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“我和我的祖国……”—清华研究团队揭示音乐回忆的大脑动态过程 2019.10.12


文章转载自公众号   BrainQuake大脑激荡 , 作者 丁悦 洪波

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刚刚经历了国庆70周年的热烈氛围,你的脑海中是不是还飘荡着“我和我的祖国”的旋律?脑子里满是一首歌的旋律,口中不时会不由自主地哼唱出来,仿佛一直挥之不去,这种现象被称为“耳朵虫”(earworm),通常专指歌曲或音乐作品的某个片段不由自主地反复在脑海里出现。这种现象的专业名称是“不自主的音乐想象”——Involuntary Music Imagery。

近日清华大学脑与智能实验室王小勤教授和医学院生物医学工程系洪波教授实验室在神经科学杂志(Journal of Neuroscience)在线发表论文(“Neural Correlates of Music Listening and Recall in the Human Brain”)。研究者给受试者播放熟悉音乐的前半句,受试者能够轻松回忆后半句,就像上面漫画中的情景。“我和我的祖国”乐句想起的时候,你的脑中不由自主地会跟上“一刻也不能分割……”。研究团队观察研究了人类大脑如何处理和表征一段熟悉的音乐,发现倾听和回忆音乐的大脑皮层活动在时空分布上呈现相反的轨迹(Ding et al., 2019)。

理解大脑如何分析、储存和检索音乐仍然是神经科学中最具挑战性的问题之一。之前的影像学研究发现音乐想象回忆过程会激活包括听觉皮层、额叶皮层、感觉运动区等在内的多个脑区,具体位置与音乐倾听过程激活的脑区存在重叠,也有各自特有的激活区(图1)。音乐语言等听觉处理相较于静态图像的处理,最大区别就在于时间动态性,但是对于这些脑区中的神经活动在音乐倾听和回忆过程中如何随着时间动态展开,人们知之甚少,而且传统的功能磁共振方法也无法跟踪这样的动态过程。团队通过和清华玉泉医院、301医院神经外科的临床合作,利用手术前神经电生理监护的难得机会,以毫秒级的时间分辨率记录到了人脑在倾听和回忆熟悉音乐时的大脑皮层表面神经活动。

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图1  音乐倾听和回忆涉及重叠及各自独有的脑区(Herholz et al., 2012)

在这项临床研究中,将要进行癫痫病灶切除手术的病人大脑表面放置了用于电生理监护的电极,他们在倾听和回忆熟悉音乐时,可以直接记录到大脑皮层表面的电活动。为了便于受试者进行音乐回忆,研究人员选择了大家耳熟能详的纯音乐,并让受试者在实验前对音乐的熟悉度进行评分。音乐包括“致爱丽丝”、“婚礼进行曲”以及新闻联播主题曲等。通过分析从人脑直接获得的神经信号,研究人员观察到与音乐倾听和回忆相关的脑区先后动态激活。虽然在倾听和回忆这两个过程中脑区之间存在重叠,但音乐信息在这两个过程中沿相反的方向传播。在倾听过程中,从颞叶及缘上回的听觉感觉区开始,到额叶区域;而在回忆过程中,则是从额叶到颞叶听觉区流动。研究者将音乐倾听和回忆的动态过程分为启动阶段(0-500毫秒)和持续阶段(500毫秒以后)。在启动阶段,音乐倾听在大脑两侧半球都有脑区激活,而音乐回忆仅激活右侧大脑的部分脑区。通过对比右侧大脑在音乐倾听和回忆过程中均被激活的脑区活动,研究者发现倾听和回忆音乐过程中的大脑活动时空顺序竟然完全相反(图2)。

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图2  音乐倾听和回忆的时序过程相反,额叶在音乐回忆中先启动

在音乐启动500毫米之后的持续阶段,研究人员发现额叶和颞叶的高频神经活动(60-140Hz)的能量在音乐倾听和回忆的过程中,都动态地跟随音乐强度的变化。在音乐倾听过程中,神经响应对音乐强度包络的跟随在右侧听觉皮层达到最高,而且时间延迟接近于0;而额叶神经信号对音乐强度跟随较弱,且有时间延迟较大(图3)。与启动阶段的规律类似,音乐回忆过程中,额叶神经活动对音乐强度的跟随较好,而且延时小于颞叶神经响应,再次表明了音乐倾听和回忆过程中神经活动相反的时空顺序。

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图3  倾听音乐时(上图),颞叶听觉脑区神经活动(蓝线)对音乐强度的跟随更好,延时更小;回忆音乐时(下图),额叶脑区神经活动(红线)对音乐强度的跟随更好,延时更小。

此外研究还为音乐相关认知过程的神经响应存在右偏侧现象提供了新的证据。音乐倾听时,右侧大脑激活的脑区更多、响应更强,对音乐强度包络的跟随性更好;音乐回忆时,启动阶段仅右侧大脑跟随,持续阶段右侧大脑激活的脑区更多,且右侧大脑对想象中音乐强度包络的跟随更精确。

本研究揭示了大脑回忆熟悉音乐的动态过程,特别是前额叶在回忆中的主导作用。进一步的问题是,“耳朵虫”Earworm究竟住在人脑哪里?即这些熟悉的音乐旋律在大脑什么地方存储,是怎样的形式存储和提取的呢?未来的研究可以对这些问题进行更深入的观察和探究(Cotter 2019)。

该研究被美国神经科学学会Society of Neuroscience选做媒体推广,并被评为Journal of Neuroscience期刊9月最热门文章之一。清华大学脑与智能实验室王小勤教授和生物医学工程系洪波教授为本文的共同通讯作者,丁悦博士为第一作者。该研究得到国家自然科学基金和科技部的资助。

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Watching Music Move Through the Brain

BY SOCIETY FORNEUROSCIENCE SEPTEMBER 9, 2019
https://scitechdaily.com/watching-music-move-through-the-brain/

Scientists have observed how the human brain represents a familiar piece of music, according to research published in JNeurosci. Their results suggest that listening to and remembering music involve different cognitive processes.

Previous research has pinpointed areas of the brain - primarily on the right side — that are activated by music. However, less is known about how activity in these regions unfolds over time.

In a new study of male and female epilepsy patients, Ding et al. recorded electrical activity directly from the surface of the brain as participants listened to well-known pieces of music, including Beethoven’s “Für Elise” and Richard Wagner’s “Wedding March.” A network of overlapping brain regions was associated with the act of listening to the music and continuing the melody in one’s head. The researchers found that musical information traveled in opposite directions during these processes, flowing from sensory to frontal regions during listening and from frontal to sensory regions during recall.

参考文献

Herholz S, Halpern A, Zatorre R. “Neuronal correlates of perception, imagery, and memoryfor familiar tunes.” Journal of Cognitive Neuroscience  (2012): 1–16.

Yue Ding, Yang Zhang, Wenjing Zhou, Zhipei Ling, Juan Huang, Bo Hong and Xiaoqin Wang. “Neural Correlates of Music Listening andRecall in the Human Brain”, Journal of Neuroscience (2019): 1468-18.

Cotter KN. Mental Control in Musical Imagery: A Dual Component Model. Frontiers in Psychology. (2019)10:1904.

Journal ofNeuroscience期刊9月最热文章:
https://www.jneurosci.org/content/featured-research#most_discussed

SciTechDaily新闻报道:
https://scitechdaily.com/watching-music-move-through-the-brain/