國外關于音樂訓練影響大腦認知加工的腦成像研究新進展

趙雪薇

(西南大學 音樂學院，重慶 400715)

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·音樂心理學·

國外關于音樂訓練影響大腦認知加工的腦成像研究新進展

趙雪薇

(西南大學 音樂學院，重慶 400715)

摘要：隨著認知神經(jīng)科學的發(fā)展，音樂心理學研究開始借助腦成像技術，如功能性核磁共振成像(fMRI)、事件相關電位(ERP)、腦電圖(EEG)、腦磁圖(MEG)等，對音樂家與非音樂家在音樂認知加工過程中，大腦皮層激活區(qū)域及其功能作用進行測量與比較。此類研究成果為深入研究音樂訓練與大腦功能性神經(jīng)激活之間的潛在聯(lián)系提供了科學依據(jù)，也為今后進一步探尋腦區(qū)與其相對應的認知功能之間具有的因果聯(lián)系及內在神經(jīng)機制提供前瞻。文章梳理了國外最新的研究成果，并就已有研究中存在的問題進行分析。

關鍵詞：音樂訓練；認知加工；神經(jīng)激活；腦成像技術

一、引 言

近年來關于音樂認知加工過程的研究，一方面采用行為辨別實驗，測量被試感知不同音樂加工時的行為反應；另一方面結合認知神經(jīng)科學的研究方法，對不同音樂加工過程中被試大腦活動特點進行實時的腦成像技術測量。認知神經(jīng)科學的研究方法主要為電磁生理法(EEG、ERP、MEG)、腦成像法(fMRI、PET)兩類。不同的研究方法都有其特有的優(yōu)勢，但同時研究儀器自身也帶有局限性，如EEG、ERP、MEG成像具有良好的時間分辨率，能夠在毫秒水平上反應認知過程中大腦的生物電活動規(guī)律，可以精確的記錄大腦認知過程中的時間進程，但它們在空間分辨率上卻是粗糙的，空間定位誤差達到了厘米水平。然而，fMRI、PET技術具有準確的空間分辨率，但時間分辨率相對較低[1]。為此，筆者將音樂加工的腦成像研究成果按時間和空間兩個維度予以闡述，以便讀者能夠更清晰、直觀的了解近年來的研究成果。

關于音樂訓練對音樂認知加工的影響研究主要集中在以下三類：1.考察音樂家與非音樂家被試神經(jīng)加工的異同，此類研究結論能夠為深入探尋音樂訓練形成的神經(jīng)加工差異及音樂訓練的優(yōu)勢等提供科學數(shù)據(jù)支撐；2.探索音樂訓練對成人和兒童的認知加工影響異同，旨在發(fā)掘早期音樂訓練對人腦的影響；3.具體研究不同專業(yè)的音樂家被試群體對不同音樂基本要素的神經(jīng)加工差異，這類研究建立于第1類之上，更加細化了音樂訓練的不同專業(yè)類別，研究不同門類中音樂訓練被試對音樂要素的神經(jīng)加工異同。本文主要比較音樂家與非音樂家之間，對音樂基本要素(音高、節(jié)奏、和弦等)感知及期待違背的神經(jīng)激活差異。長期音樂訓練能夠引起音樂家被試不同于普通人的音樂認知加工過程，多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)音樂家與非音樂家在行為實驗中具有相似的成績，但在神經(jīng)實驗中其認知模式具有差異。

二、空間維度——基于fMRI的研究

fMRI腦成像技術掃描顯示音樂訓練能夠影響和弦序列范式的加工以及感知和弦序列的期待違背。2005年，研究者Koelsch和Fritz及其同事Schulze、Schlaug采用和聲序列范式，讓被試感知符合和聲規(guī)則序進的和弦(屬七和弦后緊接著出現(xiàn)主和弦)與不符合和聲規(guī)則序進的和弦(屬七和弦后緊接著出現(xiàn)拿波里六和弦)。[2]研究發(fā)現(xiàn)，三組被試(成人音樂家、成人非音樂家及兒童，每組10人)對兩種和弦序進都具有相似的行為評判成績，但在神經(jīng)數(shù)據(jù)上成人與兒童間存在大腦的激活差異。無論是成人音樂家還是接受音樂訓練的兒童，他們在大腦左、右半球的額下回外側皮質及右側顳上回前部都比非音樂者表現(xiàn)出更強烈的激活，而這種激活差異說明音樂專業(yè)者對和聲進行規(guī)則的違背更為敏感。

對于兒童和成人來說，音樂訓練與額葉島蓋、顳上回前部的顯著激活有關系。實驗中聆聽拿波里六和弦結尾的和弦序列時，成人顯示出額下回(IFG)、眼眶額葉皮層(OFLC)、前腦島(anterior insula)、腹外側前運動皮層(VIPMC)、顳上回(STG)前部與后部、顳上溝(STS)及緣上回(SMG)的激活。在大腦右半球，兒童的激活模式與成人激活模式相似。但在左半球，成人在前額區(qū)、緣上回和顳葉區(qū)域表現(xiàn)出更為顯著的激活現(xiàn)象。近期一些相關研究表明，這些差異在10歲時就能被發(fā)現(xiàn)(甚至可能會更早)，如Schlaug研究發(fā)現(xiàn)音樂訓練能夠提高大腦認知能力以及這些差異已在兒童早期階段被發(fā)現(xiàn)[3]。本文旨在探討音樂家與非音樂家的音樂加工神經(jīng)激活差異，故對成人與兒童的神經(jīng)加工異同在此不作詳述。

Tillmann和Koelsch及他們的同事采用相似的和弦序列范式，對聲樂與器樂的認知啟動效應進行研究[4]。實驗材料中第一個和弦為主和弦，第八個和弦為目標和弦，當目標和弦為主和弦時序列關聯(lián)性大，當目標和弦為下屬和弦時序列關聯(lián)性較小。對20名被試進行fMRI技術掃描后發(fā)現(xiàn)，BOLD*BOLD效應(blood oxygen level dependent)：最先是由 Ogawa 等人于1990 年在 fMRI 中提出血氧水平依賴效應，即腦活動區(qū)域局部血液中去氧血紅蛋白與含氧血紅蛋白比例的變化所引起的局部橫向磁化弛豫時間(T2)的改變，從而T2加權信號反映出局部神經(jīng)元活動的一種磁共振成像技術。信號顯示音樂期待違背時右額葉區(qū)域(right inferior frontal areas)，如額下回(IFG)、額葉島蓋(frontal operculum)、前腦島(anterior insula)的激活更為強烈，除額下回(IFG)激活外，還有逐漸強烈的激活在眶回(orbital gyrus)、顳葉區(qū)域(顳上回前部與后部、顳上溝后部及顳上回中后部)和緣上回(SMG)區(qū)域發(fā)現(xiàn)。音樂句法*音樂句法(music syntax)：如同語言中的，指的是將離散的結構元素結合成序列的原則。參見[美]Aniruddh D.Patel著，楊玉芳、蔡丹超，等，譯：《音樂、語言與腦》，上海：華東師范大學出版社，2012年，第182-198頁。違背引起顳葉皮層的激活增強，同時也出現(xiàn)前腦島與眶額外側腦區(qū)的激活，這是由于人們注意提高，并感知到句法違背時產(chǎn)生的強烈情感反應。

Minati和Rosazza使用核磁共振與ERP結合，研究了音樂家與非音樂家對于和諧與不和諧和弦的不同反應，研究發(fā)現(xiàn)音樂家的行為測試成績優(yōu)于非音樂家，并且反應時更短。[5]音樂家具有更顯著的左側額下回和顳上回以及雙側緣上回的激活，音樂家的大腦右半球對于和弦類型的影響減少，左半球則較明顯。

對于音樂旋律的認知加工研究，同樣表現(xiàn)出音樂家在額葉島蓋和顳上回前部區(qū)域表現(xiàn)出更為強烈的神經(jīng)激活，因此，我們認為音樂訓練與額葉島蓋和顳上回前部有關。2011年，德國研究者Wehurm和Dege及其同事通過對一段7小節(jié)的D大調旋律材料中任意位置的個別音符做不同改變，考察了28名11-14歲的右利手兒童音樂加工過程的腦神經(jīng)激活[6]。選取至少經(jīng)過兩年音樂訓練的兒童作為音樂家被試，少于兩年音樂訓練的兒童作為非音樂家被試。每組實驗材料均以原版本(無錯誤)播放開始，第二遍播放模仿版本，即有錯誤版本(分別改變?yōu)樗膫€調內音符、四個調外音符及兩個調內音符和兩個調外音符)。研究發(fā)現(xiàn)，播放具有極端錯誤的旋律時，所有被試具有相似的神經(jīng)反應，且音樂訓練兒童的激活反應強于非音樂家。兩組被試都表現(xiàn)出了額下回、前運動區(qū)及前腦島在內的一個神經(jīng)網(wǎng)絡的激活，并且額下回的激活與音高加工、旋律及和聲辨別、音樂和聲規(guī)則違背有關；前運動區(qū)也與音樂期待違背相關；前腦島與信息加工和違背音樂句法相關。而音樂訓練兒童表現(xiàn)出更為強烈的腦島激活，可能是由于期待違背引起強烈的情感反應。播放具有輕微錯誤的旋律時，音樂訓練兒童的神經(jīng)激活主要包括：額下回(島蓋部及三角區(qū))與前運動皮層、前腦島、顳上回及緣上回。從音樂訓練兒童和普通兒童的不同激活反應來說，音樂訓練兒童對于極端錯誤和輕微錯誤的神經(jīng)激活更為相似，普通兒童對于極端錯誤的激活反應更敏感，并且fMRI成像技術顯示了更多的緣上回激活現(xiàn)象，研究者認為當他們嘗試辨別旋律的偏差時，依賴更多的聽覺工作記憶加工，這是由于他們缺乏相關音樂經(jīng)驗導致的。

研究發(fā)現(xiàn)旋律輪廓能夠被普通人感知。Lee和Janata及其同事對12名右利手非音樂家播放20條類似音階的旋律材料(大調和小調均涉及，且每種僅具有一種旋律進行方向，即上行或下行)，并采用likert七點量表(1為非常沮喪，7為非?？鞓?調查聆聽后的愉悅程度，以此考察被試在感知旋律輪廓時大腦產(chǎn)生的神經(jīng)激活[7]。研究發(fā)現(xiàn)了三個皮質位點及功能作用：右顳上溝(rSTS)、左下頂葉(IPL)及前扣帶回(ACC)。右顳上溝具有區(qū)分音高輪廓的作用，左下頂葉在旋律序列加工中具有重要作用，而前扣帶回與音樂結構加工、音樂情感反應及行動感知方面有關。

三、時間維度——基于ERP、EEG、MEG的研究

ERP、EEG、MEG等腦成像技術研究主要解決了大腦在進行音樂認知活動加工的時間水平上的問題，彌補了fMRI技術在時間分辨率上的缺失。

使用ERP對單獨音高的加工研究顯示音樂家具有更快速的信息更新速度。George和Coch采用oddball范式*Oddball范式：常用的ERP實驗范式之一。經(jīng)典Oddball范式為在一項實驗中，隨機呈現(xiàn)作用于同一感覺通道的兩種刺激，刺激出現(xiàn)的概率有很大的差別，概率大者為標準刺激，小概率者為偏差刺激。，研究32名高中學生對2個聽覺材料(標準音調為800Hz、偏差音調為840Hz)和2個視覺材料進行辨別的研究[8]。行為實驗中音樂家被試的平均反應時更短。ERP記錄發(fā)現(xiàn)，音樂家大腦的反應更為強烈，即他們對于聽覺材料標準與偏差之間的異同更為敏感，具有更強烈的情感激活模式。P300峰潛伏期的出現(xiàn)早于非音樂家被試，而P300峰振幅同樣強于非音樂家。研究表明音樂家能夠更快速的更新音樂信息，并且在音樂加工時有更多的信息加工資源參與其中，具有更大的工作記憶容量。

Habibi和Wirantana通過對比音樂家與非音樂家音高感知的皮層活動異同，發(fā)現(xiàn)音樂家對于音高偏差的感知更為敏感[9]。音樂家P200波振幅普遍較大，音高偏差出現(xiàn)時則表現(xiàn)為N150和P300波振幅的增加，以及具有更短的P300波潛伏期。行為實驗與皮層激活在兩組被試間的差異主要表現(xiàn)在對偏差音符右耳刺激的反應上，表明音樂家左側大腦的激活不同于非音樂家。

Proverbio和Calbi及他的同事測量了人類大腦在接收一致(音頻與視覺圖片一致，即都為小提琴或單簧管)或是不一致的音樂視頻時聽覺與視覺的神經(jīng)激活[10]。選取12名米蘭音樂學院的學生及12名非音樂家被試，主要采用單簧管手和小提琴手演奏的368個視頻。通過ERP記錄并分析發(fā)現(xiàn)，由于不一致的視聽材料，音樂家大腦內出現(xiàn)了N400波成分。研究指出音樂家大腦內存在一個高度專業(yè)化的皮層網(wǎng)絡，其中包括：前額皮質、右顳上回、右顳中回、前運動皮層及緣上區(qū)域等，并認為音樂家可能采用多通道信息編碼方式進行音樂認知加工。

Virtala和Huotilainen及他的同事結合運用ERP和EEG兩種技術手段，以當?shù)匾魳穼W院或大學的16名音樂家和14名非音樂家為被試，采用Oddball范式考察了兩組被試對標準和弦(大調和弦)和偏差和弦(小調和弦或大調和弦第二轉位和弦)的辨別能力[11]。實驗包括被動聆聽任務(使用EEG記錄)，即對兩組被試在大調和弦背景下播放小調和弦或大調轉位和弦，以及自主辨別任務。EEG記錄發(fā)現(xiàn)音樂家被試在辨別任務中的表現(xiàn)優(yōu)于非音樂家，并且顯示出更高的N1振幅，而失匹配負波(MMN，mismatch negativity)*失匹配負波(MMN)是一個發(fā)生于聽覺皮層的事件相關電位，與自動探測重復聽覺信號中出現(xiàn)的變異信號有關，它通常用“oddball”范式進行研究。僅在音樂家被試中發(fā)現(xiàn)。

Jentschke和Koelsch使用EEG記錄了音樂家與非音樂家對于不同類型的和弦進行時的大腦神經(jīng)反應[12]。研究發(fā)現(xiàn)音樂家具有大于非音樂家2倍的ERAN振幅，說明音樂家對音樂刺激和句法違背較為敏感。僅在音樂家中產(chǎn)生ELAN，并顯示了重疊的神經(jīng)資源，主要在額下回區(qū)域，其中包括音樂與語言句法加工。實驗并未發(fā)現(xiàn)N5和P600波成分。

Francois和Schon研究發(fā)現(xiàn)行為實驗中，無論是語言或音樂材料，音樂家被試組成績均優(yōu)于非音樂家[13]。音樂測試中，N1和P2成分均表現(xiàn)為音樂家的振幅大于非音樂家。對比兩組被試對于熟悉旋律與不熟悉旋律的ERP發(fā)現(xiàn)，音樂家具有更大的振幅與峰振幅，表明音樂家對于音樂刺激的反應大于非音樂家。對于音樂家來說，不熟悉旋律的P2波大于熟悉旋律，可能是由于短時記憶負荷引起的，正如P2波與注意水平和音樂知識水平相關。Koelsch通過對比音樂句法加工和聽覺記憶引起的ERAN和MMN發(fā)現(xiàn)二者都可通過音樂訓練改變，音樂家具有更顯著的MMN和ERAN反應[14]。

近幾年，關于音樂加工過程的腦成像技術研究較少使用MEG儀器，但其研究結果同樣表現(xiàn)出音樂家被試對旋律加工的快速性。Amemiyaa和Karino及他的同事使用音樂旋律為實驗材料，對10名音樂家和10名非音樂家就調性旋律和無調性旋律分別以主音或下屬音結尾時產(chǎn)生不同神經(jīng)反應的研究[15]。MEG記錄了音樂家被試與非音樂家被試在N1m波和SF波上顯示的不同神經(jīng)反應，N1m波對于音調生理方面的反應較為敏感，音樂家被試表現(xiàn)出明顯的短于非音樂家被試的N1m波延遲。相反，SF波與持續(xù)性注意和認知負荷有關，與音樂家被試相比，非音樂家被試在SF波上表現(xiàn)的更為強烈。

四、討 論

(一)關于被試

對于音樂家與非音樂家的界定多采用非音樂家被試群體為僅接受(過)日常學校音樂課程的兒童或成人，定期進行系統(tǒng)的音樂知識、技能學習的兒童或成人屬于音樂家被試群體,不同研究目的對于音樂訓練者的年限要求不同。

每個被試都具有個體差異，人的認知過程也存在明顯的個體差異。音樂心理學研究者們在實驗設計中都精細控制這些差異，例如對被試進行智商測試，聽力測試，甚至幸福等級測試等等，要求被試均為右利手(或左利手)，對被試受教育程度，文化背景，以及生理、精神疾病史等都予以嚴格控制，但再優(yōu)的實驗設計也不能完全避免個體自身潛在的神經(jīng)差異，如基因等。

(二)關于研究數(shù)據(jù)

音樂加工過程的腦成像技術研究一般分為行為研究與神經(jīng)研究兩方面。多數(shù)研究中兩組被試行為實驗測量結果均表現(xiàn)出相似性，即對于音樂規(guī)則、期待違背都能夠輕松的辨別旋律或和弦的差異性，但研究者通過腦成像技術記錄發(fā)現(xiàn)，兩組被試卻具有不同的大腦激活區(qū)域，且激活程度不相同，由此，研究者認為行為數(shù)據(jù)并不能表現(xiàn)實際的大腦激活現(xiàn)象，兩組被試具有不同的神經(jīng)加工過程。音樂家被試的大腦激活現(xiàn)象是由于長期的音樂訓練使大腦的結構與功能發(fā)生改變，也可能是長期音樂訓練形成了特殊的音樂加工方式等。對于非音樂家被試來說，他們未經(jīng)過正規(guī)的音樂訓練卻能夠分辨實驗材料的差異性，部分研究者認為這是由于他們日常生活中的聆聽而獲得了音樂的內隱知識所決定的，也許他們存在一種特殊的音調加工方式，以此來彌補非音樂家欠缺的音樂訓練，還有研究者推測長期的音樂訓練使得音樂家對于音樂刺激能夠進行外顯的行為判別，而非音樂家則通過日常生活經(jīng)驗、文化環(huán)境等進行內隱的辨別，從而解釋行為與神經(jīng)的不同[16]。

文中非音樂家同樣能夠辨別期待違背、不和諧音調，以及已有研究表明無論是否經(jīng)過音樂訓練，兒童3-6歲時便可以察覺出熟悉的兒童歌曲中非調式構成音與和弦外音(out-of harmony)，并且音樂訓練能夠影響這種感知[17]。非音樂家對文化背景與音樂作品的學習均為內隱，并且辨別大小調和弦時MMN具有差異性，認為聽覺皮層對這些音樂結構的加工可能是人類與生俱來、固有的[18]?；诖苏f明人類有一個普遍的能力，即輕松獲取復雜的音樂知識，并根據(jù)這些知識進行快速且精確的音樂信息加工，它強調了人腦在音樂上固有的興趣及音樂的生物關聯(lián)性以及對音樂的感知可以通過內隱學習獲得。

(三)關于研究結論

fMRI腦成像技術研究發(fā)現(xiàn)被試對不同的音樂刺激進行認知加工，總能引起大腦神經(jīng)激活的一些腦區(qū)，這些重疊的腦區(qū)主要為：額下回(IFG)、額葉島蓋部(frontal operculum)、前腦島(anterior insula)、顳上回(STG)、顳上溝(STS)及緣上回(SMG)區(qū)域，并且發(fā)現(xiàn)兩組被試的大腦左半球具有不同的激活模式。

研究發(fā)現(xiàn)音樂家對音樂刺激材料的神經(jīng)反應更為強烈，說明他們對音樂材料更加敏感。fMRI表現(xiàn)出音樂家被試具有顯著的神經(jīng)激活反應以及更大的腦區(qū)參與，而運用ERP、EEG、MEG記錄發(fā)現(xiàn)音樂家被試對音樂刺激的反應普遍具有更高的波形振幅、峰振幅以及更短的峰潛伏期等。以上結論發(fā)現(xiàn)長期的音樂訓練不僅能夠提高對音樂刺激的敏感性、縮短反應時等，還能夠改變大腦的功能與結構。

五、展 望

深入研究成人或兒童接受音樂訓練前后大腦的神經(jīng)激活網(wǎng)絡的變化、音樂認知加工模式的異同，探尋早期音樂訓練與音樂加工之間的內在聯(lián)系，為日后探究音樂訓練對大腦認知方式的影響，以及研究人類大腦的可塑性，神經(jīng)元的可塑性等神經(jīng)科學方面提供有力的佐證，并且已有研究結果表明人腦在音樂上固有的興趣及音樂的生物關聯(lián)性，音樂知識能夠通過內隱學習獲得，但關于內隱知識的形成及機制還不明晰，另外，已有研究中關于刺激材料的設計未解決基礎加工引起的旋律感知、未對不同音樂作品間大腦神經(jīng)網(wǎng)絡組織的差異性進行研究以及對于神經(jīng)激活與行為數(shù)據(jù)的關系等問題都有待發(fā)現(xiàn)。多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)了音樂訓練與認知、言語等技能的提升有關，但兩者之間潛在的神經(jīng)機制聯(lián)系尚未可知。

研究方法上，由于現(xiàn)代認知神經(jīng)科學研究技術的局限性，導致使用單一腦成像技術研究無法全面地測量音樂認知加工過程的腦部變化，為了達到實驗結果不僅在時間方面具有精確的進程，在空間上也能準確定位認知功能對應的腦區(qū)位置，因此，兩種或多種研究技術的結合顯得尤為重要。但因其不同的生物學基礎，造成現(xiàn)在將多種技術結合受到阻礙，隨著科技的進步，多種認知神經(jīng)科學研究方法結合將會是未來研究中得以發(fā)展和運用。

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【責任編輯：吳修文】

收稿日期：2015-10-01

作者簡介：趙雪薇(1990-)，女，甘肅蘭州人，西南大學音樂學院2013級在讀研究生，專業(yè)方向為音樂審美心理研究。

DOI:10.3969/j.issn.1008-7389.2016.02.006

中圖分類號：J60-051

文獻標識碼：A

文章編號：1008-7389(2016)02-0044-06