国外关于音乐训练影响大脑认知加工的脑成像研究新进展

赵雪薇

(西南大学 音乐学院，重庆 400715)



·音乐心理学·

国外关于音乐训练影响大脑认知加工的脑成像研究新进展

赵雪薇

(西南大学 音乐学院，重庆 400715)

摘要：随着认知神经科学的发展，音乐心理学研究开始借助脑成像技术，如功能性核磁共振成像(fMRI)、事件相关电位(ERP)、脑电图(EEG)、脑磁图(MEG)等，对音乐家与非音乐家在音乐认知加工过程中，大脑皮层激活区域及其功能作用进行测量与比较。此类研究成果为深入研究音乐训练与大脑功能性神经激活之间的潜在联系提供了科学依据，也为今后进一步探寻脑区与其相对应的认知功能之间具有的因果联系及内在神经机制提供前瞻。文章梳理了国外最新的研究成果，并就已有研究中存在的问题进行分析。

关键词：音乐训练；认知加工；神经激活；脑成像技术

一、引 言

近年来关于音乐认知加工过程的研究，一方面采用行为辨别实验，测量被试感知不同音乐加工时的行为反应；另一方面结合认知神经科学的研究方法，对不同音乐加工过程中被试大脑活动特点进行实时的脑成像技术测量。认知神经科学的研究方法主要为电磁生理法(EEG、ERP、MEG)、脑成像法(fMRI、PET)两类。不同的研究方法都有其特有的优势，但同时研究仪器自身也带有局限性，如EEG、ERP、MEG成像具有良好的时间分辨率，能够在毫秒水平上反应认知过程中大脑的生物电活动规律，可以精确的记录大脑认知过程中的时间进程，但它们在空间分辨率上却是粗糙的，空间定位误差达到了厘米水平。然而，fMRI、PET技术具有准确的空间分辨率，但时间分辨率相对较低[1]。为此，笔者将音乐加工的脑成像研究成果按时间和空间两个维度予以阐述，以便读者能够更清晰、直观的了解近年来的研究成果。

关于音乐训练对音乐认知加工的影响研究主要集中在以下三类：1.考察音乐家与非音乐家被试神经加工的异同，此类研究结论能够为深入探寻音乐训练形成的神经加工差异及音乐训练的优势等提供科学数据支撑；2.探索音乐训练对成人和儿童的认知加工影响异同，旨在发掘早期音乐训练对人脑的影响；3.具体研究不同专业的音乐家被试群体对不同音乐基本要素的神经加工差异，这类研究建立于第1类之上，更加细化了音乐训练的不同专业类别，研究不同门类中音乐训练被试对音乐要素的神经加工异同。本文主要比较音乐家与非音乐家之间，对音乐基本要素(音高、节奏、和弦等)感知及期待违背的神经激活差异。长期音乐训练能够引起音乐家被试不同于普通人的音乐认知加工过程，多数研究发现音乐家与非音乐家在行为实验中具有相似的成绩，但在神经实验中其认知模式具有差异。

二、空间维度——基于fMRI的研究

fMRI脑成像技术扫描显示音乐训练能够影响和弦序列范式的加工以及感知和弦序列的期待违背。2005年，研究者Koelsch和Fritz及其同事Schulze、Schlaug采用和声序列范式，让被试感知符合和声规则序进的和弦(属七和弦后紧接着出现主和弦)与不符合和声规则序进的和弦(属七和弦后紧接着出现拿波里六和弦)。[2]研究发现，三组被试(成人音乐家、成人非音乐家及儿童，每组10人)对两种和弦序进都具有相似的行为评判成绩，但在神经数据上成人与儿童间存在大脑的激活差异。无论是成人音乐家还是接受音乐训练的儿童，他们在大脑左、右半球的额下回外侧皮质及右侧颞上回前部都比非音乐者表现出更强烈的激活，而这种激活差异说明音乐专业者对和声进行规则的违背更为敏感。

对于儿童和成人来说，音乐训练与额叶岛盖、颞上回前部的显著激活有关系。实验中聆听拿波里六和弦结尾的和弦序列时，成人显示出额下回(IFG)、眼眶额叶皮层(OFLC)、前脑岛(anterior insula)、腹外侧前运动皮层(VIPMC)、颞上回(STG)前部与后部、颞上沟(STS)及缘上回(SMG)的激活。在大脑右半球，儿童的激活模式与成人激活模式相似。但在左半球，成人在前额区、缘上回和颞叶区域表现出更为显著的激活现象。近期一些相关研究表明，这些差异在10岁时就能被发现(甚至可能会更早)，如Schlaug研究发现音乐训练能够提高大脑认知能力以及这些差异已在儿童早期阶段被发现[3]。本文旨在探讨音乐家与非音乐家的音乐加工神经激活差异，故对成人与儿童的神经加工异同在此不作详述。

Tillmann和Koelsch及他们的同事采用相似的和弦序列范式，对声乐与器乐的认知启动效应进行研究[4]。实验材料中第一个和弦为主和弦，第八个和弦为目标和弦，当目标和弦为主和弦时序列关联性大，当目标和弦为下属和弦时序列关联性较小。对20名被试进行fMRI技术扫描后发现，BOLD*BOLD效应(blood oxygen level dependent)：最先是由 Ogawa 等人于1990 年在 fMRI 中提出血氧水平依赖效应，即脑活动区域局部血液中去氧血红蛋白与含氧血红蛋白比例的变化所引起的局部横向磁化弛豫时间(T2)的改变，从而T2加权信号反映出局部神经元活动的一种磁共振成像技术。信号显示音乐期待违背时右额叶区域(right inferior frontal areas)，如额下回(IFG)、额叶岛盖(frontal operculum)、前脑岛(anterior insula)的激活更为强烈，除额下回(IFG)激活外，还有逐渐强烈的激活在眶回(orbital gyrus)、颞叶区域(颞上回前部与后部、颞上沟后部及颞上回中后部)和缘上回(SMG)区域发现。音乐句法*音乐句法(music syntax)：如同语言中的，指的是将离散的结构元素结合成序列的原则。参见[美]Aniruddh D.Patel著，杨玉芳、蔡丹超，等，译：《音乐、语言与脑》，上海：华东师范大学出版社，2012年，第182-198页。违背引起颞叶皮层的激活增强，同时也出现前脑岛与眶额外侧脑区的激活，这是由于人们注意提高，并感知到句法违背时产生的强烈情感反应。

Minati和Rosazza使用核磁共振与ERP结合，研究了音乐家与非音乐家对于和谐与不和谐和弦的不同反应，研究发现音乐家的行为测试成绩优于非音乐家，并且反应时更短。[5]音乐家具有更显著的左侧额下回和颞上回以及双侧缘上回的激活，音乐家的大脑右半球对于和弦类型的影响减少，左半球则较明显。

对于音乐旋律的认知加工研究，同样表现出音乐家在额叶岛盖和颞上回前部区域表现出更为强烈的神经激活，因此，我们认为音乐训练与额叶岛盖和颞上回前部有关。2011年，德国研究者Wehurm和Dege及其同事通过对一段7小节的D大调旋律材料中任意位置的个别音符做不同改变，考察了28名11-14岁的右利手儿童音乐加工过程的脑神经激活[6]。选取至少经过两年音乐训练的儿童作为音乐家被试，少于两年音乐训练的儿童作为非音乐家被试。每组实验材料均以原版本(无错误)播放开始，第二遍播放模仿版本，即有错误版本(分别改变为四个调内音符、四个调外音符及两个调内音符和两个调外音符)。研究发现，播放具有极端错误的旋律时，所有被试具有相似的神经反应，且音乐训练儿童的激活反应强于非音乐家。两组被试都表现出了额下回、前运动区及前脑岛在内的一个神经网络的激活，并且额下回的激活与音高加工、旋律及和声辨别、音乐和声规则违背有关；前运动区也与音乐期待违背相关；前脑岛与信息加工和违背音乐句法相关。而音乐训练儿童表现出更为强烈的脑岛激活，可能是由于期待违背引起强烈的情感反应。播放具有轻微错误的旋律时，音乐训练儿童的神经激活主要包括：额下回(岛盖部及三角区)与前运动皮层、前脑岛、颞上回及缘上回。从音乐训练儿童和普通儿童的不同激活反应来说，音乐训练儿童对于极端错误和轻微错误的神经激活更为相似，普通儿童对于极端错误的激活反应更敏感，并且fMRI成像技术显示了更多的缘上回激活现象，研究者认为当他们尝试辨别旋律的偏差时，依赖更多的听觉工作记忆加工，这是由于他们缺乏相关音乐经验导致的。

研究发现旋律轮廓能够被普通人感知。Lee和Janata及其同事对12名右利手非音乐家播放20条类似音阶的旋律材料(大调和小调均涉及，且每种仅具有一种旋律进行方向，即上行或下行)，并采用likert七点量表(1为非常沮丧，7为非常快乐)调查聆听后的愉悦程度，以此考察被试在感知旋律轮廓时大脑产生的神经激活[7]。研究发现了三个皮质位点及功能作用：右颞上沟(rSTS)、左下顶叶(IPL)及前扣带回(ACC)。右颞上沟具有区分音高轮廓的作用，左下顶叶在旋律序列加工中具有重要作用，而前扣带回与音乐结构加工、音乐情感反应及行动感知方面有关。

三、时间维度——基于ERP、EEG、MEG的研究

ERP、EEG、MEG等脑成像技术研究主要解决了大脑在进行音乐认知活动加工的时间水平上的问题，弥补了fMRI技术在时间分辨率上的缺失。

使用ERP对单独音高的加工研究显示音乐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实验范式之一。经典Oddball范式为在一项实验中，随机呈现作用于同一感觉通道的两种刺激，刺激出现的概率有很大的差别，概率大者为标准刺激，小概率者为偏差刺激。，研究32名高中学生对2个听觉材料(标准音调为800Hz、偏差音调为840Hz)和2个视觉材料进行辨别的研究[8]。行为实验中音乐家被试的平均反应时更短。ERP记录发现，音乐家大脑的反应更为强烈，即他们对于听觉材料标准与偏差之间的异同更为敏感，具有更强烈的情感激活模式。P300峰潜伏期的出现早于非音乐家被试，而P300峰振幅同样强于非音乐家。研究表明音乐家能够更快速的更新音乐信息，并且在音乐加工时有更多的信息加工资源参与其中，具有更大的工作记忆容量。

Habibi和Wirantana通过对比音乐家与非音乐家音高感知的皮层活动异同，发现音乐家对于音高偏差的感知更为敏感[9]。音乐家P200波振幅普遍较大，音高偏差出现时则表现为N150和P300波振幅的增加，以及具有更短的P300波潜伏期。行为实验与皮层激活在两组被试间的差异主要表现在对偏差音符右耳刺激的反应上，表明音乐家左侧大脑的激活不同于非音乐家。

Proverbio和Calbi及他的同事测量了人类大脑在接收一致(音频与视觉图片一致，即都为小提琴或单簧管)或是不一致的音乐视频时听觉与视觉的神经激活[10]。选取12名米兰音乐学院的学生及12名非音乐家被试，主要采用单簧管手和小提琴手演奏的368个视频。通过ERP记录并分析发现，由于不一致的视听材料，音乐家大脑内出现了N400波成分。研究指出音乐家大脑内存在一个高度专业化的皮层网络，其中包括：前额皮质、右颞上回、右颞中回、前运动皮层及缘上区域等，并认为音乐家可能采用多通道信息编码方式进行音乐认知加工。

Virtala和Huotilainen及他的同事结合运用ERP和EEG两种技术手段，以当地音乐学院或大学的16名音乐家和14名非音乐家为被试，采用Oddball范式考察了两组被试对标准和弦(大调和弦)和偏差和弦(小调和弦或大调和弦第二转位和弦)的辨别能力[11]。实验包括被动聆听任务(使用EEG记录)，即对两组被试在大调和弦背景下播放小调和弦或大调转位和弦，以及自主辨别任务。EEG记录发现音乐家被试在辨别任务中的表现优于非音乐家，并且显示出更高的N1振幅，而失匹配负波(MMN，mismatch negativity)*失匹配负波(MMN)是一个发生于听觉皮层的事件相关电位，与自动探测重复听觉信号中出现的变异信号有关，它通常用“oddball”范式进行研究。仅在音乐家被试中发现。

Jentschke和Koelsch使用EEG记录了音乐家与非音乐家对于不同类型的和弦进行时的大脑神经反应[12]。研究发现音乐家具有大于非音乐家2倍的ERAN振幅，说明音乐家对音乐刺激和句法违背较为敏感。仅在音乐家中产生ELAN，并显示了重叠的神经资源，主要在额下回区域，其中包括音乐与语言句法加工。实验并未发现N5和P600波成分。

Francois和Schon研究发现行为实验中，无论是语言或音乐材料，音乐家被试组成绩均优于非音乐家[13]。音乐测试中，N1和P2成分均表现为音乐家的振幅大于非音乐家。对比两组被试对于熟悉旋律与不熟悉旋律的ERP发现，音乐家具有更大的振幅与峰振幅，表明音乐家对于音乐刺激的反应大于非音乐家。对于音乐家来说，不熟悉旋律的P2波大于熟悉旋律，可能是由于短时记忆负荷引起的，正如P2波与注意水平和音乐知识水平相关。Koelsch通过对比音乐句法加工和听觉记忆引起的ERAN和MMN发现二者都可通过音乐训练改变，音乐家具有更显著的MMN和ERAN反应[14]。

近几年，关于音乐加工过程的脑成像技术研究较少使用MEG仪器，但其研究结果同样表现出音乐家被试对旋律加工的快速性。Amemiyaa和Karino及他的同事使用音乐旋律为实验材料，对10名音乐家和10名非音乐家就调性旋律和无调性旋律分别以主音或下属音结尾时产生不同神经反应的研究[15]。MEG记录了音乐家被试与非音乐家被试在N1m波和SF波上显示的不同神经反应，N1m波对于音调生理方面的反应较为敏感，音乐家被试表现出明显的短于非音乐家被试的N1m波延迟。相反，SF波与持续性注意和认知负荷有关，与音乐家被试相比，非音乐家被试在SF波上表现的更为强烈。

四、讨 论

(一)关于被试

对于音乐家与非音乐家的界定多采用非音乐家被试群体为仅接受(过)日常学校音乐课程的儿童或成人，定期进行系统的音乐知识、技能学习的儿童或成人属于音乐家被试群体,不同研究目的对于音乐训练者的年限要求不同。

每个被试都具有个体差异，人的认知过程也存在明显的个体差异。音乐心理学研究者们在实验设计中都精细控制这些差异，例如对被试进行智商测试，听力测试，甚至幸福等级测试等等，要求被试均为右利手(或左利手)，对被试受教育程度，文化背景，以及生理、精神疾病史等都予以严格控制，但再优的实验设计也不能完全避免个体自身潜在的神经差异，如基因等。

(二)关于研究数据

音乐加工过程的脑成像技术研究一般分为行为研究与神经研究两方面。多数研究中两组被试行为实验测量结果均表现出相似性，即对于音乐规则、期待违背都能够轻松的辨别旋律或和弦的差异性，但研究者通过脑成像技术记录发现，两组被试却具有不同的大脑激活区域，且激活程度不相同，由此，研究者认为行为数据并不能表现实际的大脑激活现象，两组被试具有不同的神经加工过程。音乐家被试的大脑激活现象是由于长期的音乐训练使大脑的结构与功能发生改变，也可能是长期音乐训练形成了特殊的音乐加工方式等。对于非音乐家被试来说，他们未经过正规的音乐训练却能够分辨实验材料的差异性，部分研究者认为这是由于他们日常生活中的聆听而获得了音乐的内隐知识所决定的，也许他们存在一种特殊的音调加工方式，以此来弥补非音乐家欠缺的音乐训练，还有研究者推测长期的音乐训练使得音乐家对于音乐刺激能够进行外显的行为判别，而非音乐家则通过日常生活经验、文化环境等进行内隐的辨别，从而解释行为与神经的不同[16]。

文中非音乐家同样能够辨别期待违背、不和谐音调，以及已有研究表明无论是否经过音乐训练，儿童3-6岁时便可以察觉出熟悉的儿童歌曲中非调式构成音与和弦外音(out-of harmony)，并且音乐训练能够影响这种感知[17]。非音乐家对文化背景与音乐作品的学习均为内隐，并且辨别大小调和弦时MMN具有差异性，认为听觉皮层对这些音乐结构的加工可能是人类与生俱来、固有的[18]。基于此说明人类有一个普遍的能力，即轻松获取复杂的音乐知识，并根据这些知识进行快速且精确的音乐信息加工，它强调了人脑在音乐上固有的兴趣及音乐的生物关联性以及对音乐的感知可以通过内隐学习获得。

(三)关于研究结论

fMRI脑成像技术研究发现被试对不同的音乐刺激进行认知加工，总能引起大脑神经激活的一些脑区，这些重叠的脑区主要为：额下回(IFG)、额叶岛盖部(frontal operculum)、前脑岛(anterior insula)、颞上回(STG)、颞上沟(STS)及缘上回(SMG)区域，并且发现两组被试的大脑左半球具有不同的激活模式。

研究发现音乐家对音乐刺激材料的神经反应更为强烈，说明他们对音乐材料更加敏感。fMRI表现出音乐家被试具有显著的神经激活反应以及更大的脑区参与，而运用ERP、EEG、MEG记录发现音乐家被试对音乐刺激的反应普遍具有更高的波形振幅、峰振幅以及更短的峰潜伏期等。以上结论发现长期的音乐训练不仅能够提高对音乐刺激的敏感性、缩短反应时等，还能够改变大脑的功能与结构。

五、展 望

深入研究成人或儿童接受音乐训练前后大脑的神经激活网络的变化、音乐认知加工模式的异同，探寻早期音乐训练与音乐加工之间的内在联系，为日后探究音乐训练对大脑认知方式的影响，以及研究人类大脑的可塑性，神经元的可塑性等神经科学方面提供有力的佐证，并且已有研究结果表明人脑在音乐上固有的兴趣及音乐的生物关联性，音乐知识能够通过内隐学习获得，但关于内隐知识的形成及机制还不明晰，另外，已有研究中关于刺激材料的设计未解决基础加工引起的旋律感知、未对不同音乐作品间大脑神经网络组织的差异性进行研究以及对于神经激活与行为数据的关系等问题都有待发现。多数研究发现了音乐训练与认知、言语等技能的提升有关，但两者之间潜在的神经机制联系尚未可知。

研究方法上，由于现代认知神经科学研究技术的局限性，导致使用单一脑成像技术研究无法全面地测量音乐认知加工过程的脑部变化，为了达到实验结果不仅在时间方面具有精确的进程，在空间上也能准确定位认知功能对应的脑区位置，因此，两种或多种研究技术的结合显得尤为重要。但因其不同的生物学基础，造成现在将多种技术结合受到阻碍，随着科技的进步，多种认知神经科学研究方法结合将会是未来研究中得以发展和运用。

参考文献:

[1]丁锦红，张钦，郭春彦.认知心理学[M].北京：中国人民大学出版社，2010：15-33.

[2]Koelsch S，Fritz T. Adults and Children Processing Music: An fMRI Study[J].NeuroImage，2005，25(4)：1068-1076.

[3] Schlaug. G，Norton. A. Effects of MusicTraining on the Child's Brain and Cognitive Development[G]//DallaBella S, Kraus N, OveryK.AnnalsoftheNewYorkAcademyofSciences：NeurosciencesandMusicII:fromPerceptiontoPerformance.NewYork：Blackwell Publishing，2005，1060：219-230.

[4] Tillmann B，Koelsch S. Cognitive Priming in Sung and Instrumental Music:Activation of Inferior Frontal Cortex[J].NeuroImage，2006，31(4)：1771-1782.

[5] Minati L，Rosazza C. FunctionalMRI/Event-related Potential Study of Sensory Consonance and Dissonance in Musicians and Nonmusicians[J].Neuroreport，2009，20(1)：87-92.

[6] Wehrum S，Dege F. Can You Hear a Difference? Neuronal Correlates of Melodic Deviance Processing in Children[J].BrainResearch，2011，1402：80-92.

[7] Lee YS，Janata P. Investigation of Melodic Contour Processing in the Brain using Multivariate Pattern-Based fMRI[J].NeuroImage，2011，57(1)：293-300.

[8] George EM，Coch D. Music Training and Working Memory: An ERP Study[J].Neuropsychologia，2011，49(5)：1083-1094.

[9] Habibi A，Wirantana V. Cortical Activity during Perception of Musical Pitch:Comparing Musicians and Nonmusicians[J].MusicPerception，2013，30(5)：463-479.

[10] Proverbio AM, Calbi M. Audio-visuomotor Processing in the Musician's Brain: An ERP Study on Professional Violinists and Clarinetists[J].Scientific Reports，2014，4：5866-5875.

[11] Virtala P, Huotilainen M. Musicianship Facilitates the Processing of Western Music Chords:An ERP and Behavioral Study[J].Neuropsychologia，2014，61：247-258.

[12] Jentschke S, Koelsch S. Musical Training Modulates the Development of Syntax Processing in Children[J].Neuroimage，2009，47(2)：735-744.

[13] Francois C, Schon D. Musical Expertise Boosts Implicit Learning of both Musical and Linguistic Structures[J].CerebralCortex，2011，21(10)：2357-2365.

[14] Koelsch S.Music-Syntactic Processing and Auditory Memory:Similarities and Differences between ERAN and MMN[J].PsychophysiologicalResearch，2009，46(1)：179-190.

[15] Amemiyaa K, Karino S. Distinct Neural Mechanisms of Tonal Processing between Musicians and Non-musicians[J].ClinicalNeurophysiology，2014，125(4)：738-747.

[16] Bigand E, Poulin-Charronnat B. Are we'experienced listeners'? A Review of the Musical Capacities that do not Depend on Formal Musical Training[J].Cognition，2006，100(1)：100-130.

[17] Corrigall KA, Trainor LJ. Effects of Musical Training on Key and Harmony Perception[G]//DallaBella S, Kraus N, Overy K.AnnalsoftheNewYorkAcademyofSciences：NeurosciencesandMusicII:fromPerceptiontoPerformance. New York：Blackwell Publishing，2009, 1169: 164-168.

[18] Virtala P，Berg V. The Preattentive Pprocessing of Major vs Minor Chords in the Human Brain:An Event-Related Potential Study[J].NeuroscienceLetters，2011，487(3)：406-410.

【责任编辑：吴修文】

收稿日期：2015-10-01

作者简介：赵雪薇(1990-)，女，甘肃兰州人，西南大学音乐学院2013级在读研究生，专业方向为音乐审美心理研究。

DOI:10.3969/j.issn.1008-7389.2016.02.006

中图分类号：J60-051

文献标识码：A

文章编号：1008-7389(2016)02-0044-06