楊 華 侯昌月 盧 競 羅 程 堯德中*

1(電子科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610054)2(四川音樂學(xué)院作曲系，成都 610021)

作曲家大腦的靜息態(tài)腦功能網(wǎng)絡(luò)研究

楊 華1,2侯昌月1盧 競1羅 程1堯德中1*

1(電子科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610054)2(四川音樂學(xué)院作曲系，成都 610021)

音樂家大腦是認(rèn)識(shí)大腦可塑性機(jī)制的天然模型，也是腦影像科學(xué)關(guān)注的重點(diǎn)研究對(duì)象之一。但是，目前針對(duì)音樂家的研究，包括對(duì)音樂創(chuàng)作方面的腦機(jī)制研究，仍以鋼琴演奏家為主要研究對(duì)象。鑒于創(chuàng)作與表演是兩個(gè)不同階段且存在巨大差異，僅以鋼琴演奏家作為研究對(duì)象對(duì)音樂家腦機(jī)制的研究是不完整的。專業(yè)作曲家是一類特殊的音樂家，他們經(jīng)歷過長期的音樂訓(xùn)練，能夠在創(chuàng)造性思維的引領(lǐng)下，結(jié)合情感等要素來進(jìn)行音樂素材的組織。用功能磁共振(fMRI)采集29名作曲家在作曲任務(wù)前后的大腦靜息態(tài)影像，利用獨(dú)立成分分析方法分離出其腦功能網(wǎng)絡(luò)中常見的13個(gè)成分。采用配對(duì)t檢驗(yàn)，對(duì)比分析作曲前后這些成分的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在完成作曲任務(wù)后，以下腦功能網(wǎng)絡(luò)連接顯著減弱,包括聽覺網(wǎng)絡(luò)(AN)與右側(cè)額頂網(wǎng)絡(luò)(RFPN)、感覺運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)(SMN)與突顯網(wǎng)絡(luò)(SN)；同時(shí)也發(fā)現(xiàn)在完成作曲任務(wù)后，以下腦功能網(wǎng)絡(luò)連接顯著增強(qiáng)，包括自我參照網(wǎng)絡(luò)(SRN)與視覺I區(qū)網(wǎng)絡(luò)(VN1)、自我參照網(wǎng)絡(luò)(SRN)與視覺II區(qū)網(wǎng)絡(luò)(VN2)、默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)(DMN)與視覺I區(qū)網(wǎng)絡(luò)(VN1)。這些結(jié)果證明，感覺、認(rèn)知加工等與視覺區(qū)域的協(xié)調(diào)整合在作曲過程中的重要性，對(duì)推動(dòng)音樂家大腦可塑性的認(rèn)識(shí)和音樂創(chuàng)作的腦機(jī)制研究均十分有意義。

作曲家；靜息態(tài)；功能磁共振(fMRI)；腦網(wǎng)絡(luò)

引言

音樂的出現(xiàn)非常早，通常被認(rèn)為是一種僅限于人類文化的精致藝術(shù)形式[1-2]。在過去的幾十年里，科學(xué)家們不斷探索音樂與人類活動(dòng)的關(guān)系，尤其是與神經(jīng)活動(dòng)之間的關(guān)系[3-5]。在現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)與信息科學(xué)的背景下，音樂腦機(jī)制的研究已被納入神經(jīng)科學(xué)的范疇，在1996年出版的音樂心理學(xué)手冊(cè)(第2版)中已出現(xiàn)了關(guān)于神經(jīng)音樂學(xué)的章節(jié)[6]。因此，借助現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)與信息科學(xué)手段，探討音樂對(duì)神經(jīng)活動(dòng)的影響，對(duì)于“了解腦、保護(hù)腦、開發(fā)腦”具有深刻的科學(xué)意義。從研究的人群來說，音樂家是研究音樂與神經(jīng)活動(dòng)關(guān)系的熱門被試，而目前相關(guān)研究中，基本又以鋼琴家為主要研究對(duì)象。鋼琴家，其本質(zhì)為演奏家，他們要先理解已有的音樂作品，然后再表達(dá)出來；而相比之下，另一特殊音樂家群體——作曲家則是直接創(chuàng)作音樂作品。因此，從人與音樂的關(guān)系來說，作曲家與演奏家分別經(jīng)歷著創(chuàng)作與演奏兩個(gè)不同的階段[7]。然而，目前對(duì)作曲家的研究較少，對(duì)作曲家研究的音樂家腦機(jī)制研究是不完整的，尤其要研究音樂創(chuàng)作這一重要音樂活動(dòng)，作曲家才是最佳研究對(duì)象。

大腦是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，其在形態(tài)結(jié)構(gòu)差和功能活動(dòng)等方面均能因?qū)W習(xí)、腦發(fā)育及病變等內(nèi)部因素和外部環(huán)境的變化而發(fā)生重構(gòu)，這被稱為腦的可塑性[8]。從大腦可塑性的研究內(nèi)容來看，分為結(jié)構(gòu)和功能可塑性兩部分?，F(xiàn)有對(duì)音樂家大腦結(jié)構(gòu)可塑性的研究，主要集中在演奏家。在進(jìn)行音樂訓(xùn)練的時(shí)候，需要他們通過控制手指的運(yùn)動(dòng)來演奏，并聆聽演奏的音樂，形成一個(gè)反饋系統(tǒng)[9]。因此，對(duì)其腦的結(jié)構(gòu)可塑性研究便主要集中在腦的聽覺皮層和運(yùn)動(dòng)皮層這兩個(gè)區(qū)域。Schlaug等召集了30名音樂家與30名非音樂家開展了fMRI的對(duì)比研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)音樂家大腦的左側(cè)聽覺皮層的顳平面面積較非音樂家相比明顯增大[10]。該研究說明，顳上回是主要參與音樂認(rèn)知加工過程的腦區(qū)，和非音樂家的對(duì)比說明了音樂家的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由于長期的音樂訓(xùn)練而發(fā)生了可塑性變化。之后，Pantev和Koelsch等從不同群體對(duì)單音、和弦的聽覺加工差異進(jìn)一步證實(shí)了音樂訓(xùn)練對(duì)聽覺皮層可塑性的影響[11-12]。在音樂的學(xué)習(xí)中，尤其是樂器演奏的訓(xùn)練中，運(yùn)動(dòng)功能是必不可少的，因此大腦運(yùn)動(dòng)皮層的可塑性也受到了研究者的關(guān)注。Schwenkreis等用fMRI比較了小提琴家與非音樂家的腦活動(dòng)，結(jié)果顯示，小提琴家演奏時(shí)頻繁活動(dòng)的左手對(duì)應(yīng)的大腦右側(cè)初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層和初級(jí)感覺運(yùn)動(dòng)皮層激活區(qū)域明顯大于對(duì)側(cè)，而非音樂家則不存在該差別[13]。Amunts等用鋼琴家與普通人對(duì)照進(jìn)行了研究，以位于運(yùn)動(dòng)皮層的中央前回內(nèi)溝(intrasulcal length of the precentral gyrus, ILPG)的長度作為參考指標(biāo)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鋼琴家右側(cè)ILPG要明顯長于普通人，表明了鋼琴家需要更多使用非優(yōu)勢手左手并激活其對(duì)應(yīng)的右半球運(yùn)動(dòng)皮層[14]。這些研究都說明了長期的高強(qiáng)度訓(xùn)練，使得音樂家大腦的運(yùn)動(dòng)皮層得到了很大發(fā)展。彌散張量成像(diffusion tensor imaging, DTI)技術(shù)出現(xiàn)后，許多腦機(jī)制研究都開始關(guān)注腦的細(xì)微結(jié)構(gòu)改變。2014年，Li等利用DTI技術(shù)，探索了鋼琴家大腦的白質(zhì)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)音樂家在運(yùn)動(dòng)、視覺以及語言表達(dá)等功能腦區(qū)具有比非音樂家人群更顯著的網(wǎng)絡(luò)連接，且運(yùn)動(dòng)相關(guān)腦區(qū)的中心節(jié)點(diǎn)重要性也顯著增大，這說明音樂家大腦中與音樂訓(xùn)練有關(guān)的局部白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)具有更高的信息傳輸效率[15]，這為音樂家的腦結(jié)構(gòu)可塑性研究補(bǔ)充了有力證據(jù)。

對(duì)音樂演奏家腦的功能可塑性研究仍然集中在聽覺皮層和運(yùn)動(dòng)皮層。2006年，Bangert等設(shè)計(jì)了“聽音-按鍵”探測范式來研究了7名鋼琴家的聽覺和運(yùn)動(dòng)皮層，結(jié)果顯示，鋼琴家無論在聽音時(shí)還是在按鍵時(shí)，其聽覺-感覺運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)連接均得到增強(qiáng)，而非音樂家則沒有此變化，說明音樂家的聽覺和運(yùn)動(dòng)功能具有整合性[16]。2007年，Baumann等對(duì)鋼琴家的聽覺與運(yùn)動(dòng)皮層網(wǎng)絡(luò)整合進(jìn)行了深入研究，相比Bangert的實(shí)驗(yàn)，他們進(jìn)一步觀察到了鋼琴家對(duì)側(cè)皮層的激活，即聆聽音樂時(shí)(沒有動(dòng)作)運(yùn)動(dòng)皮層的激活增強(qiáng)，演奏鋼琴時(shí)(沒有音樂)聽覺皮層的激活增強(qiáng)，進(jìn)而說明了音樂家經(jīng)過長期訓(xùn)練，形成了一個(gè)聽覺與運(yùn)動(dòng)皮層協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)[17]。

基于上述結(jié)果，可以認(rèn)為，作曲家作為具有音樂創(chuàng)作技能的音樂家，無論其腦結(jié)構(gòu)還是腦功能必定有其獨(dú)特之處，而這可能就是作曲家所特有的大腦可塑性變化。

靜息態(tài)是一種大腦不執(zhí)行具體認(rèn)知任務(wù)，保持安靜和放松的狀態(tài)，也是大腦各種狀態(tài)中最基本的狀態(tài)[18]。目前對(duì)靜息態(tài)功能網(wǎng)絡(luò)的研究常用的手段是fMRI，其具有高空間分辨率，并能得到靜息態(tài)功能連接與結(jié)構(gòu)連接之間密切聯(lián)系。因此，本課題主要針對(duì)作曲家的靜息態(tài)功能網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了研究，旨在找到一些跟音樂創(chuàng)作相關(guān)的腦機(jī)制，進(jìn)一步推動(dòng)對(duì)音樂家大腦可塑性的認(rèn)識(shí)。

1 材料和方法

在四川音樂學(xué)院召集了29名作曲專業(yè)被試，平均年齡21歲，其中女性15人。所有被試均接受過多年音樂訓(xùn)練和至少3年以上的作曲專業(yè)訓(xùn)練，無任何神經(jīng)系統(tǒng)病史。本項(xiàng)目所有實(shí)驗(yàn)均按照電子科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院倫理委員會(huì)要求進(jìn)行，受試者簽署知情同意書。

fMRI數(shù)據(jù)采集在電子科技大學(xué)磁共振成像研究中心進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，先采集了被試的睜眼靜息態(tài)fMRI，即在掃描過程中讓被試盯住屏幕中的十字，保持靜止和放松狀態(tài)。靜息態(tài)fMRI采集采用快速梯度回波(EPI)序列，重復(fù)時(shí)間(TR)=2 000 ms，回波時(shí)間(TE)=30 ms，掃描野(FOV)=24 cm×24 cm，翻轉(zhuǎn)角(flip angle)=90°，矩陣(matrix)=64×64，層厚(slice thickness)=4 mm，全腦無間距掃描35層，掃描時(shí)間為510 s。

靜息態(tài)掃描結(jié)束后，讓被試進(jìn)行作曲任務(wù)態(tài)掃描。在本掃描階段中，被試根據(jù)屏幕中的提示進(jìn)行想象作曲，該階段掃描參數(shù)同靜息態(tài)，掃描時(shí)間為16 min。之后，再次采集了被試的睜眼靜息態(tài)fMRI數(shù)據(jù)，掃描參數(shù)與掃描時(shí)間均與之前的相同。

在采集到兩次靜息態(tài)fMRI數(shù)據(jù)后，采用獨(dú)立成分分析(independent component analysis, ICA)方法[19]對(duì)作曲任務(wù)態(tài)前后靜息態(tài)腦功能網(wǎng)絡(luò)中的成分進(jìn)行了分離，挑選了其中常見的13個(gè)網(wǎng)絡(luò)成分，即聽覺網(wǎng)絡(luò)(auditory network, AN)、小腦網(wǎng)絡(luò)(cerebellar network, cere)、自我參照網(wǎng)絡(luò)(self-referential network, SRN)、中央執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)(central executive network, CEN)、默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)(default mode network, DMN)、視覺II區(qū)網(wǎng)絡(luò)(visual network II, VN2)、背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)(dorsal attention network, DAN)、右側(cè)額頂網(wǎng)絡(luò)(right lateral frontoparietal network, RFPN)、感覺運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)(sensorimotor network, SMN)、突顯網(wǎng)絡(luò)(salience network, SN)、基底節(jié)網(wǎng)絡(luò)(Basal ganglia network, BGN)、視覺I區(qū)網(wǎng)絡(luò)(visual network I, VN1)、左側(cè)額頂網(wǎng)絡(luò)(left lateral frontoparietal network, LFPN)，之后采用配對(duì)t檢驗(yàn)進(jìn)行了作曲任務(wù)前后的對(duì)比分析。

2 結(jié)果

通過對(duì)比作曲任務(wù)態(tài)前后的靜息態(tài)腦功能網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)，在完成作曲任務(wù)后，相比完成任務(wù)前的靜息態(tài)，以下腦功能網(wǎng)絡(luò)的連接顯著減弱：聽覺網(wǎng)絡(luò)(AN)與右側(cè)額頂網(wǎng)絡(luò)(RFPN)、感覺運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)(SMN)與突顯網(wǎng)絡(luò)(SN)；與此同時(shí)，以下網(wǎng)絡(luò)的功能連接在完成作曲任務(wù)后顯著增強(qiáng)：自我參照網(wǎng)絡(luò)(SRN)與視覺I區(qū)網(wǎng)絡(luò)(VN1)、自我參照網(wǎng)絡(luò)(SRN)與視覺II區(qū)網(wǎng)絡(luò)(VN2)、默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)(DMN)與視覺I區(qū)網(wǎng)絡(luò)(VN1)。

3 討論

從上面的結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，作曲家的靜息態(tài)腦功能網(wǎng)絡(luò)連接研究是可行的；而通過對(duì)比作曲任務(wù)前后的靜息態(tài)功能網(wǎng)絡(luò)，可以比較直接反映出其靜息態(tài)腦功能網(wǎng)絡(luò)變化，從而體現(xiàn)了作曲任務(wù)對(duì)作曲家大腦的可塑性影響。

聽覺網(wǎng)絡(luò)(AN)與右側(cè)額頂網(wǎng)絡(luò)(RFPN)連接減弱，感覺運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)(SMN)與突顯網(wǎng)絡(luò)(SN)連接減弱。右側(cè)額頂網(wǎng)絡(luò)在任務(wù)過程中具有定向和執(zhí)行的功能[20]。聽覺網(wǎng)絡(luò)與其功能連接在作曲任務(wù)后減弱，可能是由于本實(shí)驗(yàn)中的作曲任務(wù)為視覺作曲，沒有涉及聽覺任務(wù)，更多的認(rèn)知資源被視覺網(wǎng)絡(luò)占用。突顯網(wǎng)絡(luò)通常情況下在任務(wù)中負(fù)責(zé)識(shí)別相關(guān)的刺激從而指導(dǎo)行為[21]。感覺運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與其功能連接在作曲任務(wù)后減弱，說明作曲的過程可能并不需要過多的運(yùn)動(dòng)功能參與。相比之前對(duì)音樂家(主要是演奏家)的腦機(jī)制研究過多關(guān)注運(yùn)動(dòng)功能，該結(jié)果是對(duì)音樂家腦機(jī)制研究的又一補(bǔ)充，同時(shí)也證實(shí)了對(duì)作曲家腦機(jī)制研究的必要性。

圖1 作曲家靜息態(tài)腦功能網(wǎng)絡(luò)中常見的13個(gè)成分在作曲前后的連接強(qiáng)度變化(標(biāo)尺中的數(shù)值大小與強(qiáng)度變化成正比，數(shù)字為配對(duì)t檢驗(yàn)的t值，p<0.05)Fig.1 The variation of connectivity intensity between before and after the composing tasks shown by the common 13 components in the resting state functional brain network (The figures which stand for the t-value of the t-paired tests with p<0.05 are in direct ratio to the connectivity intensity)

自我參照網(wǎng)絡(luò)(SRN)與視覺I區(qū)和II區(qū)網(wǎng)絡(luò)(VN1, VN2)連接增強(qiáng)，默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)(DMN)與視覺I區(qū)網(wǎng)絡(luò)(VN1)連接增強(qiáng)。自我參照網(wǎng)絡(luò)是靜息態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的重要成分，是一種從上向下的方式作用于靜息態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的其他網(wǎng)絡(luò)，從而調(diào)節(jié)感覺與認(rèn)知加工。在作曲任務(wù)后，自我參照網(wǎng)絡(luò)與視覺網(wǎng)絡(luò)VN1、VN2的連接增強(qiáng)，說明感覺、認(rèn)知加工等與視覺區(qū)域的協(xié)調(diào)在作曲過程中十分重要[22]。而DMN網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)外信息的整合上有重要作用[23]，其與視覺網(wǎng)絡(luò)VN1的連接增強(qiáng)也顯示了在作曲過程中視覺信息整合的重要性。

當(dāng)然，僅通過比較作曲前后的靜息態(tài)腦功能網(wǎng)絡(luò)來研究音樂創(chuàng)作腦機(jī)制是不夠的，后續(xù)將通過采集作曲任務(wù)態(tài)的fMRI數(shù)據(jù)和作曲相關(guān)的行為數(shù)據(jù)來開展進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

綜上所述，通過作曲家靜息態(tài)腦功能網(wǎng)絡(luò)的研究，發(fā)現(xiàn)了感覺、認(rèn)知加工等與視覺區(qū)域的協(xié)調(diào)整合在作曲過程中的重要性，這對(duì)推動(dòng)音樂家大腦可塑性的認(rèn)識(shí)和音樂創(chuàng)作的腦機(jī)制研究都十分有意義。

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Functional Brain Network Study on Resting State of Composers

Yang Hua1,2Hou Changyue1Lu Jing1Luo Cheng1Yao Dezhong1*

1(SchoolofLifeScienceandTechnology,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,Chengdu610054,China)2(DepartmentofComposition,SichuanConservatoryofMusic,Chengdu610021,China)

composer; resting state; functional magnetic resonance imaging(fMRI); brain network

10.3969/j.issn.0258-8021. 2016. 05.014

2016-02-09， 錄用日期:2016-03-17

國家自然科學(xué)基金(91232725,81330032)

R318

D

0258-8021(2016) 05-0612-04

# 中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)會(huì)員(Member, Chinese Society of Biomedical Engineering)

*通信作者(Corresponding author)， E-mail: dyao@uestc.edu.cn