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自然音乐引发的脑电反应的时间结构与节奏相关性研究

期刊:NeuroImageDOI:10.1016/j.neuroimage.2020.11655

Blair Kaneshiro等研究团队的论文《Natural music evokes correlated EEG responses reflecting temporal structure and beat》,由以下作者完成:Blair Kaneshiro (Stanford University)、Duc T. Nguyen (Stanford University)、Anthony M. Norcia (Stanford University)、Jacek P. Dmochowski (City College of New York)、Jonathan Berger (Stanford University)。研究发表在期刊《NeuroImage》,论文编号为214 (2020) 116559,在线发布时间为2020年1月21日。

研究背景与目的

本研究属于神经科学与音乐认知领域,重点探讨了自然音乐对脑电活动(EEG)的影响。近年来,随着神经成像技术的进步,人们逐渐揭示出大脑在处理自然视听刺激时的一些关键机制。已有研究表明,多名受试者在接收同一刺激时会表现出神经同步反应(inter-subject correlation, 简称ISC),这一现象通常被视作大脑的一种“参与度”状态。此外,刺激-响应相关性(stimulus-response correlation, 简称SRC)也被证明能反映受试者的注意力状态。然而,这些成果多集中于叙事性视听刺激,而对时间上结构化的音乐刺激(如自然音乐)及其引发的大脑专用回路的深入理解仍不够全面。为填补这一研究空白,本研究旨在探讨自然音乐聆听过程中大脑的神经同步及其与音乐感知的关系。研究设置了多种音乐刺激条件,分析ISC和SRC在时间域和频率域下的表现,从而更全面理解音乐对大脑的影响机制。

研究方法

研究的实验设计复杂精密,共分为以下几个主要步骤:

1. 刺激材料准备

研究团队选取了四首来源于Hindi语言的宝莱坞(Bollywood)电影的流行歌曲,这些歌曲发表时间为2008至2013年,风格多为流行音乐,具备清晰的节奏和旋律结构。然而,为避免听众因熟悉度影响实验结果,研究挑选了对实验对象完全陌生的歌曲,并将歌曲的歌词语言限定为Hindi,以避免因语言理解差异造成的混淆。每首西化的宝莱坞歌曲平均长度为4分半,节奏速度在每分钟86至156拍之间(bpm)。

每一首歌曲被处理为四种不同条件:
- _Intact_:保持原始完整性;
- _Measure_:小节级打乱;
- _Reversed_:音轨整体反转;
- _Phase_:相位谱随机化后形成类似噪声的音频。

这些处理会在不同程度上破坏音乐的时间和谱调结构,从而探讨相关性的变化。

2. 实验受试者

共招募48名右利手受试者(年龄18–34岁,平均24.58岁),受试者均具有正常的听力能力,对音乐持有广泛兴趣,同时对Hindi语言和文化无经验。这48名受试者中,有32人报告有音乐训练经历,20人目前参与音乐活动,平均音乐训练时间为7.57年。

3. 数据采集与实验流程

实验分两轮进行,每位受试者在实验过程中被要求闭目专注聆听音频,并在聆听之后对音乐的“愉悦性”(pleasantness)、“音乐性”(musicality)、“秩序感”(order)以及“兴趣性”(interest)进行1到9分的评分。聆听过程中同步采集128通道头皮脑电信号(scalp EEG),采样速率为1 kHz,记录实验中每一个音频条目的相应 EEG 反应。

4. 数据预处理

研究团队为 EEG 数据制定了详细的预处理管道,消除了大范围的噪声和眼电伪影。此外,还使用可靠成分分析(reliable component analysis, 简称RCA)对信号数据进行了空间滤波,提取最大程度相关的脑电分量(RC1)。

5. 数据分析

研究团队对 ISC 和 SRC 进行时间域和频率域分析,分别计算: 1. 受试者间的神经同步水平(ISC),通过时序信号的一对多相关性得到。 2. 刺激音频包络(stimulus envelope)与脑电数据信号的同步关系(SRC),通过信号滤波和回归方法细化时序匹配关系。

此外,团队还利用频率一致性(coherence)的方法分析音乐信号在节拍频率(beat-related frequencies)引起的神经响应是否潜在揭示了大脑对音乐节奏的感知。

研究结果

本研究得到以下主要结果: 1. 行为层面的结果:受试者对于完整歌曲(_Intact_)一致打出了最高评分,对随机相位化歌曲(_Phase_)的评分最低,而对打乱小节的歌曲(_Measure_)得分介于二者之间,通常高于反转的音轨(_Reversed_)。

  1. ISC 和 SRC:在保持音乐基本节奏特性的情况下(Intact 和 _Measure_),ISC 和 SRC 水平均显著高于随机相位条件(_Phase_)。然而有趣的是,打乱小节的条件(_Measure_)激活了更高的 ISC,这推测可能与短时节奏的连贯性和长期旋律的断裂感共存相比,促使大脑维系较高的期待和处理强度有关。

  2. 频率域一致性(Coherence):观测结果显示,在与音乐节拍高度相关的频率上(约5–7 Hz),显著提升了大脑神经反应的同步性。且频率一致性与时间同步性(ISC 和 SRC)两者之间具有显著相关性(r = 0.77),表明音乐的节奏感是一个可能的驱动因子。

  3. 两次实验聆听比较:尽管 EEG 数据显示第二次聆听时神经相关水平略有下降,但行为评分仍保持稳定,表明短期重复聆听不会负面影响音乐感知。

结论与研究意义

研究表明,自然音乐显著引发了多受试者间大脑的神经同步反应,其参与水平或“注意力”可能与对音乐节奏结构的解析密切相关。这一影响机制揭示了音乐体验中“节奏感知”和“预期体验”的重要作用,从客观的神经角度解释了音乐为何能动员情感与注意力。此外,本研究还首次证明了不同音乐时间操作对 ISC 和 SRC 的影响,且成功将 EEG 同步分析扩展到时域与频域。

新颖性与亮点

  1. 研究方法创新:使用可靠成分分析(RCA)进行高维数据降噪,以及独特的频率一致性分析,提供了更全面和高效的计算框架。
  2. 刺激材料多样性:选用宝莱坞流行乐,并在音乐的时间序列结构上进行多条件处理,具备高度的实验创新。
  3. 音乐节奏要素的揭示:首次表明节拍相关频率可能代表音乐在神经层面的通用感知维度。

这项研究不仅加深了音乐神经科学领域对于大脑同步机制的理解,还有助于进一步设计自然音乐的认知和治疗性研究,特别是如何利用音乐来改善情绪、促进注意力或加强社会互动等。

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