黑白键vs.灰白质，弹钢琴如何让脑与众不同？

撰文 | 陳皮半夏（北京大学 神经生物学博士生）

责编 | 毓鸿

排版 | 小箱子

封面图片 作者原创

钢琴拥有乐器之王的美称。它以宽广的音域、优美的音色深受演奏家、作曲家和民众的喜爱，许多人更是自幼通过学习钢琴来培养艺术细胞。然而入门简单，成为行家却不易。弹奏这种键盘类乐器对左右手协调、指法变换等技巧的要求非常高，这不仅需要视听觉、空间方位等多模态感觉信息的快速整合，更需要弹奏者实时地调整运动输出，才能实现旋律和伴奏的完美结合。那么，在弹钢琴的时候，大脑究竟发生了哪些变化？左右手又如何做到如此协调呢？piano你在弹琴，脑却在奏交响乐

本文提及的运动皮层分区示意图（A.左侧外视图；B.俯视图）引自文献(1)

大脑皮层的结构极其复杂，各脑区在行为活动中扮演着不同的角色。当我们刚开始学习一项运动技能时，负责运动准备和规划的前运动皮层（premotor cortex, PMC）较为活跃，同时参与的还有前辅助运动区（pre-supplementary motor area, pre-SMA，辅助运动皮层中更靠前的区域）。在随后漫长的练习过程中，随着对曲目和指法的逐渐熟悉，PMC的神经活动降低，辅助运动皮层（supplementary motor area, SMA）持续活跃，这对控制连续动作和执行复杂任务尤为重要。与此同时，初级运动皮层（primary motor cortex）也更加活跃，这里的神经元可以直接投射至脊髓中的运动神经元。这种单突触连接对手指的精细运动非常关键。初级运动皮层将运动意向和肢体的感觉反馈转变为运动指令，并在长期保留和回想这些动作技巧的时候发挥重要作用(1, 2)。总体上看，在学习弹奏的过程中，运动相关皮层的活跃区域有向后移的趋势。

与运动控制有关的皮层下区域 引自(2)

除了皮层外，几个重要的皮层下区域——丘脑（thalamus）、基底神经节（basal ganglia）、小脑（cerebellum）与许多感觉、运动相关皮层相连，帮助我们获取和整合视觉信息（乐谱、手和琴键的位置）、听觉信息（音色、音阶、节奏等）、触觉信息（手指接触琴键），在钢琴技能的学习、纠错和提升中都非常关键(2)。当然，想要弹得好绝不只是“动起来”和“眼观四路，耳听八方”。动听的音乐对节奏和旋律有着很高的要求，乃至强弱和快慢都是影响音乐表现力的重要因素。如果音乐失去了节奏和旋律，那就是机械地敲打，根本无法称之为艺术。节奏时序的把握，需要基底神经节、SMA、背侧PMC和前额叶皮层的参与；而对动作进行更精细化地时序调整，则小脑显得十分重要。在单个音符的弹奏细节上，琴键的先后顺序、多关节运动的协调，需要PMC、基底神经节、小脑的参与，而pre-SMA和SMA神经元的活动则组合并拼接起一些更复杂的动作顺序。此外，大脑顶叶和背侧PMC在帮助动作的空间组合中也扮演着重要角色(3)。可见，虽然在独奏着钢琴，演奏者的脑中却正在货真价实地上演着“交响乐”。有趣的是，专业钢琴家在演奏时，SMA的神经元活性实际上并不高。与音乐新手相比，他们处于运动决策相关脑区的神经元活动相对更弱(4)，许多动作也更加自动化，如手指的间隔、按键力度、乐谱上小节的先后等等。演奏者往往不需要特地留意这些细节，这是因为他们形成了“程序性记忆”（比较像人们常说的“肌肉记忆”），也就是一种在无意识状态下提取记忆的方式。这可能意味着专业钢琴家在弹奏中可以更高效地提取动作信息，并能够更专注于发挥音乐的表现力。

演奏中的朗朗

（截自朗朗在疫情期间于柏林音乐厅的演奏视频）

关于程序性记忆，许多钢琴新手可能有过这样的经历：对于已经习得、甚至习惯的错误指法和姿势，再去纠正时往往需要花更多的时间和精力；而如果在练琴时太过依靠这种记忆，中途如果弹错往往会整段垮掉，完全接不上，只能从头再来。因此，初期必要的指导、恰当的练习、练琴中更专注的态度对学习这种技巧性动作都很关键。
piano

左右手高度协调，大脑半球协同工作

与弦乐器相比，键盘类乐器对双手协调的要求更高，尤其是在面对复节奏（左右手节奏不一致）、琶音等技巧时。那么这些职业键盘玩家们是如何做到左右手高度协调的呢？我们先来说手指的灵活度。想让所有手指彼此独立地活动其实是很难的，单个手指的活动总是会不由自主地带动其他手指——这一现象就是手指活动的“同步化”。一方面，在单个运动单元中，同一运动神经元所控制的肌纤维可能嵌在不同手指的肌腱上，且不同手指的肌腱也可能存在部分交织；另一方面，相邻手指的运动单元所接收的上级输入也是有重叠的，这使得在激活单根手指运动单元的情况下，不可避免地也会激活相邻手指的一部分运动单元，而这一现象在无名指和小指间更明显(5)。（你可以试着用食指和中指做颤音动作，再用无名指和小指尝试，就能体会到了。）“同步化”现象在个体间的差异较大，经过适当的专业训练也可能有所减弱。与常人相比，钢琴家们能更好地控制手指独立活动，也更自然地把握按键力度和节奏，避免在不按键的手指上浪费力气(6) ，动作也就显得更加轻巧灵活、不僵硬。而来自初级运动皮层和前运动皮层的下行纤维——皮质脊髓束，对精准、娴熟的自主手指运动也有至关重要的作用(7)。

僵硬的弹奏示例（截自《猫和老鼠》）

在皮层结构方面，大多数人左右半脑的初级运动皮层的结构明显不对称，以右利手者为例，左侧初级运动皮层相对主导（注：运动皮层控制对侧身体，自皮层下行的皮质脊髓束有90%投射至控制对侧肢体的脊髓神经元，解剖学解释见下图）。而专业钢琴家左右半脑的初级运动皮层更加对称(8)。

右侧初级运动皮层控制左手运动 引自(2)

此外，要做到双手协调，左右半脑还必须保持高效沟通。胼胝体（corpus callosum）是连接两侧大脑半球的重要结构，两侧的听觉皮层、视觉皮层、运动皮层等区域通过胼胝体传递信息。在音乐家与非音乐家的脑成像研究中，前者的胼胝体面积往往更大。而年轻时的练琴时间也与胼胝体大小有一定的正相关性，尤其是那些负责传输和处理听觉、运动信息的通路(1, 9)。

“左脑为逻辑脑，右脑为艺术脑”的说法对吗？

左右脑确实存在“偏侧性”，比如布罗卡氏区（Broca's area）等与语言处理有关的脑区分布在左脑，而右脑确实更擅长视觉表象和空间任务。然而，我们并不能简单地将左右脑归为“逻辑脑”和“艺术脑”。如前所述，二者在处理许多信息时往往是高度配合、协同工作的。此外，音乐家擅长“右脑思维”的说法同样不可靠。这种说法的流行可能与音乐家的左手更灵活、左撇子的比例相对较高有关，而所谓的“右脑开发”也往往对大众进行了错误引导（其实也并没有研究显示我们只使用了大脑的百分之多少）。但是，大量研究表明，学音乐确实可以提高认知功能、社交能力、早期的语言能力、创造力和抽象思维的能力，也有利于缓解压力和改善情绪。

piano

听妈妈的话，练琴要趁早

中枢神经系统包括灰质和白质两种结构。简单来说，灰质以神经元胞体为主，白质以髓鞘化的神经元轴突为主，后者由于脂肪含量较多，在解剖结构上呈现为白色。白质好比大脑中传递信息的高速公路，负责实现感知觉信息、运动信息的快速传导。上文提到的皮质脊髓束、胼胝体都属于白质。
许多技能的学习都有关键期，学钢琴也不例外。尽管对于许多专业钢琴家来说，他们儿时练琴用的时间并不一定比青春期和成年后的多，但研究显示，更早开始学习（尤其是7岁之前）、训练强度更高的音乐家，大脑结构的变化相对于普通人更为明显。比如，他们的听觉皮层、左侧初级运动皮层、甚至右侧小脑的灰质密度更高，前侧胼胝体更大，其他白质结构如皮质纤维束的信息传递能力也有所改变，而大量的钢琴练习可能也进一步促进了白质的发育(9-12) 。脑的结构变化与神经系统的可塑性有关，年龄越小，往往可塑性越强。现在，是不是理解小时候妈妈逼你学琴的苦衷了？（才不是因为学费交太多）不过，与世上任何一种纯粹的艺术和事业一样，弹好钢琴需要静心，也容不得功利心。玩音乐本身就是一件快乐的事，我们在音乐中表达自己，让心灵和思想得以自由。与其在意自己有没有错过学琴关键期，不如平心静气专注下来，用心感受这个精彩纷呈的音乐世界吧。“Put all your soul into it, play the way you feel!”~ Frédéric Chopin谨以此文献给所有钢琴演奏家、爱好者、教师和学习钢琴的孩子们。
参考文献：1.          A. H. D. Watson, What can studying musicians tell us about motor control of the hand? J Anat 208, 527-542 (2006).2.          S. Mack et al., Principles of Neural Science, Fifth Edition.  (McGraw-Hill Education, 2013).3.          R. J. Zatorre, J. L. Chen, V. B. Penhune, When the brain plays music: auditory–motor interactions in music perception and production. Nature Reviews Neuroscience 8, 547-558 (2007).4.          B. Haslinger et al., Reduced recruitment of motor association areas during bimanual coordination in concert pianists. Human Brain Mapping 22, 206-215 (2004).5.          K. T. Reilly, M. A. Nordstrom, M. H. Schieber, Short-Term Synchronization Between Motor Units in Different Functional Subdivisions of the Human Flexor Digitorum Profundus Muscle. Journal of Neurophysiology 92, 734-742 (2004).6.          D. Parlitz, T. Peschel, E. Altenmüller, Assessment of dynamic finger forces in pianists: Effects of training and expertise. Journal of Biomechanics 31, 1063-1067 (1998).7.          J. Armand, E. Olivier, R. N. Lemon, S. A. Edgley, in Hand and Brain, A. M. Wing, P. Haggard, J. R. Flanagan, Eds. (Academic Press, San Diego, 1996), pp. 125-145.8.          K. Amunts et al., Motor cortex and hand motor skills: Structural compliance in the human brain. Human Brain Mapping 5, 206-215 (1997).9.          S. L. Bengtsson et al., Extensive piano practicing has regionally specific effects on white matter development. Nature Neuroscience 8, 1148-1150 (2005).10.        Y. Han et al., Gray matter density and white matter integrity in pianists’ brain: A combined structural and diffusion tensor MRI study. Neuroscience Letters 459, 3-6 (2009).11.        T. F. Münte, E. Altenmüller, L. Jäncke, The musician's brain as a model of neuroplasticity. Nature Reviews Neuroscience 3, 473-478 (2002).12.        A. Engel et al., Inter-individual differences in audio-motor learning of piano melodies and white matter fiber tract architecture. Human Brain Mapping 35, 2483-2497 (2014).

往期精彩

关于我们

脑人言”是公益的脑科学原创科普团队，由海内外一线科研人员组成，专注于神经科学、认知科学和脑机接口等领域的科学知识和思想的传播。关注请长按上方二维码；转载请联系：trueyLucidity；合作请联系：iam7182；加入作者团队请联系：chinatang2010。

友情赞助

点亮“在看”，做一个有智慧的人~