生物JC 有关音乐的训练对听力的改善
生物JC 有关音乐的训练对听力的改善
- Abstract
- 概念分析
- 音高（pitch）
- 音色（timbre）
- 节奏（timing）
- 引言（Introduction）
- Transfer effects（转移/迁移效应）
- 问题探究
- 结论
- 实验证据
- Discussion
- 大脑的选择性强化（selective enhancement in the brain）
- 结论
- 实验证据
- 大脑的对规律的反应（A brain wired to regularities）
- 结论
- 实验证据
- 研究结果
- 实际意义（practical implications）
- implications for education
- Discussion
- Method
- [1]FFR(频率跟随响应, frequency following response)
- [2]MMN(失匹配负波, mismatch negative)
Abstract
神经科学研究表明，音乐训练会导致整个听觉系统发生变化，从而使音乐家在音乐处理之外的听力挑战中发挥重要作用。音乐训练的这种效果表明，与体育锻炼及其对身体健康的影响相似，音乐是一种调节大脑听觉的资源。因此，音乐在塑造个人发展中的作用值得考虑。
概念分析
音高（pitch）
音高（Pitch），是指各种音调高低不同的声音，即音的高度，音的基本特征的一种。
声的本质是机械波，所以声速一定时，音的高低是由机械波的频率和波长决定的。频率高、波长短，则音"高"，反之，频率低、波长长，则音"低"。
音色（timbre）
音色指的是声音的质量（the quality of sound），这是声学信号中的频谱和时间特征产生的多维属性。
节奏（timing）
节奏是指声音中的特定标记（例如，声音的开始和淡出）
引言（Introduction）
因此，那些音乐家必须对这三个概念非常敏感与注意。现在有证据表明，有关音乐的训练会诱导大脑的改变。早期的研究调查了音乐训练如何启动大脑处理音乐声音，并考察了这种可塑性在处理音乐声音方面的特殊程度。这些研究揭示了音乐相关的训练诱导了听觉系统上功能和结构的改变。
例如相较于非音乐家，钢琴家对音符的反应在听觉皮层产生了更强的神经兴奋。并且神经兴奋的强度与钢琴家受到音乐训练的时常和开始的时间相关性很高。这表明，增强的功能可塑性反映了受到经验（训练时间）的影响，而不仅仅是音乐家和非音乐家之间的固有差异。
与非音乐家相比，音乐家的大脑结构也有所不同，在演奏乐器的重要区域，灰质体积更大。这些区域包括运动、听觉和视觉区域。此外，音乐能力与初级听觉皮层的体积以及该区域对正弦音调的神经生理学反应有关。此外，音乐家在听旋律的轮廓和音程信息时，听觉皮层和听觉脑干对音程信息的电生理反应增强。
值得注意的是，许多这些研究都使用相关数据来推断音乐家和非音乐家的大脑功能和结构差异是多年音乐经验的结果。 然而，因果关系不能从相关性分析中得出——差异可能反映出两组之间预先存在的遗传差异。为了解决这个问题，进行了纵向研究，将儿童随机分配到音乐训练中，然后随时间定期进行评估。与接受艺术训练的儿童相比，接受音乐训练的儿童对音乐刺激中细微音高变化的大脑反应增强。15个月的高强度音乐训练也已被证明能诱发初级听觉和初级运动区的结构变化。这些结构变化分别与听觉和运动技能的提高有关。综上所述，这些数据表明，音乐训练可以在我们的一生中引起大脑的功能和结构变化，这些变化可能会改善音乐处理。
Transfer effects（转移/迁移效应）
问题探究
音乐家脑的这种改变，是否只对特定的音乐处理有反应，还是说这种改变也会迁移到其它同样包含音高（pitch）、音色（timbre）、节奏（timing）的领域上。？
结论
音乐家通过多年训练获得的细粒度听觉技能会渗透到其他领域，如语音、语言、情感和听觉处理。因此，音乐训练提高了与音乐无关的听觉技能。
实验证据
音乐和语言在感知上是不同的，但在声学和认知层面上有许多共同点。
在物理的声音的层面上： 首先，它们都是声，所以都有音色和音高的概念；其次，音乐和语音都很注重节奏的把控，所以也都有节节奏（timing）的概念。
在感知层面： 音乐和语音加工都需要记忆能力，注意能力，以及将离散的声音元素整合为连贯的知觉流的能力。
在感知语音中的音高的变化时，音乐家的皮质和脑干表现出了更强的诱发电位。音乐家能够观察到音高轮廓中细微的区别，从而判断说话者说的是一个陈述句还是一个疑问句。作者提到，使用FFR的方法发现音乐家对陌生语言的音高轮廓表现出了更加忠实的脑干的表征。这些结果表明，音乐上对于音高模式的训练确实帮助音乐家在外语音高模式的加工上更具优势，其产生了迁移效应。
我们已经说明迁移效应是存在的，那么进一步探究迁移效应是否发生在脑干层面上？
研究这个问题时会多次使用FFR方法（frequency-following response）[1]。是一种脑电图信号，用于探索听觉系统如何编码声音在时间序列上的规律，这种信号因人的听觉功能的差异而异，其揭示了我们的大脑和身体受外部因素影响，也反映了其适应外界影响并与之同步的趋势。
脑干对语音的听觉反应保留了这段语音的物理属性，把从脑干记录下来的点反应作为声音文件播放时，听起来很像诱发该反应的刺激。右图显示了听觉脑干对音高，节奏，音色的重建，黑色线为刺激，红色线为大脑的反应。容易看出，刺激和大脑的反应高度重合。这些反应在脑干中产生，并被皮质结构通过离皮质的反馈路径影响。这一条反馈路径使得自上而下的皮质影响发生在听觉加工的早期。
研究者比较了音乐家和非音乐家在听到语音声时的大脑反应并发现，音乐训练导致了听觉加工的皮层下感觉回路的变化。具体表现为： 音乐家在脑干水平上表现出对音高线索的更加贴合的表征，以及对于语音音高轮廓的更好的编码。
在安静环境中，音乐家和非音乐家的脑干反应与语音刺激具有较好的相关性，而在嘈杂的环境中，音乐家的脑干反应更加忠实的表现了声音的特征。迁移效应在脑干层级也有所体现。
这些研究表明，经验促进了神经可塑性，声音的神经编码与音乐训练的时长呈现正相关关系。
Discussion
音乐训练对于其他认知能力的影响，也一直备受关注。有一些迹象表明，音乐训练可以提高认知能力，但是这种改善也可能是因为在音乐训练中涉及的认知努力而非音乐训练本身产生。因此这个问题还需要进一步研究。
大脑的选择性强化（selective enhancement in the brain）
结论
音乐训练的大脑可塑性并不是针对于所有音频信号特征的，而是针对于最突出的（“最有意义的”）
实验证据
研究人员通过对比音乐家和普通人对“婴儿哭声最具情感表达的一段、乐章的一个上音符、中文普通话高音轮廓中与全音符相匹配的部分”做出的反应，得到了“音乐家相比而言能够更有效地表示声音中最有意义、信息最丰富的元素”的结论。
对比了音乐家和普通人的大脑在处理不同频率声音信号（听到和弦时）的神经电位振幅（皮质下表征）差别。可以看到，蓝色圆圈描绘了频谱域中音乐家比普通人表现出更强反应的区域。音乐家的频谱增强仅见于上音符，而在西方音乐中，上音符常见于各种旋律。
对比了普通人和音乐家的大脑在处理婴儿哭声的不同部分的神经电位振幅区别。图中红线是音乐家的曲线，黑线是普通人的曲线。可以看到，在婴儿哭声的非“突出部分”，二者相差并不大。但是在“突出部分”，音乐家的神经电位振幅明显大于普通人。
同时，研究人员也观察到，音乐家在视觉信号处理上并没有表现出提升。由此，研究人员认为，音乐训练诱导出对特定音频信号处理能力的提升，而具体提升具有怎样特征的音频信号依赖于训练、练习策略和行为相关性。作者举了几个例子来说明这三种情况：例如，指挥家的空间音频处理能力会强于钢琴家、用“耳朵”学习的音乐家会比那些依赖于非听觉的策略的人展示出更好的音乐音频编码能力以及经常出现于西方音乐旋律中的上音符会在音乐家中唤起更强的神经反应等。
大脑的对规律的反应（A brain wired to regularities）
结论
大脑的适应性听觉系统何以抽取声音的规律来进行预测。
实验证据
这种在声音场景里抽取特征规律的能力支持着大脑分割语义化和非语义化片段的能力。作者举了个例子：人们能够在嘈杂环境中追踪朋友的声音——这种声音是可预测的规律。而这种抽取特征规律的能力是隐性的，无需意识的介入。之后，文章指出了这一能力的生理学原因：下皮质对规律刺激的提升。随后，文章回到了音乐家更强的听觉能力上——音乐家能够在复杂声音场景中识别出声音对象，提升了他们在环境中追踪规律（也就是前文提到的“熟悉的声音”）的能力。然后文章提出了音乐家对声音刺激的选择性提升的一种可能原因： 他们拥有更强的编码可预测的事件相关的感官流（在这个语境中指声音信号）的能力。更高级别的认知区域会评估这个声音信号中的承载信息的元素的相关性和可预测性，然后这些元素会以更高的准确性，通过皮质激素通路的反馈环路呈现给听觉系统。
在感知到听觉信号后，会进行声音选择性提升和特征识别，得到动态的但是稳定的声音呈现。
通过这种方式，信号中被认为是重要的部分会被提升，否则会被抑制。
介绍完了体征提取的理论部分后，文章再一次回到了音乐家和普通人抽取相关特征的能力差异。研究人员使用了失配消极性（MMN）[2]的方法来研究这一差异。这种失配消极性会发生于大脑探测到预测声音流中的差异时，例如：一个很少被呈现的单词出现在经常呈现的可预测的上下文里。这种失配消极性与人感知听觉信号的能力紧密相关——更强的失配消极性反映出更强的感知声音差别的能力。在理论介绍完后，文章指出：音乐家在面对音乐刺激、语义化片段的音调升降以及抽象声音特征时会有更强的失配消极性。
这便暗示了音乐训练会加强一个高效的自上而下的反馈系统。这个反馈系统会持续地、自动地参与到音频信号的特征抽取和稳定呈现中。与这个想法一致，研究人员使用了“耳声任务”的方法，揭示出音乐家的耳蜗传出机制比普通人强。
研究结果
积极地聆听音乐会促进这个适应性听觉系统的能力，而这一系统对于听觉能力的发展和每天听力任务的信息处理又是至关重要的。为随后的实际应用的讨论做铺垫。
实际意义（practical implications）
- 音乐家更能成功地将一种新语言的发音模式融入到单词中。
- 受过音乐训练的儿童对母语音高模式表现出更强的神经激活，他们的词汇量更大，阅读能力更强。
- 在嘈杂环境种音乐家表现出更好语音识别能力。
- 音乐家的工作记忆表现也较好（而且这种表现与在噪声中说话任务中的表现呈正相关）。
implications for education
- 音乐教育可以提升抗干扰能力，但无法替代针对有学习能力方面障碍的人的治疗方法，它可以辅佐传统干预方法，作为一种可以轻松愉快提高听力技能的方法。
- 学校开展的音乐训练的意义应该被重新评估，它可以提高学习能力和听力能力，还能作用于研究领域（例如学校开展的针对儿童的长期的专门的音乐训练也可以解决研究领域的异质和先天性问题）。
- 构成情感基础的神经回路是对音乐创造有积极作用的。
Discussion
1.音乐家在表演和训练时形式与方法具有多样性，这使得特定形式的音乐训练对大脑产生的影响很难被检验。（异质性问题）
2.是否接受长时间音乐训练本身可能收到先天遗传因素的影响，即拥有音乐天赋的人在初次接受训练时获得了更多的好处从而支持他们继续接受训练。（先天性问题）
3. 进一步的研究还应关注不同音乐训练方法的有效性(例如，强调听觉学习而不是视觉阅读的铃木方法)以及表现特征(例如，即兴与古典音乐的对比，器乐与声乐的学习，独奏与小组学习)，以确定音乐训练对大脑可塑性的影响。
Method
[1]FFR(频率跟随响应, frequency following response)
FFR(frequency following response)
频率跟随响应（FFR）是通过同步光和声音产生的效果。这就是大脑如何“同步”光灯、节拍和音调。当你的大脑跟随频率时，你会感觉到更少的内心杂乱，从而注意力的提高。经过几周的定期使用，大多数人会获得平衡感和内心平静。用户报告说，即使面对高压情况，也会感到平静、专注和警觉。
[2]MMN(失匹配负波, mismatch negative)
MMN(失匹配负波, mismatch negative)
失匹配负波（mismatch negative，MMN）是听觉事件相关电位的重要成分 ，它是一个大脑前额以及中央分布的负波成分。它是由 oddball 范式得的。oddball 范式中含有两种类型的声音刺激，标准刺激和偏差刺激。标准刺激是一种反复出现的大概率的刺激，偏差刺激是随机出现的小概率刺激。
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