一项关于专业小提琴手二重奏中大脑角色差异的fNIRS研究

本研究的主要作者包括Patricia Vanzella（第一作者，通讯作者，来自巴西圣保罗联邦大学跨学科神经科学应用中心及数学、计算与认知中心）、Joana B. Balardin（以色列阿尔伯特·爱因斯坦医院/爱因斯坦研究所）、Rogério A. Furucho（巴西圣保罗联邦大学数学、计算与认知中心）、Guilherme Augusto Zimeo Morais（德国NIRx医疗技术有限公司）、Thenille Braun Janzen（加拿大多伦多大学音乐学院）、Daniela Sammler（通讯作者，德国马克斯·普朗克人类认知与脑科学研究所）以及João R. Sato（巴西圣保罗联邦大学跨学科神经科学应用中心及数学、计算与认知中心）。该研究于2019年2月5日发表在学术期刊《Frontiers in Psychology》上，具体发表于其“听觉认知神经科学”专刊。

研究的学术背景 本研究属于认知神经科学、音乐心理学与联合行动研究领域的交叉范畴。音乐合奏，尤其是二重奏，为研究人际协调、社会互动以及领导-跟随关系提供了一个高度自然且复杂的模型。在合奏中，音乐家需要在毫秒级别精确协调彼此的动作，这涉及到复杂的运动、认知和社会过程。以往研究通过脑电图（EEG）超扫描技术发现，音乐家的大脑活动在合奏时会出现同步，且领导者和跟随者的大脑同步模式存在差异。然而，传统的功能磁共振成像（fMRI）技术因其对运动的高度限制，难以在自然、生态化的表演环境中研究大脑活动。因此，该领域的一个关键挑战在于如何在更自然的情境下探究联合行动，特别是领导与跟随角色背后的大脑机制。

功能近红外光谱技术（functional Near-Infrared Spectroscopy, fNIRS）作为一种新兴的神经成像技术，通过测量大脑皮层血流动力学变化（如氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白浓度的变化）来间接推断神经活动。其优势在于便携、对运动伪影相对不敏感、成本较低，尤其适合在自然情境下进行研究。基于此，本研究旨在利用fNIRS超扫描技术，首次在自然的小提琴二重奏表演情境中，同步测量两位音乐家的大脑活动，探究在合奏中扮演不同角色（领导者与跟随者）时，大脑功能激活模式的差异。研究假设，与独奏相比，在二重奏中，特别是在扮演跟随者角色的音乐家身上，与感觉运动协调、社会信息动态处理及心理理论相关的脑区（如感觉运动区和颞顶联合区）会表现出更强的激活。

详细的研究流程 本研究设计严谨，包含参与者招募、音乐材料准备、实验流程、数据采集与数据分析等多个环节。

1. 参与者：研究招募了10名专业小提琴手（组成5对二重奏）。所有参与者均为右利手，平均年龄32.7岁，平均拥有15年不间断的小提琴训练经历，均为活跃在圣保罗地区的职业音乐家，确保了音乐专业技能和乐器掌握水平的一致性。
2. 音乐材料：选用匈牙利作曲家巴托克（Béla Bartók）于1931年创作的《44首小提琴二重奏》中的第37号（前奏曲与卡农）。选择此曲目是因为它对两位演奏者提出了相似的技术和表现力要求，同时其结构特点（如乐句起始、节奏变化）可能自然地诱导第一小提琴手（Violin 1）在大部分演奏中承担领导角色，第二小提琴手（Violin 2）承担跟随角色，而无需研究者明确指定。
3. 实验程序：实验前一周，参与者收到乐谱并被要求同时练习两个声部。实验当天，每位参与者佩戴fNIRS设备头帽。实验分为两个相同的“轮次”（run）。在第一轮中，一位音乐家演奏第一小提琴声部，另一位演奏第二小提琴声部；在第二轮中，两人交换声部。这样，每位音乐家都既体验了“领导者”（V1）也体验了“跟随者”（V2）的角色。
   • 任务设计：每轮数据采集中，音乐被分成四个约30秒的片段。在每个片段内，音乐家被要求执行三种条件：独奏V1声部、独奏V2声部以及二重奏。这些活动条件与相同时长的静息基线区块交替进行。三种活动条件的顺序在音乐片段内和轮次间进行了平衡。这种设计使得研究者可以在同一音乐片段内，直接比较同一音乐家在不同角色（独奏 vs. 合奏中的特定角色）下的大脑活动。
4. fNIRS数据采集：使用连续波fNIRS系统（NIRScout, NIRx Medical Technologies）同时记录两位音乐家的大脑活动。设备包含16个发射近红外光（760和850 nm波长）的LED光源和16个光学探测器。为了不妨碍小提琴演奏，所有光极仅放置在参与者的右半球头皮上。共形成23个通道，覆盖了右侧的感觉运动皮层和颞顶联合区等区域。采样频率为7.81 Hz。
5. 数据预处理与分析：
   • 信号转换：使用修正的比尔-朗伯定律将原始光强度数据转换为氧合血红蛋白（oxy-Hb）和脱氧血红蛋白（deoxy-Hb）的浓度变化。
   • 统计分析模型：采用基于广义线性模型的分析方法（通过NIRS工具箱软件实现）。模型包含三个感兴趣的回归因子，分别对应三个实验条件（独奏V1、独奏V2、二重奏），并与标准的血流动力学响应函数进行卷积。采用迭代自回归滤波来消除模型残差中的序列相关性，并使用稳健回归进行迭代估计，以减少运动伪影等噪声的影响。
   • 感兴趣区分析：基于先验假设，研究者定义了三个感兴趣区（ROI）：
     • 感觉运动ROI：覆盖初级感觉运动皮层区域。
     • 颞顶ROI：覆盖颞顶联合区及后部颞上沟区域。
     • 背侧额叶ROI：作为对照区域，预期不会因角色不同而产生差异。
   • 统计检验：对于每个ROI，计算每位参与者在二重奏条件相对于静息基线的激活系数（beta值）与独奏条件相对于静息基线的激活系数之差（即“合奏减独奏”的对比）。然后，分别针对演奏V1和演奏V2的情况，使用配对Wilcoxon非参数检验比较这些差值。此外，还直接比较了V1和V2角色下“合奏减独奏”差异值的大小。显著性水平设定为5%。
6. 行为问卷：实验后，参与者填写问卷，评估他们在演奏V1和V2声部时感知自己作为领导者和跟随者的时间比例、与伙伴的理解程度以及对表演的整体满意度。

主要研究结果 研究结果从行为数据和大脑激活数据两个方面支持了研究假设。

1. 行为结果（自我报告）：问卷分析显示，音乐家在演奏第一小提琴（V1）声部时，感知自己作为领导者的时间显著多于演奏第二小提琴（V2）声部时。而在感知自己作为跟随者的时间上，两个声部之间没有显著差异。这表明，在没有明确指令的情况下，音乐家们基于乐曲结构和古典合奏惯例，自然地形成了领导（V1）与跟随（V2）的角色认知。此外，音乐家们报告了在二重奏中与伙伴的高水平理解和表演满意度。
2. 大脑激活结果（fNIRS）：分析聚焦于氧合血红蛋白（oxy-Hb）的变化，这是神经活动增强的典型指标。
   • 颞顶联合区：当音乐家演奏第二小提琴（V2，跟随者）声部时，在二重奏条件下该脑区的oxy-Hb激活显著强于独奏条件。然而，当演奏第一小提琴（V1，领导者）声部时，二重奏与独奏条件在该脑区的激活没有显著差异。并且，V2角色下的“合奏减独奏”激活增强效应显著大于V1角色。
   • 感觉运动区：与颞顶区模式一致，在演奏V2声部时，二重奏比独奏在感觉运动区引发了更强的oxy-Hb激活。而在演奏V1声部时，两种条件间无显著差异。同样，V2角色下的激活增强效应显著大于V1角色。
   • 背侧额叶对照区：无论是在演奏V1还是V2声部时，二重奏与独奏条件在该脑区的激活均无显著差异，且两个角色间也无差异。这排除了观察到的效应是普遍性注意或努力差异所致，支持了效应具有脑区特异性和角色特异性。

结论与意义 本研究得出明确结论：在自然的小提琴二重奏表演中，扮演不同角色（领导者 vs. 跟随者）的音乐家，其大脑激活模式存在显著差异。具体而言，扮演跟随者（V2）角色的音乐家，在需要维持合奏凝聚力时，其右侧颞顶联合区和感觉运动皮层的神经活动显著增强，而领导者（V1）则未表现出这种增强。

这一发现具有重要的科学价值： 1. 揭示了合奏中角色特异性的神经机制：研究表明，合奏凝聚力对处于跟随者位置的音乐家提出了特殊的要求。颞顶联合区的更强激活可能与心理理论（理解他人意图、推断目标）和动态社会信息处理（如处理生物运动、非言语线索）有关，跟随者需要更努力地预测和适应领导者的行动。感觉运动区的更强激活则可能反映了动作模拟和自我/他人协调的需求增强，跟随者需要更频繁地模拟和预测伙伴的动作以保持同步。 2. 支持了领导-跟随的互补性理论：领导者可能更多地依赖于内部驱动的运动计划和决策过程（这些过程在独奏和二重奏中可能同样活跃），而跟随者则更多地依赖于对外部感觉信息（伙伴的演奏）的处理、社会认知和实时动作模拟来维持协调。这印证了联合行动中领导与跟随是互补而非对立的角色。 3. 方法论上的突破与价值：本研究首次成功将fNIRS超扫描技术应用于自然、无拘束的音乐合奏表演中，实现了对多位表演者大脑活动的同步测量。这证明了fNIRS在生态效度要求高的联合行动研究中的巨大潜力，为未来在更自然的环境下研究多人互动、音乐即兴、教学等复杂社会行为打开了新的途径。

研究的亮点 1. 研究范式的生态效度：最大亮点在于在高度自然化的情境（真实的乐器二重奏表演）下研究大脑活动，突破了传统脑成像技术的限制。 2. 技术的创新性应用：首次使用单一fNIRS设备对二重奏音乐家进行同步超扫描记录，是方法学上的一项重要进展。 3. 明确的角色诱导与分离：通过选择特定的音乐作品和利用古典合奏的固有惯例，成功地在没有实验者干预的情况下诱导出清晰、内生的领导与跟随角色，为研究真实的社交动态提供了窗口。 4. 聚焦于脑区激活而非仅脑间同步：与许多关注脑间同步的EEG超扫描研究不同，本研究重点关注了特定脑区（颞顶联合区、感觉运动区）在角色任务下的功能激活差异，为理解联合行动中不同认知过程的神经基础提供了更具体的证据。 5. 严谨的对照设计：通过设置独奏条件作为基线，并包含背侧额叶对照ROI，有效地分离了合奏效应、角色效应以及非特异性的大脑激活，增强了结果的可信度。

其他有价值的内容 研究也坦诚了其局限性，包括样本量较小、仅采集了右半球数据（因左半球放置设备会妨碍小提琴演奏）、未能使用加速度计客观量化头部运动的影响、以及未将fNIRS数据与个体解剖MRI配准以更精确界定ROI的解剖位置。作者建议未来研究可以探索其他合奏形式、纳入双侧大脑测量、并结合生理监测（如心率、呼吸）来更全面地解释任务相关的血流动力学变化。这些思考为后续研究指明了方向。