腦間同步探秘音樂心理學(xué)

為理解人際互動提供全新視角

解碼音樂表演中微妙的協(xié)作奧秘

摘要

認知神經(jīng)科學(xué)研究表明，協(xié)作行為通常需要涉及腦間同步(interbrain synchrony, IBS)和超腦活動(hyperbrain activity)。比如一起演奏樂器、跳舞、談話等等。

然而，腦間同步與協(xié)作行為之間的影響機制尚不可知。有研究探討了腦間同步在音樂二重奏中的作用，重點關(guān)注其如何促進行為同步，尤其是在那些具有挑戰(zhàn)性的情境中，例如節(jié)奏變化的音樂二重奏。

盡管環(huán)境中共通的感覺和指尖的運動會引發(fā)人們的腦間同步，但是也有新興證據(jù)表明，內(nèi)源性的認知過程同樣發(fā)揮著重要作用。

本研究旨在探索，在二重奏的音樂演奏中，哪些因素會造成腦間同步出現(xiàn)；腦間同步與多人協(xié)作行為的同步又呈現(xiàn)怎樣的關(guān)系。研究通過設(shè)置多重奏音樂表演中的“擾動”，旨在揭示腦間同步與協(xié)作行為之間的動態(tài)關(guān)系。

*擾動：本文擾動是指假被試故意提前進入節(jié)拍，導(dǎo)致錯誤演奏。

研究背景

先前對腦間同步的超掃描研究表明，在吉他多重奏中，腦間同步的現(xiàn)象通常出現(xiàn)在兩個大腦之間的頻帶振蕩耦合時。當對人際協(xié)調(diào)行為的需求較高時，頻帶振蕩耦合主要出現(xiàn)在前額-中央腦區(qū)的δ波（0.5–4 Hz）和θ波（4–8 Hz）頻段。

此外，吉他手之間的相位對齊與他們的演奏開始時間差異有相關(guān)關(guān)系，相位和時間差異之間存在顯著的角度–線性相關(guān)性。

有趣的是，即使在感官輸入和行為被控制相同的情況下，亦或是在沒有感官輸入或音樂暫停期間，腦間同步也能夠出現(xiàn)。這表明，腦間同步不僅僅依賴于共享的感知-行為影響，還可以通過協(xié)調(diào)行為的認知過程自發(fā)地產(chǎn)生，從而支持行為同步。

*相位：是指在一個周期性波動中，波的某個特定點在時間上的位置或狀態(tài)。

*認知過程：本文所指認知過程包括自下而上的認知控制與自上而下的認知控制，兩者被認為是協(xié)調(diào)行為的重要認知過程。

研究假設(shè)

行為層面：研究預(yù)期一個演奏者的提前進入會導(dǎo)致兩個聲音之間的相位偏移，接下來的合作者（即共同演奏者）需要加快自己的演奏速度才能重新同步。除了演奏中的去同步化（表現(xiàn)為兩個參與者之間更長的擊打間隔，稱為ITIs，即敲擊間隔），這一擾動還應(yīng)導(dǎo)致更高的協(xié)調(diào)行為變異性。

神經(jīng)層面：預(yù)期在受到擾動的情況下，與未受擾動（控制）條件下的同步行為相比，腦間同步會減弱。也就是說，在擾動條件下，大腦的同步活動將減少，表現(xiàn)為協(xié)同演奏的神經(jīng)同步性降低。

*預(yù)期演奏者提前進入即主試為達到“擾動”目的設(shè)置的假被試。共同演奏者即真被試。

*去同步化：兩個個體之間的同步行為失效。在音樂演奏的背景下，兩個演奏者通常會保持協(xié)調(diào)，確保他們的節(jié)奏、音符、演奏的時機等方面保持同步。當一個演奏者提前進入或改變了自己的演奏節(jié)奏時，演奏者之間的同步性會被破壞，導(dǎo)致去同步化現(xiàn)象。

*變異性：行為或生理信號在時間或不同試驗間的波動性。在擾動發(fā)生時，演奏者之間的行為變得不再一致，導(dǎo)致更多的不確定性和波動性。

研究方法

研究同時記錄了13對鋼琴家在一起進行二重奏時的腦電數(shù)據(jù)。實驗為了控制“協(xié)調(diào)需求”，設(shè)置其中一個音樂家作為假被試，故意使演奏不同步，產(chǎn)生“擾動”。

受試者會提前幾天收到要演奏的音樂，并要求記住樂譜，確保實驗中的眼動最小化。每段樂譜由5個不同的四分之一音符組成（第一個：C4、D4、E4、F4和G4；第二個：A3、B3、C4、D4、E4）。實驗過程中，為了使演奏不同步，假被試會通過縮短暫停來產(chǎn)生相位移動，迫使真被試加快速度(圖1)。每次試驗前，假被試都會收到屏幕上的指示，告訴他們是否要犯錯誤。一次實驗包括80次試驗，分成4個block，每個區(qū)塊約15 min。

實驗過程中使用64導(dǎo)主動電極帽(actiCAP，Brain Products GmbH，Germany)同時記錄兩位鋼琴家的腦電圖，且在后續(xù)使用神經(jīng)生理學(xué)數(shù)據(jù)分析軟件（Brain Vision Analyzer 2, Brain Products）對EEG原始數(shù)據(jù)進行處理（國內(nèi)由瀚翔腦科學(xué)總代理Brain Products產(chǎn)品）。

研究結(jié)果

行為結(jié)果(圖1B、C)：通過分析去同步化及變異性，擾動試驗的去同步化比非擾動試驗呈現(xiàn)更顯著的陰性，表明在擾動試驗中，行為去同步化和變異性顯著增加。

腦電結(jié)果(圖1D)：通過腦間相位相干性（IPC）測量腦間同步性，與非擾動試驗相比，在擾動期間的delta和theta頻帶耦合增加。并且，在delta波段的IPC的增加伴隨著相位差角從同相位向反相位同步的轉(zhuǎn)移（圖2），即擾動試驗中，相位角與行為結(jié)果的去同步化高度一致，表明當假被試提前進入節(jié)拍時，真被試與假被試敲擊時間間隔拉長、出現(xiàn)去同步化。

腦間同步應(yīng)當反映的是感覺-運動對準和協(xié)調(diào)行為的認知需求，特別是在應(yīng)對擾動時，擾動期間 IPC 的增加可能與注意力的提升和適應(yīng)性行為相關(guān)，因為音樂家在試圖重新同步時增加了腦部活動。相位對準分析表明，在擾動過程中，鋼琴演奏者的大腦活動與行為啟動去同步化緊密關(guān)聯(lián)，揭示了聯(lián)合音樂表演中實時協(xié)調(diào)背后的神經(jīng)機制。

圖1 （A）音樂片段：上排由假被試演奏，假被試在樂曲的二重奏部分暫停后，會在一半的試驗中提前開始演奏。下排由真被試演奏，需要根據(jù)假被試演奏做出反應(yīng)，適應(yīng)這種擾動（即調(diào)整自己的演奏節(jié)奏）。（B）演奏時的異步性（Asynchrony）：研究通過計算每次點擊（tap）之間的擊打間隔（ITIs，Inter-Tap Intervals），來衡量兩位演奏者的演奏是否同步。異步性是通過比較合作者和常規(guī)參與者之間的ITIs差異來衡量的。(C)演奏的一致性（Constancy）：一致性通過計算每次點擊之間擊打間隔的標準差（standard deviation of ITIs）來評估，標準差越大，表示演奏的變異性越大，演奏的時序越不穩(wěn)定。（D）大腦連接性圖譜（Connectivity Maps）

圖2 相位差角。針對兩對電極在 delta 和 theta 頻率帶的分析。相位差是指兩位演奏者（合作者和常規(guī)參與者）在特定頻段下的大腦活動的相對時序差異。在圖示中，每個參與者的相位差角度是在所有試驗的15次Tap中平均得出的

總結(jié)

腦間同步是基于不同大腦機制的人際時間對準，并非簡單地簡化為相似的感覺或運動。

盡管擾動導(dǎo)致了行為的去同步化，但大腦之間的相位同步增加。這一發(fā)現(xiàn)表明，在同步過程中，腦間同步不能僅僅被還原為相同的運動和感覺輸入反饋，而應(yīng)該通過參與對擾動的執(zhí)行和感知的高級認知過程的時間對準來解釋，比如集中注意力和監(jiān)測。

不同的測量方式反映了人際互動的不同方面，用以涵蓋這種互動的潛在的神經(jīng)機制。