神经科学与艺术的融合——脑波音乐
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撰文丨吱吱之 （东南大学 博士生）
编辑丨周晴
排版丨小箱子
音乐是何时产生的？我们不得而知，不过可以肯定的是音乐的历史必定早于人类的历史，因为人类最初的音乐便是模仿动物的声音，之后音乐的发展也一直和人类的进化过程息息相关，无法想象没有音乐的世界将是怎样的。
欣赏音乐是每一个普通人都能做到的，但是音乐的创作和演奏却需要经过长时间的学习和训练，似乎是我们普通人遥不可及的。然而现代科技的发展为我们提供了另一种可能，通过将脑电和乐器数字接口（Musical Instrument Digital Interface, MIDI）技术结合，实现了基于脑电的音乐创作和演奏。你完全可以通过一个设备利用自己的脑电完成一场交响乐的演奏，这样的音乐表现形式称为脑波音乐（Brainwave Music）。脑波音乐早在20世纪中期就作为一种音乐艺术表现形式而存在。在医学领域，已经有很多研究结果证实了音乐对大脑的巨大影响，但是如何将脑波音乐和生物反馈治疗结合的相关研究还处于初级阶段，研究人员希望探究这一新型治疗康复方法是否对某些疾病有特殊疗效。
19世纪下半叶生理学家Etienne-Jules Marey开创了图形法记录各种生理信号的先河，开启了成像技术的时代。成像技术迅速发展为医学领域中最重要的诊断技术，脑电图基于此被发明。1929年，德国精神病学家Hans Berger通过一种非侵入式电极首次记录了头皮层的电信号并发表了第一份人类脑电图报告[1]。
1934年，著名的神经生理学家、诺贝尔奖获得者 Edgar Adrian复现了Berger节律的实验结果[1]，将脑电信号转化为声音信号并通过一个扬声器播放[2]。听起来怎么样呢？与音频信号一样，脑电波是跨越一系列频率的时间序列。人类发出的声音频率范围为20至3000 Hz，大部分处于100-300 Hz范围内，大多数乐器也会产生数百赫兹频率的音符。而头皮层采集到的脑电信号主要集中于在1-100 Hz，而且脑电信号的功率谱随着频率的增加迅速衰减。如果将脑电信号作为音频文件直接播放，听起来只不过是一个不起眼的低频隆隆声。早期受制于信号处理技术，只能通过最简单的乘以一定系数的方法来提高脑电信号频率，使脑电信号成为更容易被人耳听见的声音。
尽管当时的处理技术非常原始，人耳还是能够识别出很多基础的脑电现象，例如睁眼、闭眼状态下alpha节律的差异、睡眠脑电中纺锤波以及癫痫病人的发作期间的脑电活动等。20世纪50年代开始，随着信号处理的进步，脑电信号的分析方式明显改善，为脑波音乐的生成奠定了技术基础。
▶ Adrian使用的系统利用扬声器将脑电转化成声音
（图片出处Adrian ED, Bronk DW. The discharge of impulses in motor nerve fibres: Part I. Impulses of single fibers from the phrenic nerve. J Physiol 1928; 66: 81–101.）
随着各类音乐类综艺节目的爆火，例如中国新说唱、即刻电音、乐队的夏天等等，各种不同的音乐类型开始频繁出现在我们的日常生活中。新的音乐类型的产生则要归功于那些执着于创新的音乐家们。早在二十世纪中期，厌倦了当时常规音乐流派的音乐家们，提出了实验音乐这一概念，其最大特点是结果的不可预见性。1965年，全世界第一首脑波音乐Music for the solo performer问世，并在整个欧洲和美国进行巡回演出。这首音乐作品是两个伟大思想的碰撞结果，当时著名物理学家Edmond Dewan和实验音乐作曲家Alvin Lucier相遇，设计了一个利用脑电中的alpha波来控制打击乐器发声的设备，由Alvin Lucier的脑波创作并演奏了这首脑波音乐。
（表演视频可见https://www.youtube.com/watch?v=bIPU2ynqy2Y）
▶ Music for the solo performer演奏系统示意图
（图片出处Kahn D. Earth sound Earth signal: Energies and Earth magnitude in the arts. Los Angeles: University of California Press; 2013. p. 87. Image.）
继Lucier的Music for the solo performance之后，不断有实验作曲家基于脑电的alpha波进行实验音乐创作。在音乐作品In Tune（1967）中，美国作曲家Richard Teitelbaum首次使用合成器，利用脑电的alpha波和其他生理信号，如心跳和呼吸等共同进行演奏。五年后，David Rosenboom的Portable gold and philosopher’s stones（1972）将四个音乐家的脑电波融合入一首音乐。
▶ 1975年David Rosenboom 创作脑波音乐专辑。
二十世纪八十年代，乐器数字接口（Musical Instrument Digital Interface, MIDI）被提出，解决了电声乐器之间的通信问题。二十世纪末，脑电和声音技术的进步最终促成了脑机音乐界面（Brian-Computer Music Interface, BCMI）的产生，例如通过脑电控制复杂乐器的演奏。通过将脑电的信号特征映射到音乐中的音调、音色、音高，重新编译成MIDI格式的音乐，使得脑波音乐越来越悦耳动听，能够被大众接受。
▶ BCMI钢琴
（图片出处Miranda ER. Brain–Computer music interfacing: interdisciplinary research at the crossroads of music, science and biomedical engineering. In: Miranda ER, Castet J, eds. Guide to Brain-Computer Music Interfacing. London: Springer; 2014. p. 1–27.）
随着脑波音乐生成的技术日渐成熟，其应用价值日益被关注。基于脑电的实验音乐创作是音乐艺术领域的变革和创新，它的出现使得音乐创作和演奏对于普通人而言不再那么遥不可及。没有乐理知识的人，甚至是残疾人都能通过这一技术完成音乐创作和演奏。普利茅斯大学和神经残疾皇家医院合作，利用这一技术帮助残疾人音乐家进行音乐创作。
▶ 四位残疾人音乐家利用BCMI技术，进行四重奏音乐创作
（图片出处https://www.eurekalert.org/multimedia/pub/95840.php）
在医学领域，脑波音乐被用作多种疾病的新型康复治疗手段。研究结果证实演奏、聆听和创作音乐几乎激活了我们大脑的所有脑区和神经系统，此外，处理旋律、节奏的脑区和运动脑区紧密相关[3]。音乐治疗本身就是一个很普遍的心理治疗手段。在此基础上，脑波音乐对于不同疾病的疗效的相关研究也在不断推进中。
▶ 音乐对大脑的影响
（图片出处https://www.physio-pedia.com/File:Brain-and-music.jpg.）
国内从事脑波音乐相关研究的实验室中，电子科技大学尧德中教授实验室的研究取得了卓越的成绩。现就职于北京交通大学的吴丹教授，博士期间在尧德中教授的课题组对于脑波音乐做了非常系统的研究。她不仅提出了新的算法用于脑波音乐的生成，也与华西口腔医院合作进行脑波音乐的应用方向研究，尤其是脑波音乐对正畸疼痛的改善治疗研究。他们一共招募了三组被试，分别是BWM脑波音乐组，该组被试在牙齿正畸过程中聆听自己熟睡期间生成的脑波音乐；CBT认知治疗组，该组被试在牙齿正畸过程中接受现有的疼痛心理治疗；Control控制组，该组被试不进行任何疼痛治疗，仅进行正畸治疗。实验表明BWM组和CBT组的疼痛感明显小于控制组，证实了脑波音乐可以有效改善正畸疼痛[4]。
▶ BWM脑波音乐组、CBT认知治疗组和Control控制组在正畸治疗过程中的疼痛反馈结果。
（图片出处Huang R, Wang J, Wu D, et al. The effects of customised brainwave music on orofacial pain induced by orthodontic tooth movement. Oral diseases, 2016, 22(8): 766-774.）
和国内的研究现状相比，国外学者对于脑波音乐的研究更为火热。由于脑波音乐生成技术目前已经相对成熟，许多音乐家可以通过简单的设备和软件进行脑波音乐创作。越来越多的研究者和公司纷纷将脑波音乐应用到更多医疗和生活场景中。
医学家Thomas Deuel曾在波士顿学习过爵士乐作曲，目前致力于脑波音乐的研究。他所在的团队研发了一款名为Encephlaphone的脑波音乐生成设备。研究人员让运动障碍患者在康复治疗过程中创作脑波音乐，并聆听自己的脑波音乐，来实现对大脑不同脑区的训练。该项目正在西雅图的瑞典医疗中心进行临床试验，探索脑波音乐训练是否能够帮助他们获得更好的康复治疗效果。
▶ Encephlaphone生成脑波音乐
（图片出处https://www.vice.com/en_us/article/ywnnaj/people-from-around-the-globe-met-for-the-first-flat-earth-conference.）
音乐治疗是失眠患者常用的辅助入睡手段，但是效果通常因人而异，找到对自己入眠最有效的音乐非常重要，同时也十分困难。因此皇家墨尔本理工学院的艺术家和研究人员创造了一种诱导睡眠的虚拟现实工具——Inter-Dream。该设备通过脑电控制环境音乐与视觉效果，并利用VR技术来呈现如万花筒般的视觉环境[5]。利用神经反馈的原理，定制个人独有的入眠环境，帮助用户调节心理状态促进入睡。
▶ 睡眠诱导设备Inter-Dream
（图片出处https://www.engadget.com/2019/07/26/vr-sleep-tech-inter-dream-rmit-university/.）
随着脑波音乐生成技术的不断成熟，其市场化发展速度也在加快。美国的Cereset公司利用脑波音乐治疗压力和创伤后应激障碍。被创伤后应激障碍和压力所困扰的人们往往存在大脑一侧过度活跃的问题。该疗法利用神经可塑性原理，在没有外界刺激和药物的情况下，通过脑波音乐让大脑创造新的神经通路来进行自我调节，平衡大脑两侧的脑电活动，达到减轻压力和创伤后应激障碍的效果。Cereset公司在美国和欧洲建立了许多治疗中心，拥有专业的设备和人员来帮助患者进行相应的治疗。
目前来说脑波音乐的应用研究尚处于初级阶段，但是它的市场需求非常巨大。国内对于脑波音乐的研究和市场化还需要更多的关注，希望有越来越多的科研人员们能够加入到脑波音乐的研究领域中来，进一步推动脑波音乐的应用。
参考文献
[1] Berger H. (1929). Über das elektrenkephalogramm des menschen (On the human electroencephalogram). Archiv für Psychiatrie und Nervenkrankheiten, 87, 527–570.
[2] Adrian ED, & Matthews BH. (1934). The Berger rhythm: potential changes from the occipital lobes in man. Brain, 57(4), 355-385.
[3] Wang TH, Peng YC, Chen YL, et al. (2013). A home based program using patterned sensory enhancement improves resistance exercise effects for children with cerebral palsy: a randomized controlled trial. Neurorehabilitation and Neural Repair, 27(8): 684-694.
[4] Huang R, Wang J, Wu D, et al. (2016). The effects of customised brainwave music>[5] Semertzidis NA, Sargeant B, Dwyer J, et al. (2019). Towards Understanding the Design of Positive Pre-sleep Through a Neurofeedback Artistic Experience//Proceedings of the 2019 CHI Conference on Human Factors in Computing Systems. ACM, 574.
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