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        心理所探究音樂訓練經驗對人們言語行為以及大腦功能、結構的影響
        作者: 中國科學院行為科學院重點實驗室 杜憶研究組 ║ 日期: 2021/06/03 

          凡音之起,由人心生也。人心之動,物使之然也。感于物而動,放行于聲。聲相應,放生變,變成方,謂之音。比音而樂之,及于戚羽毣,謂之樂?!抖Y樂.樂記》①

         

          音樂和語言是人類獨有的②、承載著人類喜怒哀樂的符號系統。二者均依托于變化的、有序的聲音信號形成樂音或言語來實現信息交流。音樂和言語的感知和產出則依賴于人類完備的聽覺系統、發聲器官及運動系統相應的肌肉群間協同運動。此外,聆聽抑或演奏音樂,傾聽抑或表達言語都需要記憶、選擇性注意等認知功能幫助我們更好地欣賞音樂、理解他人。二者在聲學、感知覺和認知層面的相似性使得音樂和言語的感知和產出共享一些基本的神經環路和加工機制。

          研究證據表明,音樂訓練經驗可以塑造大腦結構與功能,并影響著人類的言語技能。但研究者們還遠未全面地了解從音樂技能到言語技能的“遷移效應”及其神經機制。中國科學院行為科學院重點實驗室杜憶研究組近期開展的兩項研究為回答音樂訓練經驗如何影響言語知覺加工及相應的大腦功能和結構提供了一點啟示。

          研究一:

          言語感知和理解能力下降是老年人普遍遇到的慢性健康問題之一。老年人的“聽不清”源于諸多方面,包括外周聽力下降(主要表現為高頻損失),中樞聽覺系統對于聲音的編碼能力下降,以及聽覺認知能力衰退,如聽覺工作記憶和選擇性注意等。雖然大量研究發現,音樂訓練經驗能夠增強年輕人的聽覺加工、聽覺認知以及嘈雜環境下的言語知覺能力。但是,尚無研究直接考察過不同音樂訓練經驗能否延緩老年人群噪音背景下言語感知能力的衰退,及其與聽覺認知能力之間的關系。

          杜憶研究組近期開展的一項行為實驗證實,不管是唱歌還是彈琴,音樂訓練經驗可以有效延緩老年人在噪音背景下言語感知能力的衰退,并且聽覺工作記憶在音樂經驗對抗老化的過程中扮演了重要的中介作用。

          該研究招募了29名老年非音樂家、48名老年音樂家(24名器樂家和24名聲樂家)、24名年輕非音樂家以及48名年輕音樂家(16名弦樂家、16名鋼琴家、16名打擊樂家)進行噪音下言語識別測試。老年音樂家均在20歲前開始學習音樂,具備20年以上的音樂訓練經歷,并且在近三年依然保持練習(每周>1小時);年輕音樂家均在8歲前開始學習音樂,具備10年以上連續的音樂訓練經歷。所有被試均具有正常的外周聽力,各組老年人及各組年輕人均各自平衡了人口學變量(性別、年齡、教育程度)、一般性認知能力和執行控制能力。

          研究結果發現,音樂訓練經驗并沒有在句子水平上使年輕人的噪音下言語感知能力更好,但是在老年人群體中,老年音樂家的噪音下言語感知能力顯著地比老年非音樂家更好,并且在大部分條件下不遜于年輕人(圖1)。有意思的是,雖然在訓練總時長上老年聲樂家組顯著短于老年器樂家組近十年的時間,但兩組人的噪音下言語識別成績并無顯著差異(圖2),提示聲樂訓練對老年人而言可能產生更有效的言語加工“遷移效應”。不僅如此,聽覺工作記憶能力(比如聽完之后正確復述一串數字)也呈現了類似的模式,老年音樂家的聽覺工作記憶要好于老年非音樂家,僅略遜于年輕人。路徑分析結果表明,聽覺工作記憶在噪音下言語感知能力的老化下降和受音樂訓練經驗的促進過程中起到了顯著的中介作用(圖3)。也就是說,老年人在噪音下言語感知能力的下降與其聽覺工作記憶容量的下降有關,而音樂訓練經驗可通過保持老年人的聽覺工作記憶容量從而對抗其在不利聽音條件下的言語知覺能力衰退。

         

        圖1.老年非音樂家、老年音樂家、年輕非音樂家和年輕音樂家組在各掩蔽類型和語噪空間關系條件下的噪音下言語識別成績:(A)語譜噪音語噪分離;(B)語譜噪音語噪重疊;(C)語音噪音語噪分離;(D)語音噪音語噪重疊。* p < 0.05, ** p < 0.01, *** p < 0.001

         

        圖2.老年非音樂家、老年器樂家和老年聲樂家在各掩蔽類型和語噪空間關系條件下的噪音下言語識別成績:(A)語譜噪音語噪分離;(B)語譜噪音語噪重疊;(C)語音噪音語噪分離;(D)語音噪音語噪重疊。* p < 0.05, ** p < 0.01, *** p < 0.001

         

         

        圖3.路徑分析模型結果。虛線表示不顯著路徑,實線表示顯著路徑。* p < 0.05, ** p < 0.01, *** p < 0.001

         

          該研究揭示了音樂訓練經驗延緩和抵抗言語感知能力老化的認知機制,為設計和開展音樂訓練方案干預和改善老年人的言語加工能力提供了理論基礎。

          相關論文已發表于Ear and Hearing。論文第一作者是心理所博士生張磊,心理所研究員杜憶為通訊作者。研究獲得國家自然科學基金(31671172,31822024)和中國科學院戰略性先導科技專項(XDB32010300)支持。

         

          研究二:

          連接額-頂-顳葉的弓形束(arcuate fasciculus, AF)被認為是語言加工腦雙通路模型中背側通路與聽覺運動整合相關的核心白質纖維束。已有研究表明,音樂訓練經驗可加強言語刺激的聽覺編碼、運動編碼和聽覺-運動系統間的信息整合來提高人們在噪音背景下的言語感知能力(Du & Zatorre, 2017)。但是,音樂訓練經驗是否可以通過引發聽覺-運動神經環路的白質纖維(即弓形束)結構變化來影響噪音背景下言語感知能力依然是未知的。

          杜憶研究組采用磁共振彌散張量成像技術,從弓形束纖維連通性,半球偏側化,以及長時程白質微結構變化、即時血液動力學變化與行為成績的關系三個方面揭示了音樂訓練經驗對弓形束的可塑性調節及其對噪音背景下言語感知的貢獻機制。具體而言,音樂訓練經驗增強了右側弓形束直接通路(dAF)和左側弓形束間接通路的前支(aAF)的連通性,加強了間接通路弓形束后支(pAF)的左偏側化程度,并且這些改變與音樂家在噪音下言語感知能力的增強有關。此外,該研究首次證實了這種跨領域的“轉移效應”在大腦結構、功能和行為改變間的因果關系:音樂訓練經驗所伴隨的右側弓形束直接通路的結構改變是通過右側聽皮層任務態下的神經活動強度作為中介變量來調控噪音下言語感知能力。

          該研究招募了15名年輕音樂家(訓練起始年齡 ≤ 7歲,訓練總時長 > 10年,每周訓練時間 > 3小時)和15名年輕非音樂家,兩組被試的人口學變量(性別、年齡、教育程度),基本的聽覺能力和認知能力(聽覺工作記憶廣度和非言語IQ)進行了匹配。被試在磁共振成像儀中完成不同噪音強度下的音節辨別任務,并采集被試的功能和彌散張量成像。采用確定性纖維束追蹤方法獲取連接額葉運動皮層(包含布洛卡區和腹側前運動皮層)和聽覺皮層(包含后側顳上回和顳中回)的弓形束直接通路(dAF),以及由頂葉皮層(包含角回和緣上回)連接聽覺和運動區域的間接通路中的弓形束前支(aAF)和后支(pAF)(圖4)。各向異性系數(FA)、軸向擴散系數(AD)和縱向擴散系數(RD)同時被分析用于更好地理解由神經元軸突萌發、修剪或重新連接引發的白質纖維束性質的改變,如神經元髓鞘化程度。

         

        圖4.雙側弓形束直接通路(dAF)、前支(aAF)和后支(pAF)的拓撲結構和概率圖譜

         

          結果表明,相對于非音樂家,音樂家的右側dAF具有更高的FA值,左側aAF具有更低的RD值以及pAF更左偏側化,并且在音樂家和非音樂家中這些指標均可以預測其在噪音背景下的音節識別能力(圖5)。中介變量分析表明,音樂家和非音樂家右側聽皮層在任務態下的血氧水平變化可以作為中介變量調控右側dAF的FA值與噪音下言語感知能力間的相關關系(圖6)。

         

        圖5.(A)弓形束各分支組間比較結果及其與噪音背景下言語感知成績間的相關關系。(B)弓形束各分支偏側化指標的組間比較結果。(C)后側弓形束的偏側化程度與噪音背景下言語感知能力的相關關系。* 置換檢驗后的FDR校正p < 0.05

         

        圖6.中介分析模型結果:右側弓形束直接通路的FA值通過調節右側聽皮層的血氧水平變化影響噪音背景下言語感知能力。* p < 0.05,** p < 0.01

         

          該研究提示,音樂演奏或歌唱經驗于潤物細無聲處影響著聽覺-運動神經環路的白質結構基礎來促進對言語信息的編碼和整合能力。這種跨領域的“遷移效應”又促使我們更加深刻地了解大腦結構、功能和行為改變間的關系,對幫助我們更好地改善老年群體以及聽力損失和言語障礙人群的言語感知能力具有重要的理論意義。

          相關論文已在線發表于Cerebral Cortex。論文第一作者是心理所博士生李曉楠,杜憶為通訊作者。該研究獲得國家自然科學基金(31671172,31822024),中國科學院戰略性先導科技專項(XDB32010300)和加拿大健康研究院基金支持。

         

          

          論文信息:

          Zhang, L., Fu, X., Luo, D., Xing, L., & Du, Y. (2020). Musical Experience Offsets Age-Related Decline in Understanding Speech-in-Noise: Type of Training Does Not Matter, Working Memory Is the Key. Ear and Hearing, 42(2), 258–270. doi: 10.1097/AUD.0000000000000921

          Li, X., Zatorre, R. J., & Du, Y. (2021). The Microstructural Plasticity of the Arcuate Fasciculus Undergirds Improved Speech in Noise Perception in Musicians. Cerebral Cortex. doi: 10.1093/cercor/bhab063

          相關文章:

          Du, Y., & Zatorre, R. J. (2017). Musical training sharpens and bonds ears and tongue to hear speech better. Proc Natl Acad Sci U S A, 114(51), 13579-13584. doi: 10.1073/pnas.1712223114

         

         ?、?nbsp;譯文:一切音樂的產生,都源于人的內心。人們內心的活動是受到外物的影響而激動起來,因而通過聲音表現出來。各種聲音相互應和,由此產生變化,由變化產生條理次序,叫做音。將音組合起來進行演奏和歌唱,配上道具干戚、羽旄的舞蹈,叫做樂。

         ?、?nbsp;從狹義的定義而言,音樂和語言是人類獨有的。

         

         

          

          

          

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