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方法文章

揭示节拍失聪：通过同步手指敲击与感知计时任务检测节奏障碍 同步手指敲击，感知计时任务，节拍感知，节奏障碍，听觉-运动同步，节拍失聪，神经认知评估，音乐认知，时间感知，运动协调

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DOI：

10.3791/51761

⸱

2015年3月16日

 , 
1Movement to Health Laboratory (EuroMov), University of Montpellier, 2Institut Universitaire de France, 3Department of Cognitive Psychology, University of Finance and Management in Warsaw, 4International Laboratory for Brain, Music, and Sound Research (BRAMS)

本文内容

勘误通知

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摘要

用于评估普通人群感知与感觉运动时序能力的行为任务即， 非音乐家）的实验结果。通过手指敲击与听觉刺激节拍的同步性以及对节奏不规则性的检测，可为揭示节奏障碍提供一种方法。

摘要

用于评估普通人群感知与感觉运动时序能力的一套行为任务即， 非音乐家）在此被呈现，旨在揭示节奏障碍（如节拍失聪）。节拍失聪的特征是对听觉节奏模式中时长的感知能力较差，或在将身体运动与听觉节奏同步方面表现不佳。例如， 包括手指敲击与简单和复杂听觉刺激节拍的同步，以及检测同一刺激中嵌入的节奏不规则性（非等时性检测任务）。这些易于实施的测试涵盖了不同条件下对感知和感觉运动计时能力的评估。例如， 节拍速率和听觉材料类型）均基于相同的听觉刺激，从简单的节拍器到复杂的音乐片段不等。同步敲击数据的分析采用圆形统计学方法，可提供可靠的同步准确性度量例如， 敲击时间与节律刺激时间之间的差异）以及一致性。针对敲击数据的圆形统计学分析特别适用于检测普通人群中的个体差异。同步敲击与非等时性检测是识别节奏障碍特征的敏感指标，已成功用于发现感知计时功能保留但同步能力较差的案例。这种对感知和感觉运动计时能力的系统性评估可拓展应用于脑损伤患者及神经退行性疾病人群（例如， 帕金森病）和发育障碍（例如， 注意缺陷多动障碍

引言

人类在处理环境中发生事件的持续时间方面具有极高的效率1。特别是感知音乐节拍或时钟规律滴答声的能力，以及随之运动的能力（例如，在舞蹈或同步化体育活动中），在普通人群中十分普遍（即，未接受过音乐训练的个体）2,3。这些能力依赖于一个复杂的神经网络，涉及大脑皮层区域（例如，前运动皮层和辅助运动区）以及皮层下结构，如基底神经节和小脑4-7。

该网络的破坏以及由此导致的时间信息处理能力下降，可能由脑损伤8-10或神经元退行性变引起，这在帕金森病患者中已有观察报道11。然而，即使在没有脑损伤的健康个体中，也可能出现对时间间隔感知能力差以及与音乐节拍同步困难的现象。尽管大多数人能够感知听觉节奏并使动作与节拍同步（例如，在音乐中），但仍存在显著的例外情况。一些个体在将身体运动或手指敲击与音乐节拍同步方面存在严重困难，并表现出节拍感知障碍，难以区分音符时长不同的旋律。这种状况被称为“节拍失聪”或“节奏障碍”2,12-14。例如，最近一项研究13描述了节拍失聪的案例，报道了一位名为Mathieu的患者。Mathieu在跟随节奏性歌曲（例如，一首梅伦格舞曲）的节拍进行弹跳时表现得极不准确。虽然他对简单的等时序列声音（例如，节拍器）仍能实现同步，但同步能力明显受损。蒙特利尔失乐感评估量表（MBEA）15结果显示，这种同步能力差与节拍感知障碍相关。在另一项任务中，研究人员要求Mathieu将舞者的动作与音乐匹配；有趣的是，Mathieu的音高感知能力并未受损。

在音高感知正常但节奏感知能力较差的节律失聪个体中，后续研究观察到了较差的节奏感知和同步能力2,12,14，从而提供了有力证据，表明节奏障碍可以独立存在。因此，节律失聪不同于典型的先天性乐感缺失（即音盲），后者是一种影响音高感知与产出的神经发育障碍16-19。有趣的是，在先天性乐感缺失中，节奏感知和产出能力的下降也可能伴随音高处理能力的下降12,16,20。然而，这种情况下的节奏感知障碍依赖于个体对音高变化的感知能力。当旋律中的音高变化被去除后，先天性乐感缺失者能够成功区分节奏差异21。

在节拍失聪方面已观察到重要的个体差异；这一事实值得特别关注。大多数情况下，节奏感知和与音乐节拍同步的能力均存在缺陷2,12-14；然而，即使节奏感知正常，也可能出现同步能力差的情况2。这种在时序领域中感知与动作之间的分离现象，已通过多种节奏性听觉刺激（例如，节拍器和音乐）下的同步敲击任务，以及不同的节奏感知任务（例如，基于音符时长差异的旋律辨别，以及检测节奏序列中等时性偏差的能力）得以证实。这一发现尤为重要，因为它提示了时序机制中感知与动作可能存在分离，这与先前在音高处理中观察到的现象类似17,22-25。进一步的分离现象还取决于刺激的复杂程度2。大多数同步能力较差者仅在处理复杂刺激（例如，音乐或由音乐衍生的振幅调制噪声）时表现出选择性困难，而在简单等时序列中仍能实现准确且稳定的同步；而另一些同步能力较差者则表现出相反的模式。总之，这些结果一致表明，在普通人群中存在多种时序障碍的表型（正如在音乐加工的其他领域如音高处理中所观察到的那样25,26），需要一组敏感的任务才能有效检测。明确节奏障碍的模式对于揭示时序系统中具体受损的机制具有重要意义。

本文所展示方法的目标是提供一系列可用于发现普通人群中节律感知障碍案例并识别不同类型时序障碍（例如，影响感知性与感觉运动时序，或特定类型的节奏性刺激）的任务。感觉运动时序能力的研究主要通过使用听觉材料的指尖敲击任务进行。受试者被要求将食指敲击与听觉刺激同步，例如与时间上等间距排列的音调序列或音乐同步（即，在同步或节拍引导的敲击任务中27-29）。另一种广为使用的范式是同步-延续范式（synchronization-continuation paradigm）29-32，该范式要求受试者在节拍器声音停止后继续以先前节拍器提供的速率进行敲击。节奏感知则通过多种任务进行研究，包括时长辨别、时长估计、时长二分法（即，将时长与“短”和“长”的标准进行比较）、非等时性检测（即，判断等时序列中是否存在异常的时间间隔）以及节拍对齐任务（即，判断叠加在音乐上的节拍器是否与音乐节拍对齐）1,2,20,33,34。大多数研究集中于时间感知、节拍产生或感觉运动时序能力，并且这些能力通常被独立测试。然而，这些不同的任务可能反映的是部分不同的能力（例如，基于时间间隔的时序vs.基于节拍的时序，感知性vs.感觉运动性时序），并不一定反映相同的时序机制及其相关的神经回路功能。通过使用近年来提出的一系列同时评估感知性和感觉运动性时序能力的综合测试组合，可以避免这一问题。这些测试组合使研究人员能够全面评估个体的时序能力。此类测试组合的示例包括节拍对齐测试（beat alignment test, BAT）34、听觉感觉运动时序能力评估组合（Battery for the Assessment of Auditory Sensorimotor Timing Abilities, BAASTA）35以及哈佛节拍评估测试（Harvard Beat Assessment Test, H-BAT）36。这些测试组合包含多种节奏性听觉刺激（从音乐到等时序列）下的敲击任务，以及感知性任务（例如，时长辨别、判断节拍器与音乐节拍是否对齐、非等时性检测）。在所有情况下，感知任务和感觉运动任务均使用相同的一组音乐片段。

本文介绍了一系列在揭示节奏障碍个体（如节拍失聪者和同步能力较差者）的节奏异常模式方面特别有效的任务，这些任务已在先前的研究中得到验证2。这些任务属于一个更全面的测试组合——BAASTA35的一部分。通过要求参与者用手指跟随简单和复杂听觉刺激（例如，等时序列、音乐以及从音乐刺激中提取的节奏性噪声）的节拍进行敲击，来评估其感觉运动计时能力27,28。感知性计时能力则通过非等时性检测任务进行测试2,20,33,37。实验中呈现一组等时音调序列，在某些情况下，其中一个音调（例如，倒数第二个音调）会比根据听觉序列的等时结构所预期的时间提前或延迟出现。参与者需检测出偏离等时性的变化。这些感觉运动与节奏感知任务的优势在于，它们均涉及刺激序列（而非单一持续时间）以及不同复杂程度的刺激。因此，基于已有证据，这些任务为揭示节拍失聪和同步能力差的不同表型提供了最佳条件。本文尤其关注同步数据的分析技术。该技术基于圆形统计学方法，特别适用于分析节拍同步过程中的不准确性和不一致性。

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方案

1. 同步任务

  1. 仪器准备：
    1. 通过标准 MIDI 接口将常规 MIDI 打击乐器连接到计算机。
      注意：数据采集通过MIDI电子打击乐器实现。该设备可捕捉运动同步任务中手指敲击的精确时间。
    2. 打开用于刺激呈现和反应记录的专用软件。
      注意：同步任务采用标准软件实现，用于呈现音频材料并记录来自数字MIDI乐器（精度为1毫秒）的数据。
  2. 声音材料与实验步骤：
    1. 在软件界面中，从三种可选刺激中选择用于同步任务的节律刺激：等时序列、音乐，以及从音乐刺激的波形包络提取得到的振幅调制噪声。
      注意：等时序列由96个等时间隔呈现的音调组成（持续时间 = 30毫秒）。音乐刺激为计算机生成的钢琴版本，选自约翰·施特劳斯《拉德茨基进行曲》（作品228）片段，包含96个节拍（节拍 = 四分音符）。三种刺激材料的节选片段已提供作为 附加材料 对此稿件。
    2. 根据软件界面提示，为所选的节律刺激选择适当的节奏（450、600 或 750 毫秒的刺激 onset 间期（IOI）/节拍间期（IBI））。确保通过耳机传递的刺激音量适中、舒适。
    3. 让受试者坐在安静的房间内，面对计算机显示器。
    4. 要求受试者使用其惯用手的食指，在听到等时序音调或更复杂的刺激（如音乐或噪音）的节拍时，同步敲击MIDI打击乐器。指导受试者在与节拍刺激保持同步的同时，尽可能以恒定速率敲击，不得改变敲击频率。
    5. 开始刺激呈现并记录敲击。
    6. 在呈现最后一个音调或音乐节拍后，停止记录敲击。
  3. 数据分析：
    注意：使用圆形统计学方法分析同步敲击任务的数据38,39该方法特别适用于同步性数据的分析40,41此外，圆形统计对个体在时间把握能力上的差异具有敏感性，因此能够揭示同步效果较差的情况2,40. 下述分析流程使用Matlab软件（采用CircStat工具箱）实现39).
    1. 将 taps 相对于节律刺激的时间转换为单位圆上的角度（0–360°），具体步骤依据 Berens 所述方法进行390°（等于360°）对应于起搏刺激发生的时间即， 声音或音乐节拍）。使用以下公式计算每次敲击时间对应的角度：[角度（弧度） = 2 × π × （轻敲时间 / IOI）。将弧度转换为角度： circ_rad2ang 功能39.
    2. 将敲击试验中获得的角度数据以单位圆上的点分布形式绘出。使用以下方法进行绘制： circ_plot 功能39. 将弧度制的角度作为函数参数以显示图像（参见示例） 图1).
    3. 每次敲击试验中，利用圆周上的角度（圆上的点）计算平均结果向量 R 38,39,42 （参见 图1）。使用 circ_mean39 和 circ_r39 功能，分别用于计算同步的准确性和一致性。
    4. 计算同步精度（即， 在同步敲击试验中，参与者敲击与起搏刺激之间的时间平均偏差（即平均相位角） θ 载体的 R. 使用 circ_mean 功能39以弧度为单位提供函数的参数角度。
    5. 将敲击数据提交至瑞利检验43 使用该方法评估圆周上各点的分布是否随机 circ_rtest 功能39. 将弧度制的角度作为函数的参数提供。
      注意：在瑞利检验中，拒绝零假设（即， 圆形均匀性，即圆周上随机分布的点）如果该 R 向量长度足够大（例如， 大于 0.4），表明参与者相对于节律刺激的 tapping 相位关系高于随机概率。仅当 Rayleigh 检验具有显著性时即， 当圆周上点的分布并非随机时，可准确解读同步精度。
    6. 计算同步一致性（即， 敲击时间与节拍刺激之间差异的变异性，对应于该向量的长度 R （从 0 到 1）。使用 circ_r 功能39以弧度为单位提供函数的参数角度。
      注意：当所有敲击均恰好发生在节律刺激之前或之后的相同时间间隔时，一致性为1；当敲击在圆周上随机分布时，一致性为0。
  4. 个体结果评估：
    注意：将参与者的表现在规范群体或对照组中进行比较，以发现同步准确性差或一致性差的情况。为进行此比较，需运行校正后的 t测试44 在……中实施 singlims 计算机程序http://homepages.abdn.ac.uk/j.crawford/pages/dept/SingleCaseMethodsComputerPrograms.htm).
    1. 打开 singlims 计算机程序。输入同步准确性的均值和标准差，以及常模组或对照组的样本量。提供待与常模组或对照组进行比较的参与者的同步准确性。点击“Compute”按钮以获得校正后的结果 t测试。
      注意：当双尾校正概率显示，该受试者的表现显著差于常模组或对照组时 t检验结果低于 0.05。
    2. 输入规范组或对照组的同步一致性均值、标准差及样本量。提供待与规范组或对照组进行比较的参与者的同步一致性数值。

2. 节奏感知任务（非等时性检测）

  1. 仪器准备：
    1. 打开用于实施非同步性检测任务的计算机程序。确保计算机键盘的按键已正确设置，以记录参与者的回答。
      注意：节奏感知任务使用标准的行为实验软件来实施（即， 刺激呈现与行为反应记录
  2. 声音材料与实验步骤：
    1. 根据软件界面提示选择刺激类型（同步刺激或音乐）。选择所选刺激的适当速度（450、600 或 750 毫秒 IOI/IBI）。确保通过耳机以舒适的音量水平呈现刺激。
      注意：刺激材料基于同步任务中使用的相同听觉材料。每个刺激仅包含8个等时呈现的音调或音乐节拍，而非96个。每种刺激类型均包括“变化”版本（占试验的50%，n = 24）和“无变化”版本（占试验的50%，n = 24）。在“变化”刺激中，倒数第二个声音或音乐节拍的出现时间较前序刺激间间隔（IOI）/节拍间间隔（IBI）所预期的时间提前或延后8%、12%或16%。在“无变化”刺激中，所有刺激间间隔（IOIs）/节拍间间隔（IBIs）完全等时。
    2. 指导受试者坐在安静的房间内，面对计算机显示器，聆听刺激声音，然后在刺激呈现结束后判断刺激或节拍之间的时间间隔是否发生变化（即， 是否存在非等时性（anisochrony）。鼓励参与者注意整个序列。
    3. 开始刺激呈现。要求参与者通过按计算机键盘上的两个按键之一来做出反应即， 在刺激呈现后，按“变化”键或“无变化”键进行反应。
  3. 数据分析：
    注意：通过计算区分度指数来分析节奏感知任务中获得的数据（d’在每次变化水平（IOI/IBI 的 8%、12%、16%）及每个 IOI/IBI 条件下。越高 d’ 值越大，对各向异时性的敏感度越高。
    1. 考虑每位参与者对某一特定刺激的反应（n = 48），该反应由用于运行行为实验的软件在输出文件中记录。统计参与者正确检测出刺激中存在非等时性（anisochrony）的反应次数。计算“击中率”（Hits rate）即， 命中次数 / 次数 改变 刺激。
    2. 统计参与者报告刺激或节律间隔发生改变但实际上并无变化的次数。计算虚报（False-Alarm, FA）率。即， FAs 数量 / 无变化刺激数量
    3. 计算 z命中率和虚报率的得分，使用 norminv Matlab 函数（z 分数 = norminv（命中率或误报率）。减去 z- 从假阳性率（FA rate）得出的分数 z获得命中率的分数 d’.
  4. 个体结果评估：
    注意：将参与者的表现在规范群体或对照组中进行比较，以发现节奏感知能力较差的案例。关于同步任务的结果，进行校正分析 t-使用以下方法进行测试 singlims 计算机程序
    1. 打开 singlims 计算机程序。输入均值和标准差 d’ 以及常模组或对照组的样本量。提供 d’ 用于与常模组或对照组进行比较的受试者的数值。
      注意：当双尾概率经校正后，该参与者的表现显著差于常模组或对照组。 t-检验的 p 值低于 0.05。

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结果

上述任务已成功用于表征无音乐训练个体的节拍感知能力2,34-36。在一项近期关于节拍感知障碍的代表性研究中2，研究人员使用两种简单的同步任务对99名非音乐专业人员（大学生）进行了筛选。参与者需在自选速度下（刺激间时间间隔/节拍间隔为600毫秒）将手指敲击与等时序列和音乐片段进行同步。其中10名参与者在至少一种刺激条件下的同步表现明显较差，被归类为“同步能力差者”。这些参与者的同步准确性偏离筛选组平均值超过2个标准差，同步一致性低于组平均值2个标准差。研究人员将他们与另外23名对照参与者进行比较，后者是从在初筛任务中未表现出同步困难的学生中随机选出的。同步能力差者与对照组均接受了本文所述的同步任务和节奏感知任务的全面测试。各任务及刺激的呈现顺序在参与者之间进行了平衡设计。

在同步任务中收集的敲击时间序列用于计算节奏同步能力较差者与对照组在不同节拍刺激以及不同刺激间间隔（IOI/IBI）条件下的同步准确性和一致性。其准确性和一致性的平均结果分别如图2和图3所示。这些数据表明，...

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讨论

本方法的目的是提供一系列任务和分析策略，用于表征大多数个体的时序能力，并检测节拍感知障碍或同步能力较差的个体。该实验方案的关键步骤包括：1）设置用于呈现刺激、采集手指敲击数据及受试者反应的仪器；2）通过两组任务（同步任务和节奏感知任务）进行数据采集；3）使用圆形统计学方法分析同步数据和节奏感知数据；4）对个体结果进行评估。这些步骤可由经过培训的实验人员轻松完成。数据分析通过Matlab软件实现，依据本方案中描述的步骤进行。正确解读同步结果需要具备圆形统计学的基础知识。

与现有文献中的方法相比，本方法具有若干优势1,27,46。首先，该方法通过涉及感知与动作的任务，并使用可比较的刺激材料来检验时间处理能力。在以往大多数研究中，感觉运动同步与持续时间感知通常采用多种不同任务分别独立地进行研究1,27。然而，已有迹象表明，在脑损伤患者8或节律失聪个体2中，时间信息处理中的感知与动作可能存在分离现象，这一点在音高处理中已有先例17,22-25。因此，使用一组能够揭示此类分离现象的任...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本研究得到了欧洲委员会授予 SDB 的国际回归资助（编号 14847）以及波兰国家科学中心授予 JS 的资助（决定编号 Dec-2011/01/N/HS6/04092）的支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
MatlabMathworks用于数值计算、可视化和编程的高级语言与交互式环境
MAX MSPCycling '74用于从MIDI控制的接口采集数据以及呈现刺激的软件
PresentationNeurobehavioral Systems用于开展实验心理学研究的软件，支持精确计时的刺激呈现及行为反应采集
Roland HPD-10Roland手控打击垫（MIDI乐器）
EDIROL FA-66Roland将MIDI乐器连接至计算机的MIDI接口

参考文献

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Formal Correction: Erratum: Uncovering Beat Deafness: Detecting Rhythm Disorders with Synchronized Finger Tapping and Perceptual Timing Tasks
Posted by JoVE Editors on 9/01/2016. Citeable Link.

A correction to the Acknowledgements section was made in: Uncovering Beat Deafness: Detecting Rhythm Disorders with Synchronized Finger Tapping and Perceptual Timing Tasks.

The Acknowledgements section has been updated from:

This research was supported by an International Reintegration Grant (n. 14847) from the European Commission to SDB and a grant from Polish Ministry for Science and Education to JS.

to:

This research was supported by an International Reintegration Grant (n. 14847) from the European Commission to SDB, and by a grant from Polish Narodowe Centrum Nauki (decision No. Dec-2011/01/N/HS6/04092) to JS.

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揭示节拍失聪：通过同步手指敲击与感知计时任务检测节奏障碍 同步手指敲击，感知计时任务，节拍感知，节奏障碍，听觉-运动同步，节拍失聪，神经认知评估，音乐认知，时间感知，运动协调
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