本文介绍了一项关于脑电波（EEG）与音乐刺激之间关系的研究，题为《Music of Brain and Music on Brain: A Novel EEG Sonification Approach》。该研究由Shankha Sanyal、Sayan Nag、Archi Banerjee、Ranjan Sengupta和Dipak Ghosh等作者共同完成，发表于2018年8月的《Cognitive Neurodynamics》期刊。研究的主要目标是探索如何通过脑电波的声化（sonification）技术，将脑电信号转化为可听的声音，并研究音乐刺激对大脑不同区域的影响。
脑电波（EEG）是大脑神经元活动产生的电信号，通常用于研究大脑的功能状态。声化技术（sonification）是一种将数据转化为声音的方法，能够帮助研究人员通过听觉感知数据中的模式和变化。尽管声化技术在科学和艺术领域都有应用，但将脑电波与音乐刺激直接关联的研究仍然较少。本研究旨在填补这一空白，通过声化技术研究脑电波与音乐刺激之间的非线性相关性。
研究选择了印度古典音乐中的坦布拉琴（tanpura）作为音乐刺激，因为坦布拉琴的音色简单但具有复杂的声学特征，常用于营造音乐表演的氛围。此外，研究还使用了两种具有不同情感属性的印度古典拉格（raga）音乐片段，分别是“Chayanat”（浪漫/喜悦）和“Darbari Kanada”（悲伤/哀愁），以探讨不同情感音乐对大脑的影响。
研究分为两个主要实验，分别使用坦布拉琴和两种情感拉格音乐作为刺激。实验对象为10名无音乐训练经验的参与者，年龄在19至25岁之间。实验过程中，参与者在安静状态下和听音乐时分别记录2分钟的脑电波数据。
脑电波数据的采集与预处理：
使用19个电极的EEG设备记录参与者的脑电波数据，采样频率为256 Hz。数据经过低通和高通滤波，去除50 Hz的电源干扰和肌肉伪迹。通过经验模态分解（EMD）技术去除伪迹，提取出8-13 Hz的α波，因为α波与情绪活动密切相关。
脑电波的声化处理：
由于脑电波的采样频率（256 Hz）远低于音乐信号的采样频率（44.1 kHz），研究提出了一种新的算法，通过上采样和插值将脑电波信号的频率提升至44.1 kHz，使其与音乐信号的频率匹配。这一过程称为声化（sonification），即将脑电波信号转化为可听的声音。
多分形去趋势互相关分析（MFDXA）：
为了研究脑电波与音乐信号之间的相关性，研究采用了多分形去趋势互相关分析（MFDXA）技术。MFDXA是一种非线性分析方法，能够评估两个非平稳、非线性时间序列之间的相关性。通过计算互相关系数（Cx），研究评估了脑电波与音乐信号之间的相关性，并分析了不同脑区在处理音乐刺激时的相互作用。
坦布拉琴刺激下的脑电波相关性：
研究发现，坦布拉琴刺激下，脑电波与音乐信号之间的相关性随时间逐渐增加，尤其是在音乐播放的中段（1-1.5分钟）和末段（1.5-2分钟）达到最高。这表明音乐刺激能够显著激活大脑的不同区域，尤其是颞叶（temporal lobe），这与听觉处理密切相关。
情感音乐刺激下的脑电波相关性：
在情感音乐刺激下，研究发现不同情感音乐对大脑的影响存在显著差异。对于“Chayanat”（喜悦）音乐，脑电波与音乐信号的相关性较低，而对于“Darbari Kanada”（悲伤）音乐，相关性显著增加。这表明悲伤音乐能够更强烈地激活大脑的多个区域，尤其是前额叶（frontal lobe）和颞叶。
脑区之间的相关性：
研究还发现，不同脑区在处理音乐刺激时的相关性也存在差异。颞叶与其他脑区的相关性在处理音乐刺激时显著增加，尤其是颞叶之间的相关性最强。这表明音乐刺激能够同时激活多个脑区，尤其是与听觉和情感处理相关的区域。
本研究通过声化技术和非线性分析方法，首次实现了脑电波与音乐信号之间的直接相关性分析。研究结果表明，音乐刺激能够显著激活大脑的多个区域，尤其是颞叶和前额叶。此外，不同情感音乐对大脑的影响存在显著差异，悲伤音乐能够更强烈地激活大脑的多个区域。
这项研究的科学价值在于为脑电波与音乐刺激之间的关系提供了新的研究方法，并为未来的认知音乐治疗（cognitive music therapy）奠定了基础。通过声化技术，研究人员可以更直观地理解大脑对音乐的反应，并为音乐治疗提供科学依据。
创新性方法：
本研究首次将声化技术与多分形去趋势互相关分析（MFDXA）结合，实现了脑电波与音乐信号之间的直接相关性分析。
情感音乐的影响：
研究揭示了不同情感音乐对大脑的影响差异，尤其是悲伤音乐能够更强烈地激活大脑的多个区域。
脑区激活的时空特性：
研究发现，音乐刺激能够同时激活多个脑区，尤其是颞叶和前额叶，且相关性在音乐播放的中段和末段达到最高。
未来的研究可以进一步扩展音乐刺激的种类，探索更多情感音乐对大脑的影响。此外，研究还可以结合功能性磁共振成像（fMRI）等技术，进一步验证脑电波与音乐信号之间的相关性。