追问新知｜音乐是一种语言吗？这项研究通过对大脑皮层的高时空分辨率记录找到答案

语言和音乐贯穿人们的日常生活，人们用语言沟通，用音乐传递情绪，陶冶心境。从共性来看，语言和音乐的加工都涉及从基本单位生成结构化表征。虽然语言和音乐可以在不同类型的单位（例如，音素、语素、音符、和弦）上表现出来，但它们都是将离散单位组合成具有统一定义层次的结构。研究发现，与音乐有关的左脑区域通常与语言区域重叠，包括颞上回、额下回和顶叶下回。

然而，语言和音乐之间也存在一些实质性区别，如节奏结构、音高的使用、表征单位的“意义”、结构构建机制以及应用范围等的差异。有观点认为，“音乐和语言是可分离的资源”。语言的一些特性（例如，语音感知）已被证明在大脑中与音乐分离，但语言的许多其他特性却没有得到广泛的处理。特别是衡量语言和音乐复杂性的某些标准仍有待在高时空分辨率下的进一步探索。由于语言和音乐在结构构建机制上似乎有所不同，因此可能需要不同的结构敏感性测量方式来捕捉特定领域的效应。

为此，Nitin Tandon教授及其团队结合颅内记录的方法，在因果扰动的同时对大脑皮层活动进行高时空分辨率的记录。他们以一位癫痫患者为受试者，探究了音乐和语言结构处理的时空动态特征，通过利用特定领域的复杂性分析处理，再结合清醒开颅手术进行直接皮层刺激影像，对音乐和语言的神经机制展开了深入研究。结果发现，音乐和语言在大脑中虽然共享资源，但处理特定领域结构时具有不同的神经特征。该成果于2023年7月发表在iScience杂志上。

▷图1：论文封面。图源：iScience官网

受试者与任务范式

受试者为一名男性新发癫痫发作导致暂时失语的患者。他是一名专业音乐家，拥有丰富的钢琴经验，从童年时期就开始训练。在手术前，患者完成了在手术室开展的所有测试（基线期）。在基线期，患者在所有测试的语言任务和音乐任务中都达到了上限。他在蒙特利尔失音症评估电池（MBEA）测试中获得172/180分。患者在一系列琴键上进行了手指敲击测试，练习自由式演奏，以建立对键盘设置的熟悉程度。

Nitin Tandon教授及其团队对受试者进行了三个行为任务的数据采集，包括（1）听觉语句重复任务：重复口语语句；（2）旋律重复任务：单手使用MIDI键盘重复呈现的六音序列；（3）听觉命名任务：对常见物体的定义提供单字答案。

研究发现

1. 音乐和语言的ECoG影像特征

在句子和旋律重复任务期间，研究者同步记录了受试者的脑区ECoG活动（图2）。在每个单词呈现后100-400毫秒期间，发现28个侧电极明显高于基线。这些活跃的语言电极位点分布在颞叶后皮层和额叶下皮层。在旋律任务的音调呈现过程中，11个电极在同一时间窗口内对每个音调都显着活跃，大部分聚集在后颞上回（pSTG）周围。7个电极在音乐和语言感知方面均显著活跃，主要位于pSTG。在语言产生过程中，腹侧中央前回的两个电极明显活跃。

▷图2：音乐和语言的ECoG活动。图源：来自论文

2.宽频带高伽马活动对音乐和语言刺激复杂性的调节

对于音乐任务，后颞中回（pMTG）中的一个电极（与pSTG的上边界）在复杂性和音符位置之间具有显著的相互作用，相对于低复杂度序列，高复杂度序列的宽频带高伽马活动（broadband high gamma activity，BGA）增加的幅度更大（图3A）。这说明该电极对语言和音乐都有显著的活动。

比较基于句法复杂性的语言刺激时，两个电极在pSTG上都表现出了BGA增加（图3B）。这说明这些电极对语言和音乐也有显著的活动。但是语言产生的BGA差异在百分比变化方面小于音乐产生的差异，这可能是由于音乐序列之间有更显著的差异。

研究还分析了这些相同语言和音乐对比的低频响应（2-15 Hz和15-30 Hz），他们发现电极在位置和复杂性之间没有显著的交互作用。但是在句子生成过程中发现，在发音开始后大约200-300毫秒，额叶下皮层的一个电极对句法复杂性反应较强（图3C）。

▷图3：术中音乐和句法复杂性的ECoG。图源：来自论文

3. 语言和音乐的皮层刺激影像

除了ECoG任务外，研究者还进行了直接皮层刺激影像（CSM）的分析，主要目的是比较切除后颞区和中颞区前后语言和音乐加工的变化（图4）。在CSM的分析结果中，有5个位点聚集在pSTG中，对句子重复呈阳性，导致理解中断。在pSTG测试中，只有两个位点在句子重复上呈CSM阴性。在听觉命名任务中，聚集在pMTG的三个位点的CSM呈阳性。在语言任务的产生和理解中，没有明显的影响。

在音乐任务中，CSM主要表征音乐感知或制作。其中聚集在pSTG中的6个位点为CSM阳性。他们根据CSM在试次中应用的时间，对六个CSM音乐阳性位点进行了分类。患者通常会在尝试演奏时引入“干扰”，或者只是无法选择旋律中的下一个音符。在腹侧颞叶皮层的两个位置测试音乐感知和制作过程中都表现出CSM阴性。如图4所示，在pSTG区域的语言和音乐相关位点之间存在明显的重叠。在CSM语言映射过程中，患者的主观报告表明语音工作记忆受到干扰，此外记忆访问也受到干扰。

▷图4：术中音乐和语言感知的刺激测试。图源：来自论文

结语

语言和音乐的加工都涉及将基本单位有效地组合成结构。目前人们尚不清楚大脑中对语言和音乐结构敏感的区域是否有相同的定位。这项研究发现，刺激pSTG干扰了音乐的感知和制作。随着语言的产生，pSTG和pMTG被语言和音乐激活。pMTG的活动受音乐复杂性的调节，pSTG的活动受句法复杂性的调节。这说明，音乐和语言在大脑中虽然共享资源，但处理特定领域结构时具有不同的神经特征。

这项研究的特点在于，它以癫痫疾病为模型，且受试者为从小接受训练的音乐家。研究者对受试者进行了多种行为任务以及颅内电生理活动的同步记录，这对于理解语言和音乐的神经机制具有重要的意义。

推荐阅读

追问互动

○ 如果您对本期内容有进一步想要追问的问题或者讨论的内容，欢迎在评论区留言，或者加入我们的社群参与互动，添加小助手微信questionlab即可申请进群。