音樂(lè)訓(xùn)練相關(guān)的神經(jīng)可塑性成像研究進(jìn)展

張維濤 李威*

音樂(lè)具有文化普遍性，是人類社會(huì)情感交流及表達(dá)的一種方式。音樂(lè)訓(xùn)練的神經(jīng)可塑性研究已成為現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)熱門(mén)話題。專業(yè)音樂(lè)訓(xùn)練需要整合聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、感覺(jué)及運(yùn)動(dòng)等多個(gè)系統(tǒng)，這些感覺(jué)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是人類音樂(lè)認(rèn)知和音樂(lè)訓(xùn)練的物質(zhì)基礎(chǔ)。大多數(shù)人認(rèn)同音樂(lè)是一種強(qiáng)有力的神經(jīng)愉悅刺激物，它可以影響人的情感狀態(tài)。有研究證實(shí)音樂(lè)能夠有效地誘發(fā)高度愉悅的情感反應(yīng)。當(dāng)傾聽(tīng)愉悅的音樂(lè)時(shí)大腦情感和獎(jiǎng)賞回路的腦活動(dòng)會(huì)增強(qiáng)，特別是腹側(cè)紋狀體腦活動(dòng)增強(qiáng)尤為顯著[1]。同時(shí)，有研究[2]發(fā)現(xiàn)音樂(lè)訓(xùn)練有助于腦損傷或神經(jīng)退行性變病人的康復(fù)治療。因此，深度認(rèn)知音樂(lè)訓(xùn)練相關(guān)的神經(jīng)可塑性對(duì)促進(jìn)人類健康具有重要的社會(huì)意義。

1 音樂(lè)訓(xùn)練相關(guān)的神經(jīng)可塑性成像的技術(shù)特點(diǎn)

飛速發(fā)展的影像技術(shù)大大深化了對(duì)神經(jīng)可塑性的認(rèn)知。早期音樂(lè)訓(xùn)練相關(guān)的神經(jīng)可塑性研究是使用任務(wù)態(tài)功能 MRI、PET/CT 來(lái)完成的[3－4]。 任務(wù)態(tài)功能MRI、PET/CT通過(guò)觀察受試者在執(zhí)行特定任務(wù)時(shí)局部腦血流量的變化推測(cè)其腦活動(dòng)的改變。近年有研究者[5]發(fā)現(xiàn)使用靜息態(tài)功能MR成像同樣可以探測(cè)到專業(yè)音樂(lè)訓(xùn)練對(duì)大腦神經(jīng)可塑性的影響。靜息態(tài)功能MRI與任務(wù)態(tài)功能MRI相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)，它是一種無(wú)創(chuàng)性探究大腦神經(jīng)活動(dòng)的成像技術(shù)，不需要實(shí)驗(yàn)對(duì)象執(zhí)行特定的任務(wù)，更不需要復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，只要求受試者閉目安靜躺好即可，更容易在實(shí)驗(yàn)中實(shí)施[6－7]，因此靜息態(tài)功能MR成像技術(shù)越來(lái)越多地被應(yīng)用于神經(jīng)可塑性研究。此外，MR結(jié)構(gòu)成像同樣可以用來(lái)探究音樂(lè)訓(xùn)練相關(guān)的神經(jīng)可塑性。MR結(jié)構(gòu)成像主要包括基于體素的形態(tài)學(xué)分析（v oxel－based morphometry，VB M）和擴(kuò)散張量成像（DTI）等[8-9]。VBM 是評(píng)價(jià)腦部灰、白質(zhì)結(jié)構(gòu)的一種新方法，可以在體素水平上定量檢測(cè)出腦組織的密度和體積，能夠反映不同群體或個(gè)體局部腦區(qū)的腦組織成分差異。DTI腦結(jié)構(gòu)成像通過(guò)腦白質(zhì)的擴(kuò)散屬性來(lái)觀測(cè)腦白質(zhì)的可塑性，可以用來(lái)分析計(jì)算接受過(guò)專業(yè)音樂(lè)訓(xùn)練的人與普通人之間大腦白質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)的差異性。

2 音樂(lè)訓(xùn)練對(duì)人腦神經(jīng)可塑性的影響

2.1 基于顳葉的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 顳葉在音樂(lè)認(rèn)知中起主導(dǎo)作用。左側(cè)顳葉損傷會(huì)導(dǎo)致樂(lè)譜識(shí)別混亂，即“樂(lè)譜失讀癥”。切除右側(cè)顳葉的病人會(huì)在辨析音色、音樂(lè)旋律識(shí)別等方面存在障礙[10]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，右側(cè)顳上回后部損傷的病人比右側(cè)顳上回前部損傷病人對(duì)音高和節(jié)奏識(shí)別造成的影響更為嚴(yán)重[11]。而雙側(cè)顳葉則協(xié)同辨析熟悉及陌生的音樂(lè)旋律[12]。

Satoh等[13]研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)專業(yè)音樂(lè)訓(xùn)練的人聽(tīng)合聲樂(lè)曲時(shí)雙側(cè)顳葉前部局部腦血流明顯增加，而聽(tīng)到高聲部樂(lè)曲時(shí)其雙側(cè)顳上回、楔葉、運(yùn)動(dòng)前回及眶額回的局部腦血流明顯增加。有研究[14]表明鋼琴家的顳葉分析整合處理音樂(lè)相關(guān)信息所需的時(shí)間比普通人群短，而分析整合處理語(yǔ)言相關(guān)信息所需的時(shí)間與普通人相同。還有研究[15]發(fā)現(xiàn)鋼琴家視聽(tīng)覺(jué)的同步反應(yīng)性及顳上回-運(yùn)動(dòng)前回-小腦的功能連接強(qiáng)度均高于普通人。

2.2 基于島葉的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 島葉不僅有大量的皮質(zhì)及皮質(zhì)下連接可以接收處理多種信息的輸入與輸出，而且島葉還負(fù)責(zé)參與大腦高級(jí)的認(rèn)知與決策。島葉在多種不同信息輸入、整合及輸出過(guò)程中起著重要的“橋梁”作用。這些信息包括聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、痛覺(jué)、內(nèi)在軀體感覺(jué)及情感等。因此，島葉是大腦整合處理運(yùn)動(dòng)、感覺(jué)、情感、認(rèn)知等信息及決策執(zhí)行中的一個(gè)重要神經(jīng)“結(jié)點(diǎn)”[16]。

島葉在辨析音樂(lè)節(jié)奏及旋律、運(yùn)動(dòng)和感覺(jué)連接、感覺(jué)運(yùn)動(dòng)信息的門(mén)控及音樂(lè)情感的理解等方面具有重要作用[17]。島葉損傷的病人臨床表現(xiàn)為缺乏音樂(lè)快感[18]。Trost等[19]研究發(fā)現(xiàn)接受專業(yè)音樂(lè)訓(xùn)練的人在聽(tīng)到愉悅的樂(lè)曲時(shí)島葉前部腦活動(dòng)明顯增強(qiáng)，這些研究結(jié)果與以往研究[20]認(rèn)為島葉具有處理人類情感的功能相一致。進(jìn)一步的研究[21]發(fā)現(xiàn)，專業(yè)音樂(lè)工作者痛覺(jué)及本體感覺(jué)的敏感性均高于普通人，并且上述感知覺(jué)相關(guān)信息的整合與處理都是由島葉前部完成的。

2.3 不同腦區(qū)之間連接 人腦是以網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形式組織起來(lái)的，并通過(guò)局部腦區(qū)之間的“短程連接”和遠(yuǎn)隔腦區(qū)之間的“長(zhǎng)程連接”來(lái)完成不同形式的高級(jí)認(rèn)知功能。靜息態(tài)腦功能連接對(duì)人腦認(rèn)知及信息整合等方面起著重要作用，能夠反映受試者靜息狀態(tài)下2個(gè)遠(yuǎn)隔腦區(qū)之間低頻電活動(dòng)的同步相關(guān)性。音樂(lè)訓(xùn)練對(duì)不同腦區(qū)之間功能連接產(chǎn)生影響。

聽(tīng)覺(jué)腦區(qū)、運(yùn)動(dòng)腦區(qū)、感覺(jué)腦區(qū)以及這些腦區(qū)之間的交互作用在音樂(lè)訓(xùn)練過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。先前的一些研究表明經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期專業(yè)音樂(lè)訓(xùn)練后，聽(tīng)覺(jué)腦區(qū)、運(yùn)動(dòng)腦區(qū)、感覺(jué)腦區(qū)的功能和結(jié)構(gòu)均發(fā)生改變。除此之外，聽(tīng)覺(jué)、感覺(jué)及運(yùn)動(dòng)相關(guān)腦區(qū)之間的功能連接及結(jié)構(gòu)連接亦發(fā)生改變。一項(xiàng)研究[22]表明經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期音樂(lè)訓(xùn)練的人聽(tīng)覺(jué)、運(yùn)動(dòng)腦區(qū)之間的功能連接及這兩個(gè)腦區(qū)之間的結(jié)構(gòu)連接強(qiáng)度均高于普通人，并且該類人感覺(jué)、運(yùn)動(dòng)腦區(qū)之間的功能連接強(qiáng)度及聽(tīng)覺(jué)腦區(qū)與運(yùn)動(dòng)腦區(qū)、感覺(jué)腦區(qū)之間的結(jié)構(gòu)連接強(qiáng)度均高于普通人。還有研究[18]發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期音樂(lè)訓(xùn)練的人，其島葉與雙側(cè)運(yùn)動(dòng)腦區(qū)、感覺(jué)腦區(qū)、聽(tīng)覺(jué)腦區(qū)及枕葉皮質(zhì)功能連接強(qiáng)度高于普通人。

前額葉-頂葉網(wǎng)絡(luò)在大腦處理視覺(jué)信息與運(yùn)動(dòng)信息之間起著延遲緩沖的作用，同時(shí)該網(wǎng)絡(luò)對(duì)手眼協(xié)調(diào)性也起著重要作用。經(jīng)過(guò)專業(yè)音樂(lè)訓(xùn)練的人，其前額葉-頂葉網(wǎng)絡(luò)連接強(qiáng)度及活動(dòng)性較訓(xùn)練前明顯增強(qiáng)[23]，視覺(jué)皮質(zhì)的局部腦活動(dòng)低于普通人，這些視覺(jué)皮質(zhì)的局部腦活動(dòng)減低表明經(jīng)過(guò)特定的專業(yè)技能訓(xùn)練后，視覺(jué)皮質(zhì)神經(jīng)效能會(huì)有所提高[5]，即經(jīng)過(guò)專業(yè)音樂(lè)訓(xùn)練的人相比于普通人，其在執(zhí)行視覺(jué)任務(wù)時(shí)僅需要少量視覺(jué)皮質(zhì)神經(jīng)元產(chǎn)生電活動(dòng)就能提高視覺(jué)皮質(zhì)的神經(jīng)效能。神經(jīng)效能理論詮釋了一個(gè)常識(shí)性的概念即專業(yè)音樂(lè)工作者手眼協(xié)調(diào)性及靈活性均明顯高于普通人。“神經(jīng)效能”理論同樣也被經(jīng)過(guò)專業(yè)訓(xùn)練的羽毛球運(yùn)動(dòng)員所證實(shí)[24]。

2.4 人腦灰、白質(zhì)結(jié)構(gòu) 通過(guò)VBM成像技術(shù)發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)專業(yè)音樂(lè)訓(xùn)練的人，其大腦部分腦區(qū)的灰質(zhì)體積大于普通人大腦灰質(zhì)體積。這些腦區(qū)分別是初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)、運(yùn)動(dòng)前皮質(zhì)、顳橫回、小腦等[25]。有研究者[26-27]發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)專業(yè)音樂(lè)訓(xùn)練的人與普通人的前額葉、感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)及聽(tīng)覺(jué)皮質(zhì)的精細(xì)解剖結(jié)構(gòu)及其功能存在顯著差異。還有研究[28]報(bào)道了鋼琴家負(fù)責(zé)手指動(dòng)作的雙側(cè)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)體積明顯大于普通人，而小提琴家負(fù)責(zé)左手動(dòng)作的右側(cè)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)體積明顯大于普通人。這種精細(xì)的解剖結(jié)構(gòu)差異可能與鋼琴家在演奏時(shí)需要同等量的雙手運(yùn)動(dòng)，而小提琴家在演奏時(shí)雙手的運(yùn)動(dòng)量不同有關(guān)。Hyde等[29]研究發(fā)現(xiàn)兒童進(jìn)行15個(gè)月的短期音樂(lè)訓(xùn)練后，其聽(tīng)覺(jué)皮質(zhì)、前運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)及胼胝體的體積明顯大于對(duì)照組。經(jīng)過(guò)專業(yè)音樂(lè)訓(xùn)練的人大腦部分腦區(qū)的白質(zhì)體積、組織結(jié)構(gòu)、髓鞘化程度亦不同于普通人[30]。Schlaug等[31]首次報(bào)道經(jīng)過(guò)專業(yè)音樂(lè)訓(xùn)練的人胼胝體前半部的體積大于普通人。Schlaug等[32]隨后的研究發(fā)現(xiàn)接受與未接受專業(yè)音樂(lè)訓(xùn)練的5～7歲兒童胼胝體體積存在不同；上述接受專業(yè)音樂(lè)訓(xùn)練的兒童經(jīng)過(guò)29個(gè)月訓(xùn)練后，訓(xùn)練強(qiáng)度大的兒童胼胝體前部體積明顯大于訓(xùn)練強(qiáng)度低及未接受專業(yè)音樂(lè)訓(xùn)練的兒童，該研究結(jié)果表明胼胝體部腦白質(zhì)的神經(jīng)可塑性與接受訓(xùn)練的時(shí)間長(zhǎng)度呈正相關(guān)。

Schmithorst等[33]率先應(yīng)用DTI技術(shù)分析了經(jīng)過(guò)專業(yè)音樂(lè)訓(xùn)練的人與普通人腦白質(zhì)之間的差異，研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)專業(yè)音樂(lè)訓(xùn)練的人胼胝體膝部的各向異性分?jǐn)?shù)（FA）值明顯大于普通人。胼胝體膝部與額前回的皮質(zhì)相連接，而額前回負(fù)責(zé)情緒等認(rèn)知功能，因此推測(cè)經(jīng)過(guò)專業(yè)音樂(lè)訓(xùn)練的人情感豐富可能與胼胝體膝部的FA高有關(guān)。Steele等[34]應(yīng)用DTI對(duì)7歲前、7歲后接受專業(yè)音樂(lè)訓(xùn)練者進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)7歲之前接受專業(yè)音樂(lè)訓(xùn)練者胼胝體中后部的FA值大于其他2組。以上研究結(jié)果均表明專業(yè)音樂(lè)訓(xùn)練可以影響胼胝體的可塑性。

3 小結(jié)

綜上所述，先進(jìn)的影像技術(shù)有助于深入了解專業(yè)音樂(lè)訓(xùn)練對(duì)神經(jīng)功能及結(jié)構(gòu)可塑性的影響。音樂(lè)訓(xùn)練需要感覺(jué)、運(yùn)動(dòng)、視覺(jué)等多個(gè)系統(tǒng)參與，同時(shí)需要不同功能腦區(qū)之間協(xié)調(diào)一致的配合。接受專業(yè)音樂(lè)訓(xùn)練人員為神經(jīng)功能與結(jié)構(gòu)可塑性研究提供了獨(dú)特的模型。專業(yè)音樂(lè)訓(xùn)練涉及認(rèn)知、情感、記憶等人腦的高級(jí)功能，因此研究音樂(lè)訓(xùn)練對(duì)人腦可塑性的影響也是認(rèn)知人腦高級(jí)功能一種途徑。運(yùn)用MR成像技術(shù)研究音樂(lè)訓(xùn)練與大腦神經(jīng)可塑性之間的作用機(jī)制，不但有助于將音樂(lè)訓(xùn)練的理論成果應(yīng)用于康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域及優(yōu)化專業(yè)音樂(lè)訓(xùn)練方案，同時(shí)也有益于開(kāi)發(fā)人腦的潛能。