fMRI 映射与协和音程及不协和音程发声相关的脑活动

摘要

聆听协和音程与不协和音程的神经相关机制已被广泛研究，但与产生协和及不协和音程相关的神经机制尚不明确。本文结合行为测试与功能性磁共振成像（fMRI），并通过音程识别和歌唱任务来描述这些机制。

摘要

和谐与不和谐感知的神经相关机制已被广泛研究，但其产生过程的神经相关机制却鲜有研究。音乐产生的最直接方式是歌唱，但从成像角度来看，歌唱比听音更具挑战性，因为它涉及运动活动。准确演唱音程需要听觉反馈处理与发声运动控制之间的整合，以正确发出每一个音符。本方案提出了一种方法，可用于监测与演唱和谐及不和谐音程相关的神经激活。实验采用四个音乐音程作为刺激材料，其中两个为和谐音程，两个为不和谐音程，分别用于听觉辨别测试以及“先聆听后模仿演唱”任务。所有受试者均为音乐学院水平的女性声乐学生，在执行歌唱任务时接受功能磁共振成像（fMRI）扫描，而聆听任务作为对照条件。通过该方式，可同时观察运动系统与听觉系统的神经活动，并获取歌唱任务中发声准确性的量化指标。因此，该方案也可用于追踪与演唱不同类型音程或更准确地演唱指定音符相关的神经激活。结果表明，与演唱和谐音程相比，演唱不和谐音程需要听觉系统与感觉运动系统外部反馈整合相关的神经机制参与程度更高。

引言

某些音高的组合通常被认为是协和的，通常会带来愉悦的感觉。而其他组合则通常被称为不协和，会引发不愉快或未解决的感觉¹。尽管可以合理地假设文化熏陶和训练在协和感的感知中起到一定作用²，但最近的研究表明，人们对协和与不协和音程及和弦的感知差异可能并不像过去认为的那样依赖于音乐文化³，甚至可能源于简单的生物学基础^4,5,6。为了防止对“协和”一词产生歧义，Terhardt⁷提出了“感官协和”的概念，以区别于音乐语境中的协和——例如，在音乐语境中，和声等因素可能会影响人们对特定和弦或音程的反应。在本实验方案中，仅使用了孤立的双音音程 ，目的正是为了单独提取仅与感官协和相关的神经激活，避免受到依赖上下文加工过程的干扰⁸。

从纯物理角度对协和感进行表征的尝试始于亥姆霍兹（Helmholtz）⁹，他将不协和和弦所引发的听觉粗糙感归因于相邻频率成分之间的拍频现象。然而，近期研究表明，感觉上的协和性不仅与缺乏粗糙感有关....

方案

本方案已获得墨西哥“费德里科·戈麦斯”儿童医院研究、伦理与安全委员会的批准。

1. 行为学预测试

1. 进行标准的纯音测听，以确认所有潜在受试者的听力正常（在250至8,000 Hz的倍频程频率范围内，听阈≤20 dB 听力级（HL））。使用爱丁堡利手量表³¹ 确保所有参与者均为右利手。
2. 生成间隔序列。
   1. 使用音频编辑程序生成纯音，频率范围覆盖两个八度，从G4到G6。
      注意：此处介绍的是免费开源的音频编辑软件 Audacity。也可使用其他软件包实现此目的。
      1. 对每个音调，在音频编辑软件中新建一个项目。
      2. 在“生成”菜单下，选择“音调”。在弹出的窗口中，选择正弦波形、振幅为 0.8、持续时间为 1 s。输入与所需音符对应的频率值（例如， 440 赫兹（A4）。点击“确定”按钮。
      3. 在“文件”菜单下，选择“导出音频”。在打开的窗口中，输入音频文件的所需名称，并选择WAV作为目标文件类型。点击“保存”。
   2. 根据选择两个协和音程和两个不协和音程 表1，使得每个协和音程都接近于一个不协和音程。
      注意：以纯五度和八度这两个协和音程，以及增四度（三全音）....

结果

我们实验中的所有11名参与者均为音乐学院水平的女性声乐学生，她们在音程识别任务中表现良好，因而被选中进行扫描。音程识别任务的成功率为65.72 ±21.67%，正如预期，该数值低于识别不协和音程与协和音程的成功率（74.82 ±14.15%）。

为了验证本研究的基本设计，我们希望在已知构成“歌唱网络”的脑区中识别出歌唱时的神经活动，这些脑区已在多项先前研究中被定义^{25,26,27,28,29,30,31<.......}

讨论

本研究描述了一种利用歌唱来研究产生协和与不协和音程时大脑活动的实验方案。尽管歌唱可能是产生音乐音程的最简单方法²²，但它无法产生和弦。然而，尽管大多数关于协和性概念的物理表征在一定程度上依赖于同时发声音符的叠加，已有大量研究表明，由对应于协和或不协和和弦的音符构成的音程，仍分别被感知为协和或不协和^4,6,15,41,42。

在参与者进入扫描环节之前，需通过行为时间间隔感知任务来确定其是否能够充分区分不同时间间隔，以确保其在磁共振设备内能够良好地完成任务。任何在执行这些识别任务时无法达到预设阈值的参与者，均不应进入功能磁共振成像实验。该筛选过程的主要目的是确保参与者之间的表现差异并非源于感知能力的不足。入选的参与者.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Achieva 1.5-T 磁共振成像仪	Philips	Release 6.4
Audacity	开源软件	2.0.5
音频接口	Tascam	US-144MKII
听力计	Brüel & Kjaer	Type 1800
E-Prime 专业版	Psychology Software Tools, Inc.	2.0.0.74
Matlab	Mathworks	R2014A
磁共振兼容插入式耳机	Sensimetrics	S14
Praat	开源软件	5.4.12
专业电容话筒	Shure	SM93
SPSS 统计软件	IBM	20
统计参数映射软件	Wellcome Trust 神经影像中心	8