PNAS: 低音或可促进节奏的神经加工

来自西悉尼大学的Tomas Lenc等人在PNAS上发文，表示低音有助于增强个体对节奏的神经加工过程，即低音可以提升个体对节奏与节拍的神经表征。

本研究采用EEG技术，要求被试先后完成偏差识别任务(Deviant Identification Task)与打节拍任务(Beat-tapping Task)，测量个体对听觉刺激时间属性的注意程度。针对行为与脑电数据，研究者采用耳蜗模型开展了声音特征分析，行为任务分析以及EEG频域分析。

结果表明，低音会选择性地增强与节奏相关频率的神经活动，同时在一定程度上解释了低音在传递节奏信息以及诱导感觉运动同步中的特殊作用，进而帮助我们理解感觉运动同步的神经基础。  

来源：思影科技

选稿：Simon

题图：网络

本研究共选取14名健康个体作为被试（平均年龄为28.4±6.1岁；10名女性），所有被试接受过不同程度的音乐训练（平均时间为6.9±5.6年，时间范围为0-14年）。所有被试均报告听力正常，无神经病学或精神性疾病。

在本研究中，采用2（频率：高频、低频）×3（节奏：等长节奏、非切分节奏、切分节奏）被试内实验设计，共分为六种条件，作为6个区组。这6个区组随机呈现，但确保前三个区组中至少包括一个高频音和一个低频音条件。

实验中，研究者选用三种不同节奏（等长节奏、非切分节奏、切分节奏）和两种频率（高频、低频）的声音作为听觉刺激。所有的节奏包含12个独立事件，每一个独立的事件持续200ms，共2.4s。每个节奏由特定的声音模式（纯音；10ms上升，50ms下降的线性音阶）和无声事件（振幅为0）构成（见图1左图）。同一节奏在在60s内循环呈现。纯音频率采用130Hz（低音频率）和1236.8Hz（高音频率）两种频率。所有听觉刺激的响度保持恒定。

在实验中，为确保被试关注到听觉刺激的时间属性，要求被试识别偏差刺激的呈现时间是否长于或短于标准刺激（200ms）的20%（40ms），并在每个试次结束后报告与其他节奏相比偏差刺激是“更长”或“更短”。偏差刺激仅会出现在前三次重复节奏中，最后一次节奏不呈现。

在切分节奏与非切分节奏的条件下，偏差刺激会在三个可能的位置出现，即无声事件前的声音事件上。而在等长节奏下，偏差刺激会出现在任意三个声音事件上。后期仅记录和分析每个试次前三个重复节奏的EEG，第四次重复的节奏不做分析。

图1声音刺激（经耳蜗模型处理）与EEG响应频谱（所有电极与被试的均值；n=14；阴影区域表示SEMs）。

每个节奏的一周期波形以黑色图形表示（见左图），节奏周期为2.4s。这些节奏不断重复以形成60s序列，每一个条件下这些序列会呈现八次。耳蜗模型光谱包括与节奏(1.25Hz; 深灰色的垂直条纹)和节拍(1.25Hz/3,×2, ×4; 浅灰色垂直条纹)相关的频率峰值，以及与节奏和节拍无关的频率峰值。

EEG响应包括在耳蜗模型输出结果中所包含的频率峰值；然而，与高音相比，低音条件下，与节奏和节拍相关或无关的频率峰值的平均幅值之间的差异增大（见图2）。注意切分与非切分节奏的EEG响应图中的比例差异。

首先，为探究诱发EEG响应的频率段和评估声音输入的早期表征特点，研究者开展声音分析，其采用耳蜗模型，对以高低音演奏的等长节奏与两种非等长节奏（切分节奏与非切分节奏）的声音特点进行分析。

结果表明，对于未同步和切分的节奏，所得到的光谱包含12个不同的峰（见图1）。将该12个频率的响应幅值转换为z分数，标准化有助于频率之间相互比较，继而确定出一个频率（节奏相关频率为1.25Hz）或一组频率（与节拍相关频率为1.25Hz/3,1.25Hz×2,1.25Hz×4）相较于整组频率值均有显著突出。

其次，为测量个体对听觉刺激时间属性的注意程度，以2（频率：高频、低频）×3（节奏：等长节奏、切分节奏、非切分节奏）为自变量，以反应时为因变量。

结果表明，总体上被试可以识别出偏差刺激，节奏与声音频率之间存在显著的交互作用，F(2,26) = 3.55, p = 0.04, η²_G= 0.04。经事后检验，t(13)= 2.97, p = 0.03, d = 0.79，表明与高音切分节奏相比，低音条件下被试表现要更差一些。

在打节拍任务中，结果表明，不同条件之间的变异性与平均打拍间隙的时间间隔没有统计学上的显著差异。

图2为节拍相关或无关频率条件下，高低音呈现的切分节奏与非切分节奏所激活的脑电地形图，其表明节拍相关频率条件下的脑区激活要强于节拍无关频率下的脑区激活，且低音条件下的激活要强于高音条件下。

图2对于高、低音呈现的切分与非切分节奏，其在节拍相关（左列）和节拍无关（右列）频率条件下神经活动的平均地形图(n=14)。

随后，研究者采用频域分析，分别探究了EEG响应的总体幅度以及EEG响应在节奏和节拍频率上相对增强两个问题。

对于EEG响应的总体幅度，研究者探究了在不同节奏下，高、低音两种条件下EEG响应的总体幅度是否存在差异。其中，总体幅度是将每个被试在每种条件下带有频率标签的EEG响应相加而得，研究者通过分析节奏特征提取频率标签。

结果表明，对于等长节奏来说，低音条件下的总体幅值显著大于高音条件下，t(13)=3.68,p=0.008, d=0.98，与前人研究结果一致。与之相反，对于切分节奏和非切分节奏，高低音条件下的总体幅值没有显著差异(ps＞0.34)。这表明，对低音响应的全局增强可能仅存在于等长节奏中。

而对于幅值在节奏与节拍频率上的相对增强这个问题，研究者探究了采用高低音呈现的切分节奏与非切分节奏是否会影响与特定的节奏与节拍相关频率成分的相对振幅。

采用2×2重复测量方差分析，结果发现，在所有节奏条件下中，低音均比高音在节奏相关频率下（幅值的Z分数均值为1.25Hz）的相对幅值要更大（声音频率的主效应；见图3，上图）F(1,13) = 9.46, p=0.009,η²_G= 0.11（见材料与方法）。

此外，考虑所有的节拍频率（幅值的Z分数均值为1.25Hz/3,1.25Hz×2,1.25Hz×4），进行了2×2重复测量方差分析，声音频率与节奏之间存在交互作用，F(1,13) = 5.23, p=0.04,η²_G= 0.05，结果表明，对于低音切分节奏条件，其相对幅值更强（见图3，下图），t(13)= 3.79, p = 0.004, d = 1.01, 而非切分节奏则未出现。

图3声音频率对与节奏和节拍相关的EEG活动选择性增强的影响作用。

上图分别展示了在非切分节奏（左侧）与切分节奏（右侧）的条件下，节奏频率的Z分数（顶部）以及与节拍相关频率的平均Z分数（底部）。误差线表示SEMs。星号表示显著性差异水平(p<0.05)。单个被试的反应以灰色点及其连线表示。水平线表示根据耳蜗模型计算得的Z分数。

在两种节奏下，低音引发了节奏频率上显著的神经增强。低音在节拍频率上引发EEG响应的增强，但仅在切分节奏中出现。对于非切分节奏，声音频率对节拍相关响应没有显著调节作用。

最后，研究者评估了早期耳蜗加工过程在多大程度上可以解释由低音调引起的节奏与节拍频率上的脑电图反应的相对增强。将高低音条件下EEG响应幅值的Z分数与相应条件下耳蜗模型输出的Z分数差异进行比较。

结果表明，对于节奏频率（1.25Hz），切分节奏条件下，EEG响应幅值的差异分数要显著大于耳蜗模型的差异分数，t(13)= 1.4, p = 0.04, d = 0.8，而非切分节奏未表现该结果。

同时，对于节拍相关频率(1.25Hz/3,1.25Hz×2,1.25Hz×4)同样表现出相同的模式。切分节奏条件下，EEG响应幅值的差异分数要显著大于耳蜗模型的差异分数，t(13)= 4.17, p = 0.004, d = 1.11，而非切分节奏未表现该结果。

总之，本研究提供的证据表明，低音呈现出的节奏刺激能够加强对节奏与节拍的神经表征。在与节奏相关的频率条件下，相较于高音而言，低音呈现的所有节奏均出现选择性增强的效应。而考虑到所有与节拍相关频率时，仅在切分节奏条件下产生低音优势效应。

一句话总结：低音对节奏的神经加工过程有一定的促进作用，可以提升个体对节奏的神经表征。低音会选择性地增强与节奏和节拍相关频率的神经活动，为诱发感觉运动同步提供了神经基础。

参考文献：

LencT, Keller P E, Varlet M, et al. Neural tracking of the musical beat is enhancedby low-frequency sounds[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences,2018: 201801421.  

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