作曲家大脑的静息态脑功能网络研究

杨 华 侯昌月 卢 竞 罗 程 尧德中*

1(电子科技大学生命科学与技术学院，成都 610054)2(四川音乐学院作曲系，成都 610021)

作曲家大脑的静息态脑功能网络研究

杨 华1,2侯昌月1卢 竞1罗 程1尧德中1*

1(电子科技大学生命科学与技术学院，成都 610054)2(四川音乐学院作曲系，成都 610021)

音乐家大脑是认识大脑可塑性机制的天然模型，也是脑影像科学关注的重点研究对象之一。但是，目前针对音乐家的研究，包括对音乐创作方面的脑机制研究，仍以钢琴演奏家为主要研究对象。鉴于创作与表演是两个不同阶段且存在巨大差异，仅以钢琴演奏家作为研究对象对音乐家脑机制的研究是不完整的。专业作曲家是一类特殊的音乐家，他们经历过长期的音乐训练，能够在创造性思维的引领下，结合情感等要素来进行音乐素材的组织。用功能磁共振(fMRI)采集29名作曲家在作曲任务前后的大脑静息态影像，利用独立成分分析方法分离出其脑功能网络中常见的13个成分。采用配对t检验，对比分析作曲前后这些成分的变化。结果发现，在完成作曲任务后，以下脑功能网络连接显著减弱,包括听觉网络(AN)与右侧额顶网络(RFPN)、感觉运动网络(SMN)与突显网络(SN)；同时也发现在完成作曲任务后，以下脑功能网络连接显著增强，包括自我参照网络(SRN)与视觉I区网络(VN1)、自我参照网络(SRN)与视觉II区网络(VN2)、默认模式网络(DMN)与视觉I区网络(VN1)。这些结果证明，感觉、认知加工等与视觉区域的协调整合在作曲过程中的重要性，对推动音乐家大脑可塑性的认识和音乐创作的脑机制研究均十分有意义。

作曲家；静息态；功能磁共振(fMRI)；脑网络

引言

音乐的出现非常早，通常被认为是一种仅限于人类文化的精致艺术形式[1-2]。在过去的几十年里，科学家们不断探索音乐与人类活动的关系，尤其是与神经活动之间的关系[3-5]。在现代神经科学与信息科学的背景下，音乐脑机制的研究已被纳入神经科学的范畴，在1996年出版的音乐心理学手册(第2版)中已出现了关于神经音乐学的章节[6]。因此，借助现代神经科学与信息科学手段，探讨音乐对神经活动的影响，对于“了解脑、保护脑、开发脑”具有深刻的科学意义。从研究的人群来说，音乐家是研究音乐与神经活动关系的热门被试，而目前相关研究中，基本又以钢琴家为主要研究对象。钢琴家，其本质为演奏家，他们要先理解已有的音乐作品，然后再表达出来；而相比之下，另一特殊音乐家群体——作曲家则是直接创作音乐作品。因此，从人与音乐的关系来说，作曲家与演奏家分别经历着创作与演奏两个不同的阶段[7]。然而，目前对作曲家的研究较少，对作曲家研究的音乐家脑机制研究是不完整的，尤其要研究音乐创作这一重要音乐活动，作曲家才是最佳研究对象。

大脑是一个复杂的动态系统，其在形态结构差和功能活动等方面均能因学习、脑发育及病变等内部因素和外部环境的变化而发生重构，这被称为脑的可塑性[8]。从大脑可塑性的研究内容来看，分为结构和功能可塑性两部分。现有对音乐家大脑结构可塑性的研究，主要集中在演奏家。在进行音乐训练的时候，需要他们通过控制手指的运动来演奏，并聆听演奏的音乐，形成一个反馈系统[9]。因此，对其脑的结构可塑性研究便主要集中在脑的听觉皮层和运动皮层这两个区域。Schlaug等召集了30名音乐家与30名非音乐家开展了fMRI的对比研究，结果发现音乐家大脑的左侧听觉皮层的颞平面面积较非音乐家相比明显增大[10]。该研究说明，颞上回是主要参与音乐认知加工过程的脑区，和非音乐家的对比说明了音乐家的神经网络由于长期的音乐训练而发生了可塑性变化。之后，Pantev和Koelsch等从不同群体对单音、和弦的听觉加工差异进一步证实了音乐训练对听觉皮层可塑性的影响[11-12]。在音乐的学习中，尤其是乐器演奏的训练中，运动功能是必不可少的，因此大脑运动皮层的可塑性也受到了研究者的关注。Schwenkreis等用fMRI比较了小提琴家与非音乐家的脑活动，结果显示，小提琴家演奏时频繁活动的左手对应的大脑右侧初级运动皮层和初级感觉运动皮层激活区域明显大于对侧，而非音乐家则不存在该差别[13]。Amunts等用钢琴家与普通人对照进行了研究，以位于运动皮层的中央前回内沟(intrasulcal length of the precentral gyrus, ILPG)的长度作为参考指标。结果发现，钢琴家右侧ILPG要明显长于普通人，表明了钢琴家需要更多使用非优势手左手并激活其对应的右半球运动皮层[14]。这些研究都说明了长期的高强度训练，使得音乐家大脑的运动皮层得到了很大发展。弥散张量成像(diffusion tensor imaging, DTI)技术出现后，许多脑机制研究都开始关注脑的细微结构改变。2014年，Li等利用DTI技术，探索了钢琴家大脑的白质结构网络，发现音乐家在运动、视觉以及语言表达等功能脑区具有比非音乐家人群更显著的网络连接，且运动相关脑区的中心节点重要性也显著增大，这说明音乐家大脑中与音乐训练有关的局部白质网络具有更高的信息传输效率[15]，这为音乐家的脑结构可塑性研究补充了有力证据。

对音乐演奏家脑的功能可塑性研究仍然集中在听觉皮层和运动皮层。2006年，Bangert等设计了“听音-按键”探测范式来研究了7名钢琴家的听觉和运动皮层，结果显示，钢琴家无论在听音时还是在按键时，其听觉-感觉运动网络连接均得到增强，而非音乐家则没有此变化，说明音乐家的听觉和运动功能具有整合性[16]。2007年，Baumann等对钢琴家的听觉与运动皮层网络整合进行了深入研究，相比Bangert的实验，他们进一步观察到了钢琴家对侧皮层的激活，即聆听音乐时(没有动作)运动皮层的激活增强，演奏钢琴时(没有音乐)听觉皮层的激活增强，进而说明了音乐家经过长期训练，形成了一个听觉与运动皮层协调转换网络[17]。

基于上述结果，可以认为，作曲家作为具有音乐创作技能的音乐家，无论其脑结构还是脑功能必定有其独特之处，而这可能就是作曲家所特有的大脑可塑性变化。

静息态是一种大脑不执行具体认知任务，保持安静和放松的状态，也是大脑各种状态中最基本的状态[18]。目前对静息态功能网络的研究常用的手段是fMRI，其具有高空间分辨率，并能得到静息态功能连接与结构连接之间密切联系。因此，本课题主要针对作曲家的静息态功能网络进行了研究，旨在找到一些跟音乐创作相关的脑机制，进一步推动对音乐家大脑可塑性的认识。

1 材料和方法

在四川音乐学院召集了29名作曲专业被试，平均年龄21岁，其中女性15人。所有被试均接受过多年音乐训练和至少3年以上的作曲专业训练，无任何神经系统病史。本项目所有实验均按照电子科技大学生命科学与技术学院伦理委员会要求进行，受试者签署知情同意书。

fMRI数据采集在电子科技大学磁共振成像研究中心进行。实验开始时，先采集了被试的睁眼静息态fMRI，即在扫描过程中让被试盯住屏幕中的十字，保持静止和放松状态。静息态fMRI采集采用快速梯度回波(EPI)序列，重复时间(TR)=2 000 ms，回波时间(TE)=30 ms，扫描野(FOV)=24 cm×24 cm，翻转角(flip angle)=90°，矩阵(matrix)=64×64，层厚(slice thickness)=4 mm，全脑无间距扫描35层，扫描时间为510 s。

静息态扫描结束后，让被试进行作曲任务态扫描。在本扫描阶段中，被试根据屏幕中的提示进行想象作曲，该阶段扫描参数同静息态，扫描时间为16 min。之后，再次采集了被试的睁眼静息态fMRI数据，扫描参数与扫描时间均与之前的相同。

在采集到两次静息态fMRI数据后，采用独立成分分析(independent component analysis, ICA)方法[19]对作曲任务态前后静息态脑功能网络中的成分进行了分离，挑选了其中常见的13个网络成分，即听觉网络(auditory network, AN)、小脑网络(cerebellar network, cere)、自我参照网络(self-referential network, SRN)、中央执行网络(central executive network, CEN)、默认模式网络(default mode network, DMN)、视觉II区网络(visual network II, VN2)、背侧注意网络(dorsal attention network, DAN)、右侧额顶网络(right lateral frontoparietal network, RFPN)、感觉运动网络(sensorimotor network, SMN)、突显网络(salience network, SN)、基底节网络(Basal ganglia network, BGN)、视觉I区网络(visual network I, VN1)、左侧额顶网络(left lateral frontoparietal network, LFPN)，之后采用配对t检验进行了作曲任务前后的对比分析。

2 结果

通过对比作曲任务态前后的静息态脑功能网络发现，在完成作曲任务后，相比完成任务前的静息态，以下脑功能网络的连接显著减弱：听觉网络(AN)与右侧额顶网络(RFPN)、感觉运动网络(SMN)与突显网络(SN)；与此同时，以下网络的功能连接在完成作曲任务后显著增强：自我参照网络(SRN)与视觉I区网络(VN1)、自我参照网络(SRN)与视觉II区网络(VN2)、默认模式网络(DMN)与视觉I区网络(VN1)。

3 讨论

从上面的结果不难发现，作曲家的静息态脑功能网络连接研究是可行的；而通过对比作曲任务前后的静息态功能网络，可以比较直接反映出其静息态脑功能网络变化，从而体现了作曲任务对作曲家大脑的可塑性影响。

听觉网络(AN)与右侧额顶网络(RFPN)连接减弱，感觉运动网络(SMN)与突显网络(SN)连接减弱。右侧额顶网络在任务过程中具有定向和执行的功能[20]。听觉网络与其功能连接在作曲任务后减弱，可能是由于本实验中的作曲任务为视觉作曲，没有涉及听觉任务，更多的认知资源被视觉网络占用。突显网络通常情况下在任务中负责识别相关的刺激从而指导行为[21]。感觉运动网络与其功能连接在作曲任务后减弱，说明作曲的过程可能并不需要过多的运动功能参与。相比之前对音乐家(主要是演奏家)的脑机制研究过多关注运动功能，该结果是对音乐家脑机制研究的又一补充，同时也证实了对作曲家脑机制研究的必要性。

图1 作曲家静息态脑功能网络中常见的13个成分在作曲前后的连接强度变化(标尺中的数值大小与强度变化成正比，数字为配对t检验的t值，p<0.05)Fig.1 The variation of connectivity intensity between before and after the composing tasks shown by the common 13 components in the resting state functional brain network (The figures which stand for the t-value of the t-paired tests with p<0.05 are in direct ratio to the connectivity intensity)

自我参照网络(SRN)与视觉I区和II区网络(VN1, VN2)连接增强，默认模式网络(DMN)与视觉I区网络(VN1)连接增强。自我参照网络是静息态网络中的重要成分，是一种从上向下的方式作用于静息态网络中的其他网络，从而调节感觉与认知加工。在作曲任务后，自我参照网络与视觉网络VN1、VN2的连接增强，说明感觉、认知加工等与视觉区域的协调在作曲过程中十分重要[22]。而DMN网络在内外信息的整合上有重要作用[23]，其与视觉网络VN1的连接增强也显示了在作曲过程中视觉信息整合的重要性。

当然，仅通过比较作曲前后的静息态脑功能网络来研究音乐创作脑机制是不够的，后续将通过采集作曲任务态的fMRI数据和作曲相关的行为数据来开展进一步研究。

4 结论

综上所述，通过作曲家静息态脑功能网络的研究，发现了感觉、认知加工等与视觉区域的协调整合在作曲过程中的重要性，这对推动音乐家大脑可塑性的认识和音乐创作的脑机制研究都十分有意义。

[1] Peretz I. The nature of music from a biological perspective[J]. Cognition, 2006, 100: 1-32.

[2] Patel AD. Music, language, and the brain[M]. New York: Oxford University Press, 2010: 3-5.

[3] Blood AJ, Zatorre RJ, Bermudez P, et al. Emotional responses to pleasant and unpleasant music correlate with activity in paralimbic brain regions[J]. Nature Neuroscience, 1999, 2(4): 382-387.

[4] Patel AD. Language, music, syntax and the brain[J]. Nature Neuroscience, 2003, 6:674-681.

[5] Zatorre RJ, Halpern AR. Mental concerts: musical imagery and auditory cortex[J]. Neuron, 2005, 47: 9-12.

[6] Hodges DA. 音乐心理学手册：2版[M]. 刘沛, 任恺, 译. 长沙: 湖南文艺出版社, 2006.

[7] Lu Jing, Yang Hua, Zhang Xingxing, et al. The brain functional state of music creating: an fMRI study on composers[J]. Scientific Reports, 2015, 5: 12277.

[8] 虞晓菁. 脑重塑的功能性磁共振成像研究[J]. 国外医学临床放射学分册, 2005, 28(6):356-360.

[9] Gaser C, Schlaug G. Brain structures differ between musicians and non-musicians[J]. The Journal of Neuroscience, 2003, 23(27): 9240-9245.

[10] Schlaug G, Jancke L, Huang Y, et al. In vivo evidence of structural brain asymmetry in musicians[J]. Science, 1995, 267(3): 699-701.

[11] Pantev C, Oostenveld R, Engelien A, et al. Increased auditory cortical representation in musicians[J]. Nature, 1998, 392(23): 811-814.

[12] Koelsch S, Fritz T, Schulze K, et al. Adults and children processing music: an fMRI study[J]. NeuroImage, 2005, 25(4): 1068-1076.

[13] Schwenkreis P, Tom SE, Ragert P, et al. Assessment of sensorimotor cortical representation asymmetries and motor skills in violin players[J]. European Journal of Neuroscience, 2007, 26: 3291-3302.

[14] Amunts K, Schlaug G, Jancke L, et al. Motor cortex and hand motor skills: Strucural compliance in the human brain[J]. Human Brain Mapping, 1997, 5: 206-215.

[15] Li Jianfu, Luo Cheng, Peng Yueheng, et al. Probabilistic diffusion tractography reveals improvement of structural network in musicians[J]. PLoS ONE, 2014, 9(8): e105508.

[16] Bangert M, Peschl T, Schlaug G, et al. Shared networks for auditory and motor processing in professional pianists: Evidence from fMRI conjunction[J]. Neuro Image, 2006, 30(3):917-926.

[17] Baumann S, Keoneke S, Schmidt CF, et al.A network for audio-motor coordination in skilled pianists and non-musicians[J]. Brain Research, 2007, 1161:65-78.

[18] Gusnard DA, Raichle ME.Searching for a baseline: Functional imaging and the resting human brain[J]. Nature Review Neuroscience, 2001, 2: 685-694.

[19] Beckmann CF, Deluca M, Devlin JT, et al. Investigations into resting-state connectivity using independent component analysis[J]. Philosophical Transactions: Biological Sciences, 2005, 360(1457): 1001-1013.

[20] He BJ, Snyder AZ, Vincent JL, et al. Breakdown of functional connectivity in frontoparietal networks underlies behavioral deficits in spatial neglect[J]. Neuron, 2007, 53(6): 905-918.

[21] Seeley WW, Menon V, Schatzberg AF, et al. Dissociable intrinsic connectivity networks for salience processing and executive control[J]. Journal of Neuroscience, 2007, 27(9): 2349-2356.

[22] 袁翠平, 卢光明. 自我参照加工的功能磁共振成像研究进展[J]. 中国医学影像技术, 2010, 26(12): 2382-2384.

[23] Leech R, Braga R, Sharp DJ. Echoes of the brain within the posterior cingulate cortex[J]. Journal of Neuroscience, 2012, 32: 215-222.

Functional Brain Network Study on Resting State of Composers

Yang Hua1,2Hou Changyue1Lu Jing1Luo Cheng1Yao Dezhong1*

1(SchoolofLifeScienceandTechnology,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,Chengdu610054,China)2(DepartmentofComposition,SichuanConservatoryofMusic,Chengdu610021,China)

composer; resting state; functional magnetic resonance imaging(fMRI); brain network

10.3969/j.issn.0258-8021. 2016. 05.014

2016-02-09， 录用日期:2016-03-17

国家自然科学基金(91232725,81330032)

R318

D

0258-8021(2016) 05-0612-04

# 中国生物医学工程学会会员(Member, Chinese Society of Biomedical Engineering)

*通信作者(Corresponding author)， E-mail: dyao@uestc.edu.cn