音调对音乐情绪反应影响的脑电功能连接研究_华汪纯.pdf

第 卷 第 期 年 月北京生物医学工程 .作者单位：上海大学通信与信息工程学院（上海）上海大学生命科学学院（上海）上海大学国际教育学院（上海）通信作者：李颖洁。：音调对音乐情绪反应影响的脑电功能连接研究华汪纯 连海鹏 李颖洁，摘 要 目的 探究在倾听不同情绪属性的音乐时音调的变化对大脑功能连通性的影响，以期揭示音调对音乐情绪反应影响的神经机制。方法 首先选取能分别诱发出积极情绪和消极情绪的音乐并制作其升调和降调版本，然后采集 名健康大学生（男、女各 名）听不同版本音乐时的 通道头皮脑电数据，最后分成、和 四个频段计算衡量不同电极间功能连接强弱的指标加权相位滞后指数（，），分析不同条件下脑功能连通性的差异。结果 听消极音乐时，降调版本与原版相比在 频段下的功能连接显著增强。听积极音乐时，在 和 频段下，与原版相比升高音调显著增强了功能连接，而降低音调显著减弱了功能连接。结论 降低消极音乐的音调使得大脑低频功能连接增加，产生了更放松的音乐体验，表现为效价评分升高；音调的改变会导致听情绪音乐时的大脑功能连通性主要在 和 频段发生变化，表明受试者的音乐感知受到影响，从而导致行为学评分改变。关键词 脑电功能连接；情绪；音乐；音调；神经机制：.中图分类号.文献标志码 文章编号（）本文著录格式 华汪纯，连海鹏，李颖洁 基于脑电功能连接研究音调对音乐情绪反应的影响北京生物医学工程，（）：，（）：，；，；，：（：.）【】，（），（），【】；引言音乐被认为是诱发情绪的最强刺激物，它作为一种情绪调节的媒介，可以辅助传统治疗方法，对人体的焦虑水平、心率和血压有积极的影响。音乐治疗联合心理治疗，在统计学意义上可显著改善抑郁症状。但是由于生理机制不明，音乐治疗还面临着效果不可控、缺乏客观指标等问题。研究发现，音乐的物理特征，如音乐强度、模式、音调、节奏和结构的变化都会对情绪反应产生影响。例如，音调的变化能够显著影响听众的情绪反应，改变音乐节奏会影响积极情绪。进一步地，音乐引起的情绪变化能在人体的生理系统中清楚地反映出来，但是音乐特征的改变如何影响神经活动尚不明晰。探讨不同特征的音乐诱发情绪反应的神经机制，能够为音乐应用于情绪调节和治疗提供一定的理论依据。脑电图（，）是一种对人脑功能状态的毫秒级变化高度敏感的非侵入性技术。已有研究通过分析脑电特征来探究音乐特征对情绪反应的影响，。例如，等发现相较于快和慢节奏的音乐，正常的音乐节奏对于减少消极情绪最为有效，并且右额叶区域 活动显著减弱。等使用自我报告和脑电功率不对称性研究了音乐模式和节奏对音乐情绪反应的组合相互作用，发现在不同音乐模式下，速度的增加会以不同的方式调节情绪。之前的一项研究使用去趋势波动分析来探究音乐特征对情绪加工的影响，同样发现音调能够改变听众的情绪感受并引起 和 频段上明显的大脑偏侧化现象。同时，音乐情绪认知还需要多个大脑区域的功能协调与交流才能完成。大脑功能连接分析可以从全局上揭开多个脑区之间的协同工作机制，有助于探究不同认知任务下大脑的工作原理和认知规律。基于脑电图的功能连接分析已在音乐认知的相关研究中得到广泛应用，研究表明听音乐能够增加大脑的功能连接，并且听不同情绪属性的音乐会影响不同脑区间的功能连接。然而，目前还没有研究报道音乐的音调特征与大脑功能连接之间的关系。综合过去的研究，本文提出如下的研究假设：音调的升高与降低均会导致大脑功能连接发生改变，但是在倾听积极和消极音乐时，功能连接的变化可能会呈现不同的模式。加权相位滞后指数（，）是一种基于相位的功能连接方法，能够避免脑电的容积传导效应，同时具有较高的灵敏度。先前的研究发现音调的改变会显著影响听众的情绪反应，本研究在之前实验结果的基础上，基于脑电信号的 来探究在倾听不同情绪属性的音乐时，音调的升高或降低是否会使大脑功能连通性在一些特定频段上产生不同的变化模式。实验方法.受试者信息从上海大学招募 名在校大学生，其中男性 人，女性 人，年龄为（.）岁，受教育年限为（.）岁，均为右利手，视力正常或矫正正常，无精神或神经类疾病史。所有受试者都填写完成了焦虑自评量表（，）和抑郁自评量表（，），评分为.，评分为.，评分均在正常范围内。受试者在实验开始前均签署了知情同意书。本实验通过了上海市临床医药伦理委员会的批准，并遵从赫尔辛基宣言。北京生物医学工程 第 卷.实验流程选取两首容易诱发消极情绪以及一首容易诱发积极情绪的音乐，由于只考虑音乐本身对受试者情绪的影响，因此选取的乐曲都是纯音乐钢琴曲。所有的音乐经软件处理后得到加速、减速、升调和降调四种变化版本，每首音乐选取 的片段。实验在一个封闭无声音干扰的房间内进行。每名受试者需要完成 的任务，每天的任务分为 个试次进行，每个试次受试者随机聆听一首音乐的原版与其对应的变化版，即每天共需要聆听 首乐曲。在每个试次开始前屏幕中央会呈现提示语，以告知受试者进行何种任务。之后为了尽可能减少眼动带来的干扰以及平复受试者的情绪，会先在屏幕中央呈现一个符号“”持续 ，同时出现水滴音效，接着播放 的音乐片段。音乐结束后，受试者需对该音乐片段进行效价和唤醒度评分。受试者打分结束后有 的休息时间，接着继续倾听变化版乐曲，流程与倾听原版乐曲一致。变化版结束后再次休息 后进入下一个试次，个试次完成后当天的实验结束。.数据采集与预处理受试者在倾听音乐的同时进行脑电数据的采集，采集设备为 导 检测仪（，美国），符合 国际标准，参考电极放置在右侧乳突。实验开始前，电极帽上每个导联的阻抗均通过涂抹导电膏的方式降至 以下。采集过程中采样率为 ，同时用陷波滤波去除 的工频干扰。数据采集完毕后，整个预处理过程使用软件（，美国）的工具箱 完成，处理过程如下：首先以左右乳突的均值作为参考电极的值，对所有导联的数据进行重参考；再进行低通滤波至；滤波之后使用独立主成分分析法去除眼电伪迹并进行基线校正；得到干净的数据后再次进行带通滤波，得到（）、（）、（）和（）四个频段的数据；最后对每个频段的数据进行 分段，并选择音乐开始 后的前 段数据用于后续的功能连接分析。此外，为了保证听积极音乐和听消极音乐的数据段数一致，随机选择了两首消极音乐其中一首音乐的数据段。基于之前的实验结果，音调的改变显著影响了受试者的情绪反应。因此将原版设置为对照组，与原版对应的升调版 降调版设置为实验组，分别分析听积极音乐和听消极音乐时四个频段下的大脑功能连通性变化。.功能连接分析本文参照 等的方法采用 来测量脑电信号之间的依赖或相关程度并进行功能连接分析。相位滞后指数是基于相位的功能连接方法，可以用来测量两个通道信号的相位同步程度，而 在检测真实相位同步时提高了灵敏度，计算公式为：（）（）式中：为两个信号的交叉谱；为交叉谱的虚数 分 量；是 符 号 函 数 符 号。通 过 的大小来对（）加权，并用 的期望对（）进行归一化。的取值范围为，值越大表示两个信号之间的相位同步程度越强。对每一个受试者的每个频段上的数据，通过计算所有导联对（，）之间的 值得到在每一个分段上的功能连接张量，其中 为导联数目，为分段数。使用 分解法将张量 的 维度进行合并，以获得加权分段后的连接矩阵。分解是高阶奇异值分解的一种形式。它将一个三维张量 分解成一个核张量与每一维矩阵的乘积：（）（）（）（）式中：是核心张量；（）导联 方向、（）导联 方向和（）时间 方向是与三种模方向对应的左奇异向量的酉矩阵；（）的第一个奇异向量（，）与最大的奇异值相关联，并捕获了在时间上最重要的贡献。因此，（，）可被用来进行加权合并：（，）（，）（）式中：为加权分段后的连接矩阵。然后，对所有受试者构建一个 的张量，其中 为受试者数目，采用同样的方式对 维度进行合并，以获得加权受试者后的连接矩阵，定义为加权连接矩阵。该 矩阵捕获了所有分段时间窗口和所有受试者中的最高能量，可以用作跨所有分段和受试者的功能连通性的一般表示。得到 矩阵后，再通过替代数据分析以及置换检验计算得到第 期 华汪纯，等：音调对音乐情绪反应影响的脑电功能连接研究只包含显著连接的阈值连通性矩阵，这是通过只保留 中统计学上显著的 值来实现的。首先，对所有导联对（，），使用相位随机法生成导联 原始数据的替代数据，再计算导联 和替代 之间的 值，进而得到加权后的 矩阵。重复以上过程 次，得到的 个 矩阵构成了 值的随机分布。根据随机分布直方图，判断导联对（，）之间真实的 值在统计上是否显著。如果.，则认为该值显著并保留其 值，而不显著的 值置为，最终得到 矩阵。.统计检验 矩阵用于比较 个频段的不同脑区间连接模式的组间差异。参考 等的研究进行电极选择：额区（、和）、颞区（和）、顶区（和）和枕区（和），所选电极位置见图 中红色标注。分别对短连接、长连接以及半球间连接这三种模式下 矩阵中连接对的 值使用 秩和检验进行组间比较，区域内的电极对认为是短距离连接，而 四个区域间的电极对认为是远距离连接，半球间的连接分为左半球 右半球、左半球 右半球 以及一个半球另一半球 。对 矩阵使用生成替代数据加置换检验的方法重复 次得到 矩阵。矩阵用于绘制功能连接大脑地形图，连线表示 个区域中存在的显著功能连接对，值的大小代表了连接的强弱。所有统计方法的显著性水平.。图 电极位置 结果.区域间连通性的组间差异听消极音乐时区域间连接的结果见表。与原版相比，升调版仅在 频段下长连接的连通性减弱，即更小的 值（.），但降调版与原版之间表现出较大的差异。在 频段音调的降低均增强了短连接（.）、长连接（.）、（.）、（.）以及 （.）的连通性，而在另外三个频段，降调版与原版相比连通性有所减弱。其中在 频段，长连接（.）和（.）的连通性减弱；在 频段，长连接（.）、（.）和 （.）的连通性减弱；在 频段，仅有长连接（.）的连通性减弱。表 听消极音乐时区域间连通性的组间差异 消极音乐升调原版短连接长连接 降调原版短连接 长连接 注：表中 .，.，.，.，.；代表变调版大于原版，代表变调版小于原版。听积极音乐时区域间连接的结果见表。与原版相比，升调版与降调版在 和 频段表现出相反的连通性变化。升高音调导致了连通性的增强，在 频段短连接（.）、长连接（.）、（.）和 （.）具有显著差异，在 频段短连接（.）、长连接（.）、（.）和 （.）具有显著差异。降低音调北京生物医学工程 第 卷表 听积极音乐时区域间连通性的组间差异 积极音乐升调原版短连接 长连接 降调原版短连接长连接 注：表中 .，.，.，.，.，.；代表变调版大于原版，代表变调版小于原版。导致了连通性的减弱，在 频段短连接、长连接、和 均具有显著差异且.，在 频段短连接（.）、长连接（.）、（.）和 （.）具有显著差异。此外，在 频段降调版与原版相比短连接的连通性有所增强（.）。.功能连接地形图图 描述了听消极音乐和听积极音乐时原版和变调版在 个频段中观察到的大脑功能连接的地形图。连线表示具有统计学意义的通道对连接（.），其中红线代表变调版的 值超过了原版，蓝线表示变调版的 值低于原版。对比 个频段发现，不论是听消极音乐还是听积极音乐，连线代表显著的连接对，红线表示变调版大于原版，蓝线表示变调版小于原版图 听消极音乐和积极音乐时大脑功能连接地形图 第 期 华汪纯，等：音调对音乐情绪反应影响的脑电功能连接研究 和 频段的连接线更加密集，而 和 频段的连接线较为稀疏，表明听音乐时 和 频段具有更多的功能连接。听消极音乐时，观察到 频段下的红线明显多于蓝线，表明降低音调能够增强听消极音乐 频段的功能连接。听积极音乐时，在 和 频段升调版与原版相比具有相对较强的功能连接（红线多于蓝线），而降调版的功能连接相对减弱（蓝线多于红线）。尤其是在 频段，降调版所有显著通道连接对的 值均低于原版。讨论大脑对音乐的情绪认知活动涉及多个脑区间的协调工作，音乐音调特征的变化会改变听众的情绪反应。在本研究中，通过分析听消极和积极音乐时脑电的大脑功能连接（加权矩阵 和阈值矩阵），来探究音调改变对不同情绪反应的脑功能连接的影响。区域间功能连接分析的结果（表 和表）显示对于消极音乐和积极音乐，音调的改变会导致不同的连接模式变化。对于消极音乐，升高音调不会对大脑各个区域间的连通性造成太大改变，而降低音调使得 频段下额区、颞区、顶区和枕区间的连通性均显著增强。朱嘉诚和李颖洁的研究结果显示，降低音调显著降低了受试者对消极音乐的负性情绪感受。研究表明，低频振荡的增加与放松体验和脑抑制有关，放松音乐的舒缓体验会引起强烈的认知抑制。这说明受试者在倾听降调版消极音乐时与原版相比更加放松，大脑认知受到抑制，降低了负性情绪感受，同时增强了 频段下脑区间的功能连通性。此外，听降调版消极音乐时、和 频段下长连接的连通性减弱，这表明各个脑区间长距离的功能交互受到抑制。有研究指出，放松状态下大脑中缓慢振荡提供的长距离连接有助于记忆中的联想连接。音调的降低可能减少了受试者在倾听消极音乐时对记忆中负性场景的联想，从而降低了负性情绪感受。对于积极音乐，升高和降低音调均改变了 和 频段下额区、颞区、顶区和枕区间的连通性，并呈现出相反的变化模式。与原版相比，升调版的区域间连通性增强，而降调版的连通性减弱。唤醒度评分的结果显示，升高和降低音调均显著增加了受试者对积极音乐的情绪感受强度。脑电的 活动反映了注意力需求，活动反映情绪和认知过程，并且 频段已被证明是音乐感知的主要频段。这说明在倾听积极音乐时，大脑对音乐情绪的感知活动更加活跃。同时，音调的改变可能会影响受试者的注意力。观察大脑功能连接地形图（图）发现，和 频段的通道对连线（显著连接对）相对 和 频段更加密集。已有许多研究表明，音乐状态下的大脑功能网络具有整体的高度连通性，。在本实验中，无论听消极音乐还是听积极音乐都主要影响了 和 频段下大脑整体的功能连通性，这可能与受试者年龄、条件和方法等控制变量有关。对于消极音乐，只在 频段观察到降调版与原版相比红线明显多于蓝线，这同样表明受试者在倾听降调版消极音乐时大脑认知受到抑制，增强了大脑的功能连通性。对于积极音乐，观察到 和 频段下红线与蓝线具有明显的数目差异，表明升高音调增加了大脑的功能连通性，而降低音调降低了大脑的功能连通性。尤其是在 频段，观察表 和图 可发现，降低音调不仅使得各个脑区间的功能连通性均显著减弱（.），并且明显减小了显著功能连接对的值（均为蓝线）。一般来说，健康大脑即使是在休息状态下也可能会参与一些任务的处理，导致脑功能网络稀疏，而音乐的舒缓作用会导致连接模式的整体增加，因为大脑中的扩散活动会导致更多节点的参与。这说明升高积极音乐的音调能够带来更强的舒缓作用，而降低音调则减弱了原版的放松效果，使得听众的注意力更加集中，频段的活动受到明显影响。结论本研究通过脑电功能连接分析，发现在听不同情绪属性的音乐时，音调的改变会对大脑的功能连接造成不同的影响。听消极音乐时，音调的降低能够增强 频段下的功能连接。听积极音乐时，音调的升高能够增强 和 频段下的功能连接，而音调的降低则减弱了 和 频段下的功能连接。未来可以增大样本量，对音调进行更多的划分，以探究音调的高低与功能连接的强弱之间是否具有某种关联。北京生物医学工程 第 卷参考文献 ，：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，（），：，：，：，（）：，（）：，（）：朱嘉诚，李颖洁 基于去趋势波动分析的不同特征音乐刺激下脑电特性 上海大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：，（）：，（）：，：，：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，：，：，（）：，（）：，（）：，：，（）：（收稿，修回）第 期 华汪纯，等：音调对音乐情绪反应影响的脑电功能连接研究