不同音乐状态下脑电功率谱和重心频率的变化

不同音乐状态下脑电功率谱和重心频率的变化

具有独特的音乐效应所谓“莫霍效应”，是指与发出莫洛音音乐相关的行为能力改善或神经生理活动的变化。1993年,Rauscher等发现听莫扎特D大调双钢琴奏鸣曲(SonataK.448)的实验组在时空推理任务上的测验成绩,高出听通俗音乐的对比组和不听任何音乐的控制组8~9个百分点。他们进一步证实音乐训练能长时程地增强学前儿童的时空推理能力。以大鼠为实验对象,也发现莫扎特音乐能提高大鼠走多重T迷宫的成绩。已知音乐加工与时空知觉共享了部分脑区,如音乐与空间知觉的表征均涉及颞叶皮层。又根据Trion模型(Mountcastle认为皮层柱是皮层的基础网络,由加工单元“微柱”所组成。Trion模型是对Mountcastle组构原理的数学实现:一个trion代表了一个理想化的微柱或大约100个神经元,并具有三种水平的放电活动;由一小群trions结构化联结而组成的皮层柱会被诱发出一种似稳定的、周期性的时空放电模式,称为MagicPatterns,且该模式能够通过Hebb规则来学习或提高),Rauscher等认为具有很强周期性且高度结构化的莫扎特音乐能够激发或增强时空任务所使用的固有神经放电模式,进而提高时空推理能力。而脑电相干性实验也证实了暴露于莫扎特音乐后,后继完成空间任务时不同脑区之间的相干模式遗留了听音乐时的模式。“莫扎特效应”一经提出,学界就掀起了研究莫扎特音乐的热潮。在行为学层面上的实验结果并不是很一致,有些研究能够重复这一效应,有些则不能,如1999年Steele对Rauscher等的实验进行验证,但未获得莫扎特效应,2003年他又对Rauscher的大鼠学习实验进行质疑,指出实验所用乐章中大部分音符超出了老鼠的听觉阈限。Mckelvie和Low也报告说,在他们的实验中听莫扎特奏鸣曲的儿童的空间智力分数相对于控制组并没有显著提高。这些不一致的发现引发热烈讨论,使得“莫扎特效应”备受争议。然而利用认知神经科学手段来探究这一效应的研究,几乎一致地证实了莫扎特音乐对神经生理活动的影响存在不同于其他音乐的独特模式。1)脑电方面的研究发现:莫扎特音乐导致了脑电相干性的增强;莫扎特音乐增加了颞叶与左侧额叶区域神经电生理活动的相关性;莫扎特音乐改变了脑电α频段的幅度并增强了左右半球间的相干性;莫扎特音乐改变了EEG功率与相干性,特别是右侧颞叶;莫扎特音乐在空间旋转和数字任务中普遍诱发了γ波段活动,且在执行数字任务时独特地影响了低频α活动;莫扎特音乐组在空间旋转任务下脑电复杂性较低,且低频α和γ频段的同步化显著。2)事件相关电位(event-relatedpotential,ERP)研究发现:莫扎特音乐作为背景音乐时,视觉Oddball任务诱发的左半球ERP成分的潜伏期增长,右半球ERP成分的潜伏期缩短;而添加了新异刺激后的视觉Oddball任务,发现莫扎特音乐使P3a和P3b的幅度降低,且P3b潜伏期改变。3)脑成像的研究结果也很一致,如fMRI实验发现莫扎特音乐对大脑的激活最为广泛,除了颞叶皮层外,还激活了背外侧前额叶、枕叶和小脑等与时空推理关系密切的脑区;近红外脑功能成像(near-infraredspectroscopy,NIRS)也发现除颞叶外,莫扎特音乐还激活了背外侧前额叶和枕叶。4)临床研究也证实:记录听莫扎特音乐时脑电的变化,发现莫扎特音乐可以减弱癫痫病人的痫样放电活动,且短期和长期效应都存在;在平衡分析平台上进行静态姿势描记显示,莫扎特音乐还能够使被试的平衡变量改变,如视觉成分下降、前庭和体觉的输入增加等,提示其具有在前庭损伤病人康复治疗中的潜在应用价值。总之,对“莫扎特效应”的评价尚存争议,需要综合利用各种技术进行更系统性的研究,特别还要考究音乐本身的特性与文化背景。Rauscher等通常以放松状态、白噪声或Glass简约音乐等差别很大的音乐作为对照,而我们在研究中特意选取了音乐曲式风格比较类似SonataK.448的古典音乐“致爱丽丝”和流行音乐“后来”钢琴曲作为对照,以考查音乐类型、性别、脑区和半球等因素对脑电不同频段(α1波、α2波、α波总———α1+α2、β波、δ波及θ波)功率谱和脑电重心频率的影响。基于上述研究以及莫扎特音乐独特而显著的回旋曲式特征,预测SonataK.448对脑电各个频段功率谱及重心频率的影响模式可能异于后两种音乐。材料和方法k.c4号回旋曲式的特征随机选取非音乐专业大学生16名(年龄范围21~23岁,M=22),男、女生各8名,均未接受过任何专业音乐训练。所有被试身体健康,听力正常,无精神病史或大脑创伤,均为右利手。刺激音乐采用莫扎特“D大调双钢琴奏鸣曲”(K.448)、贝多芬“致爱丽丝”和通俗音乐“后来”,均为纯钢琴音乐,且均能引发愉悦正性的情绪。K.448具有莫扎特音乐的典型特征———曲式的回旋性与主旋律的重复性,调式为D大调,速度是行板(在四分音符70左右);“致爱丽丝”曲式的特点是ABACA式回旋曲式结构,a小调,中速(在四分音符80~100左右);“后来”为降E大调,小行板(在四分音符72左右)。前两首乐曲都属于古典音乐,有回旋性、主旋律重复性的共性;“后来”属于流行音乐,也重复了很多高潮部分,但和回旋曲式有所差别。总之,K.448回旋曲式特征最显著,“致爱丽丝”其次,“后来”最弱。被试对这3首乐曲的熟悉程度基本一致。实验模型被试首先填写被试记录表,佩戴电极帽后,放松1~2min后实验开始。实验分为4个部分,参考Bodner等的实验范式,令被试分别在静息、播放通俗音乐“后来”、古典音乐“致爱丽丝”和莫扎特“D大调双钢琴奏鸣曲”等状态下闭眼静坐3min,同步记录脑电;为避免不同音乐间的相互干扰,两种音乐刺激之间被试休息10min,且保证被试大脑保持较高的唤醒度。音乐强度的影响采用Neuroscan便携式脑电采集系统记录脑电。IBM手提电脑播放音乐,并由挂耳式耳机传入被试耳中。播放音乐前,各种音乐声音强度均先调节到令听者感觉舒适柔和,即强度中弱(mp,约60db左右),以降低音乐强度因素对脑电测量的干扰。37导电极帽(Ag/AgCl电极)采集脑电,电极排列位置按照10-20国际脑电系统安放,双侧乳突平均参考,头皮电极电阻均调至5kΩ以下。脑电采集频率为DC~70Hz,采样频率为1000Hz。脑电功率谱密度利用Bartlett平均周期图法计算脑电功率谱密度:用Scan软件将采集到的脑电进行脑电预览、DC矫正、去眼电和滤波后,将3min(每种音乐的长度)的脑电5等分(每段36s),选取紧邻每个分界点前方的4.096s脑电,即约32~36s、68~72s、104~108s、140~144s和176~180s,共5段,总长约20s。通过快速傅里叶变换(4096点FFT)计算每一段EEG的周期图,并进行平均。脑电功率谱密度(powerspectraldensity,PSD)计算公式为此处M=5,L=每段脑电长度=4.096s。计算各频段的脑电功率谱(powerspectrum,PS):功率谱定义了信号功率如何随频率分布,各段频率范围设定如下:δ(0.5~3.9Hz)、θ(4~7.4Hz)、α1(7.5~8.9Hz)、α2(9~13.4Hz)、β(13.5~30Hz)。脑电功率谱由脑电功率谱密度积分得到,并通过对数转换化简数据,公式如下:功率谱曲线的重心频率(gravityfrequency,GF)可以反映脑电信号功率谱的总体分布趋势。其计算公式如下:不同性别的平均脑电功率差异图利用Matlab软件绘制32个导联的不同性别的平均脑电功率谱图,横坐标为频率(0~30Hz),纵坐标为脑电功率谱密度(取log化简)。导电极的特征利用VB编程自制软件分析并输出脑电功率谱数据,可同时生成每个导联各个频段的功率谱、百分比(%)及脑电重心频率文件。选出特定的十导电极代表不同脑区进行分析,额叶:Fp1、Fp2(前额);Fc3、Fc4(后额);顶叶:P3、P4;枕叶:O1、O2;颞叶:T5、T6。最后,利用SPSS软件多因素重复测量方差分析方法,进行4种状态(3种音乐及静息)、4个脑区、2个半球和2种性别的主效应与交互作用分析。脑电数据分析种类型音乐类型和性别gf值的变化经多因素重复测量方差分析,球形检验得知P<0.05,因此使用Greenhouse-Geisser模型(下面方法类同)。Fmusic(2.519,362.806)=5.552,P<0.05,不同音乐状态下GF值存在显著差异。3种音乐都增加了GF值,但仍处于α1波段。其中“致爱丽丝”的GF最高(M=8.153),其次是莫扎特“D大调双钢琴奏鸣曲”(M=8.087),均显著高于静息状态(M=7.743)。音乐与脑区之间交互作用显著:在颞区,Fmusic(2.435,68.178)=3.076,P<0.05,不同音乐之间GF存在显著性差异;而在额区、枕区和顶区,音乐之间无显著性差异。莫扎特音乐增大颞区GF值的程度最大,顶区其次;而“致爱丽丝”和“后来”均是增大颞区GF值的程度最大,额区其次(见表1)。音乐类型与性别之间交互作用显著,Fmusic*gender(7.558,362.806)=142.00,P<0.05。听莫扎特音乐时,男性GF增加的幅度大于女性(见图1),说明男性脑电对莫扎特音乐的整体反应幅度大于女性。种音乐影响的交互作用考察莫扎特音乐等对α、α1、α2、β、δ和θ等频段脑电功率谱的影响,结果如下。统计表明,音乐类型主效应显著,Fmusic(2.476,356.527)=3.499,P<0.05。相对于静息状态,3种音乐都显著降低了α波的PS值,其中“后来”最低,而莫扎特“D大调双钢琴奏鸣曲”与其它音乐之间没有显著差异。音乐与脑区的交互作用不显著:莫扎特音乐降低颞区PS值的程度最大、枕区其次,与“后来”和“致爱丽丝”的效应一致(见表2)。音乐类型与性别之间交互作用显著,Fmusic*gender(2.465,374.711)=14.467,P<0.05。听莫扎特音乐时,女性α波PS值降低的幅度高于男性(见图2)。不同音乐模式下ps值的变化音乐类型主效应显著,Fmusic(2.649,381.420)=10.600,P<0.05。3种音乐都显著降低了α1波的PS值,而莫扎特音乐与其它音乐之间没有显著差异。音乐与脑区之间交互作用显著:在颞区[Fmusic(2.593,77.795)=3.796,P<0.05]和枕区[Fmusic(2.345,70.360)=4.511,P<0.05],不同音乐之间PS值存在显著性差异;而在额区和顶区无显著差异。莫扎特音乐降低枕区PS值的程度最大,颞区其次,与音乐“后来”的反应模式一致;而“致爱丽丝”降低颞区PS值的程度最大,枕区其次(见表2)。音乐类型与性别交互作用显著,Fmusicgender(2.649,381.420)=5.131,P<0.05,听莫扎特音乐时,女性α1波PS值降低的程度显著高于男性,而男性α1波PS与静息状态下基本无差异(见图3)。音乐与脑区的交互作用音乐主效应不显著,Fmusic(1.890,381.420)=1.937,P>0.05,即不同的音乐对脑电α2波功率谱的影响不大。音乐与脑区的交互作用不显著:莫扎特音乐降低颞区PS值的程度最大,枕区其次,与音乐“后来”和音乐“致爱丽丝”的反应模式一致(见表2)。音乐与性别之间交互作用显著,Fmusic*gender(1.889,287.159)=18.686,P<0.05,听莫扎特音乐时,男性的α2波PS显著升高,而女性的α2波PS显著降低。脑电功率谱分析显示,不同性别被试在α2波与α1波呈现出迥异的反应模式(见图3)。不同音乐类型的ps值变化音乐类型主效应显著,Fmusic(2.185,314.703)=10.398,P<0.05。3种音乐均显著降低了β波PS值,“后来”与“致爱丽丝”之间存在显著性差异,而莫扎特音乐与其它音乐之间无显著差异。音乐与脑区的交互作用显著:在顶区[Fmusic(1.848,55.453)=3.575,P<0.05]和额区[Fmusic(2.009,124.534)=3.008,P<0.05],不同音乐之间PS值存在显著性差异;而在颞区和枕区无显著差异。所有音乐均降低了β波PS值,“后来”的降低幅度最小,“致爱丽丝”降幅最大(见表2)。不同音乐类型与性别之间交互作用显著,Fmusic*gender(2.235,339.696)=5.263,P<0.05。男性听莫扎特音乐时,β波PS降低的幅度小于女性(见图2)。波ps与“最后”和“致切需”的交互作用音乐类型主效应显著,Fmusic(1.937,128.00)=9.887,P<0.05。“莫扎特音乐”和“致爱丽丝”都显著降低了δ波功率谱,“后来”略微降低δ波PS未达显著;“致爱丽丝”δ波PS显著低于“后来”。音乐与脑区交互作用显著:在顶区[Fmusic(1.973,51.287)=5.619,P<0.05]、额区[Fmusic(1.889,109.576)=5.581,P<0.05]和颞区[Fmusic(1.973,51.287)=5.619,P<0.05],不同音乐之间δ波PS值存在显著性差异;枕区δ波PS值则不受音乐影响。莫扎特音乐降低颞区PS值程度最大,额区其次,与“后来”和“致爱丽丝”的变化趋势一致(见表2)。不同音乐类型与性别间的交互作用不显著。“丽丝”和“术后”的音乐特性音乐类型主效应显著,Fmusic(2.395,144.00)=3.818,P<0.05。3种音乐都不同程度地降低了θ波PS值:“致爱丽丝”显著地降低了θ波PS值,而莫扎特音乐与“后来”降低θ波PS值未达显著。音乐与脑区交互作用显著:在颞区,Fmusic(2.480,74.396)=3.580,P<0.05,不同音乐PS值之间存在显著性差异;在顶区、额区和枕区无显著性差异。莫扎特音乐降低颞区PS值的程度最大,顶区其次,与音乐“后来”一致;“致爱丽丝”降低颞区PS值的程度最大,枕区其次(见表2)。音乐类型与性别之间交互作用不显著。音乐状态的波行为EEG是脑内神经细胞总体活动(包括离子交换、新陈代谢等)的综合外在表现,具有自发性、节律性和综合性的特点。通过测定皮层不同区域的α、β、θ和δ等脑波频段的能量,可以指示脑内相应的活动区域及其变化。音乐是探索脑高级功能的窗口,脑对音乐的加工涉及认知和情绪两个层面。音乐认知加工涉及大脑双侧颞叶、额叶、顶叶和枕叶的广泛脑区并促进各脑区间的相互连接,而音乐情绪加工则主要依赖于边缘系统结构。“莫扎特效应”的提出,伴随着“神经音乐学(neuromusicology)”这一新学科的兴起,都为音乐加工的EEG研究带来广阔的应用空间。通过选用“莫扎特效应”的典型音乐———莫扎特D大调双钢琴奏鸣曲(K.448),以曲式风格接近的古典音乐“致爱丽丝”和流行音乐“后来”为对照,本文试图探究莫扎特音乐对脑电不同频段功率谱和脑电重心频率是否具有独特的影响模式。脑电重心频率的变化能够反映情绪状态的改变,例如研究发现,通过悲伤电影诱发强烈的悲伤情绪会使脑电重心频率从α频段转移到θ频段。实验所选的3种音乐都显著增加了GF值,但同静息状态一样仍处于α低频段(α1);其中,“致爱丽丝”组的GF值已经接近α高频段(α2)。α波是正常脑电波的基本节律,人在清醒、安静并闭眼时该节律最为明显。GF测定结果显示聆听音乐时脑仍处于放松状态;且莫扎特音乐在脑区影响模式上与“致爱丽丝”和“后来”存在一定差异:前者主要增大了颞区和顶区GF值;而后两者主要增大了颞区和额区GF值。研究表明α波与大脑活动呈负相关,即α波功率越高,大脑活动程度越低,α波功率越低则大脑活动程度越高。同时α波段功率比其他波段更能反应大脑行为的变化。3种实验音乐都显著降低了α波功率,表明音乐状态比闭眼静息激活了更多的脑活动。袁全等的研究也表明,在音乐状态下,脑电能量在α频段呈明显减少趋势;Petsche等的EEG研究也发现,莫扎特音乐降低了所有脑区的脑电功率,且α节律的降低主要在颞叶。类似地,此处3种音乐降低颞区α功率的程度最大,显示颞叶激活增加,与颞叶听觉皮层主要负责音乐知觉加工的理论相符。如ERP和fMRI的音乐实验都显示,颞上回不但是音高的加工中心,也负责对旋律的识别与再认。此外,“致爱丽丝”和“莫扎特奏鸣曲(K.448)”对不同性别被试脑电α2频段的功率谱影响模式非常类似(参见图3),但对α1频段功率的影响存在差异———莫扎特音乐降低α1波能量的幅度显著小于“致爱丽丝”,男性、女性皆然。莫扎特音乐状态下,α1活动较古典音乐“致爱丽丝”更强,且α1能量最高的脑区为顶叶,其次是额叶、枕叶。Bodner等的fMRI实验结果也显示,莫扎特音乐对大脑的激活比古典音乐“致爱丽丝”更为广泛,除了颞叶听觉皮层外,还激活了背外侧前额叶等与时空推理关系密切的脑区。此处发现的脑电α1功率谱差异,与上述fMRI结果之间的相关性,值得进一步深入研究。β波反映了人脑的警觉状态,即大脑皮层神经元处于紧张活动状态,是皮层兴奋的表现。3种音乐均显著降低了β波功率值,提示音乐使大脑更为放松,其中“致爱丽丝”的变化最显著,而“后来”最小。不同音乐在顶区和额区的激活模式存在差异。此外,3种音乐都不同程度地降低了θ波功率值,其中“致爱丽丝”作用显著,而莫扎特音乐与“后来”未达显著。研究显示悲伤情绪下θ和β波功率比愉快时要高,如在悲伤音乐下,颞区θ波活动较听愉快音乐时要高;负性情绪与正性情绪相比,颞叶的β波活动更激烈;在听悲伤音乐时β活动比在听高兴音乐时高;舒缓音乐使整个大脑皮层的θ波都降低,而烦躁紧张音乐却使θ波增高。实验结果表明,所选音乐均能消除紧张和烦躁、诱发正性情绪,且古典音乐“致爱丽丝”的作用最为显著,莫扎特音乐对θ和β波功率谱并未产生独特的作用模式。此外,δ波通常出现于正常成人的慢波睡眠中,在认知加工中的生理意义不明显。前人研究表明,在音乐诱发EEG实验中,δ波变化不显著,但此处发现莫扎特音乐和“致爱丽丝”均显著降低了δ波功率谱。且3种音乐降低颞区δ波功率的程度最大,可能也反映了音乐对颞叶的激活作用。脑电功率谱与重心频率数据都显示,不同音乐类型与性别之间的交互作用显著。如图4中,Oz导联的平均脑电功率谱图清晰显示,男性在听不同音乐时枕叶中线位置的脑电功率谱差异显著,而女性差异不显著。听音乐时,男性重心频率变化的幅度大于女性;且男性GF对“致爱丽丝”反应最大,而女性GF对莫扎特音乐反应最大。两性脑电重心频率变化的差异,可能反映了男性脑对音乐的反应更加强烈。类似地,Websters等使用EEG观测了男、女性在音乐调式和速度上的情绪感受程度,也发现男性高于女性。有研究者还探究了造成两性在音乐加工方面存在差异的可能神经解剖因素:如Walter认为雌激素会阻碍女性胼胝体发育,使髓鞘生成受阻,因此男性胼胝体的平行纤维数目较女性更多,胼胝体的纤维结合更紧密,任务加工信息更容易传递。也许正是由于男性胼胝体膝部包含的髓鞘化纤维数目更多或髓鞘较厚,参与音乐信息加工的神经元被激活得更多,所以导致男性EEG重心频率的变化程度更大。莫扎特音乐对脑电功率谱的影响也存在性别差异,它显著降低了女性α1和α2频段的功率,却显著升高了男性α2频段功率,对男性α1频段则几乎无影响。实验中发现的这种莫扎特音乐对不同性别α波高、低频段功率谱影响的差异,尚未见于报道。鉴于莫扎特音乐的EEG研究被试大都为西方人,是否中国文化背景导致的性别差异影响了这一脑电加工模式,尚有待进一步验证和深入研究。此外,音乐对于脑电α总功率谱的影响也存在性别差异,女性在听莫扎特音乐时的α总功率显著高于男性,而男性在听“致爱丽丝”时α总功率显著高于女性。虽然女性的β波功率都高于男性,但这一差异在听莫扎特音乐时最大,且显著高于“致爱丽丝”。音乐对θ和δ波功率的影响则未见性别差异。总之,本实验证实了不同性别被试在加工莫扎特音乐与其它不同类型音乐时存在脑电模式上的差异。莫扎特音乐效应在脑区分布上差异明显:脑电重心频率从后脑向前脑逐渐降低,枕区GF最高,为α2节律主导,而顶叶和颞叶居中为α1节律主导,额叶最低,以θ节律主导。这与袁全等发现的“在音乐状态下,前部脑区脑电能量在θ频段更占优势”的结果相一致。此外,在α总、α1和α2波频