KM.Do rats show a Mozart effect?Mus Percep,2003,21(2):251～265

7. Mckelvie P,Low J.Listening to Mozart does not improve children's spatial ability:Final curtains for the Mozart effect.Brit J Dev Psychol,2002,20(2):241～258

8. Hughes JR.The Mozart Effect.Epilepsy Behav,2001(2):396～417

9. Jausovec N,Habe K.The influence of Mozart's sonata K.448 on brain activity during the performance of spatial rotation and numerical tasks.Brain Topogr,2005,17(4):207～218

10. Jausovec N, Jausovec K, Gerlic I. The influence of Mozart's music on brain activity in the process of learning.Clin Neurophysiol,2006,117(12):2703～2714

11.Jausovec N,Habe K.The influence of auditory background stimulation(Mozart's sonata K.448)on visual brain activity.Int J Psychophysiol,2004,51(3):261～271

12.Zhu W,Zhao L,Zhang J,Ding X,Liu H,Ni E,Ma Y,Zhou C.The influence of Mozart's sonata K.448 on visual attention:An ERPs study.Neurosci Lett,2008,434(1):35～40

13.Bodner M,Muftuler LT,Nalcioglu O,Shaw GL.FMRI study relevantto the Mozarteffect: Brain areas involved in spatial-temporalreasoning. NeurolRes, 2001, 23(7):683～690

14.Suda M,Morimoto K,Obata A,Koizumi H,Maki A.Cortical responses to Mozart's sonata enhance spatial-reasoning ability.Neurol Res,2008,30(9):885～888

15.Hughes JR,Daaboul Y,Fino JJ,Shaw GL.The"Mozart effect"on epileptiform activity. Clin Electroencephalog,1998,29(3):109～119

16.Forti S,Filipponi E,Di Berardino F,Barozzi S,Cesarani A.The influence of music on static posturography.J Vestib Res,2010,20(5):351～356

17.李穎潔,邱意弘,朱貽盛.腦電信號(hào)分析方法及其應(yīng)用.北京：科學(xué)出版社,2009.26～30 Li YJ,Qiu YH,Zhu YS.EEG signal analysis method and its applications.Beijing:Science Press,2009.26～30

18.Lu YJ,Zhou J,Zhang SM,Zhang HY,Zheng XX.Inhibitory effects of Jujuboside A on EEG and hippocampal glutamate in hyperactive rat.J Zhejiang Univ Sci,2005,6B(4):265～271

19.侯建成，劉 昌.國(guó)外有關(guān)音樂活動(dòng)的腦機(jī)制的研究概述—兼及“莫扎特效應(yīng)”.中央音樂學(xué)院學(xué)報(bào)，2008(1):110～118 Hou JC,Liu C.A review of research overseas on brain mechanism of musical activity and"Mozart Effect".J Cent Conserv Mus,2008,1:110～118

20.賴永秀,高婷婷,吳 丹,堯德中.音樂情緒感知的腦電研究.電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2008,3(2):302～304 LaiYX, GaoTT, WuD, YaoDZ. Researchon electroencephalogram ofmusicalemotion perception. J Univ Electron Sci Technol China,2008,37(2):302～304

21.袁 全,劉興華,李大琛,王海荔,劉玉盛.噪聲和音樂對(duì)腦電功率譜的影響.航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程,2000,13(6):401～404 Yuan Q,Liu XH,Li DC,Wang HL,Liu YS.Effects of noise and music on EEG power spectrum.Space Med Med Eng,2000,13(6):401～404

22.Koelsch S,Siebel WA.Towards a neural basis of music perception.Trends Cogn Sci,2005,9(12):578～584

23.劉賢敏.中國(guó)古典音樂誘發(fā)情緒的生理活動(dòng)研究.南京師范大學(xué)碩士論文，2006 Liu XM.Physiological bases of emotion evoked by Chinese classic music.Nanjing Normal University,2006

24.Flores-Gutiérrez EO,Díaz JL,Barrios FA,Favila-Humara R,Guevara Má,Río-Portilla Y,Corsi-Cabrera M.Metabolic and electric brain patterns during pleasant and unpleasant emotions induced by music masterpieces. Int J Psychophysiol,2007,65:69～84

25. JacobsGD, Friedman R. EEG spectralanalysisof relaxation techniques. ApplPsychophysiolBiofeedback,2004,29(4):245～254

26.侯建成，劉 昌.關(guān)于不同音樂行為誘發(fā)大腦生理活動(dòng)的研究綜述.中央音樂學(xué)院學(xué)報(bào),2009,3:137～144 Hou JC, Liu C. A review ofresearches on brain physiological activity induced by different musical activities.J Cen Conserv Mus,2009,3:137～144

Research on The Influence of Mozart Sonata K.448 on EEG Power Spectrum and Gravity Frequency

LU Yingjun,WU Haizhen,QIAN Jing,XIE Fei
Lab of Developmental Cognitive Neuroscience,Hangzhou Normal College for Preschool Education,Zhejiang Normal University,Hangzhou 310012,China

Oct 6,2010 Accepted:Dec 29,2010

LU Yingjun,Tel:+86(571)81952072,E-mail:luyingjun@zjnu.cn

EEG power spectrum(PS)and gravity frequency(GF)analyzing methods were used to investigate the neuroelectrophysiological effects induced by Mozart Sonata(K.448)—typical"Mozart effect"music.EEG was recorded on 16 college non-music majors simultaneously when different music was being played or at rest,then EEG PS and GF were analyzed by average periodic diagrams.Results showed that:three kinds of music all significantly increased EEG GF,especially on the temporal lobe;the increase of GF of men was significantly higher than that of women;Mozart music produced different EEG PS influence models between men and women:the α1 and α2 band PS of women were significantly reduced,while the α2 band PS of men was significantly increased;Mozart music produced the most prominent influence on the PS of temporal lobe;and its influence model on α1 band PS was different from other music.These findings indicate that gender differences affect the influence of Mozart Sonata K.448 on EEG GF and α band PS.

Mozart effect；EEG；EEG power spectrum；Gravity frequency；Gender difference

2010-10-06；接受日期：2010-12-29

盧英俊，電話：(0571)81952072，E-mail：luyingjun@zjnu.cn

B845.63