脑机启侦｜听音乐时大脑对旋律的预测（11.20）

更新时间：2024-11-20 19:00  浏览量：14

图片来源：欧洲神经科学杂志

人类大脑非常擅长检测世界中的模式，并利用这些信息来预测未来事件。我们对音乐的体验也反映了这种预测事件的能力，具体来说，就是我们能够直观地预测正在聆听的旋律中接下来会出现什么。

研究介绍

马克斯·普朗克人类认知和脑科学研究所的研究人员一直致力于更深入地理解支撑我们在音乐中预测接下来旋律的复杂神经动力学。他们最近在《欧洲神经科学杂志》上发表的论文表明，不确定性（即熵）在旋律预测中起着关键作用，同时也突出了音乐家和非音乐家在处理音乐时大脑反应的新差异。

加莱亚诺·奥塔尔瓦罗、豪尔迪·马尔托雷尔及其同事在论文中写道：“先前关于音乐认知的研究表明，低频（1–8赫兹）大脑活动对旋律预测的编码超出了刺激声学范围。基于这项工作，我们的目标是分离出与旋律预测不确定性（建模为熵）和预测错误（建模为惊讶度）相关的特定频率的神经动力学，这些预测涉及时间（音符起始）和内容（音符音高）信息。”

研究方法

为了进行研究，研究人员招募了20名参与者，其中一半是专业钢琴家。这些参与者被要求聆听从约翰·塞巴斯蒂安·巴赫的作品中提取的10段钢琴旋律，每段旋律大约持续150秒。

参与者需要聆听每段旋律三次。在他们聆听的过程中，研究人员使用脑电图（EEG）技术收集记录，该技术依靠电极来测量大脑的电活动。

研究团队计算了旋律中一个音符跟随另一个音符出现的概率，这使他们能够计算出旋律片段通常会引发的惊讶度。然后，他们分别计算了熵（不确定性的度量），即音符序列中所有后续音符的惊讶度的平均值。

加莱亚诺·奥塔尔瓦罗及其同事使用包括MATLAB、FieldTrip工具箱和EEGLAB工具箱在内的不同科学研究软件工具包分析了参与者的EEG记录。他们的分析揭示了听音乐时旋律预测的神经相关因素。

研究人员写道：“我们的结果表明，旋律预期指标提高了伽马频段以下（在所有频段中，与惊讶度相比，熵对重建准确性的提高贡献更大。此外，我们还发现，时间信息（而非内容信息）的编码不仅限于低频段，而是扩展到了更高频段（>8赫兹）。”

总体而言，研究人员发现，旋律中的不确定性（即熵）被编码在跨越不同频段的神经反应中。研究人员还能够确定能够编码在参与者听到给定音符之前音符起始不确定性的频率。

研究人员写道：“对时间响应函数（TRF）权重的分析显示，音符的时间可预测性（音符起始的熵）可能在刺激之前的δ波（1–4赫兹）和β波（12–30赫兹）大脑活动中得到编码，这表明这些频段与时间预测相关。”

研究未来

“引人注意的是，我们还发现，旋律预期选择性地提高了音乐家β波和非音乐家α波（8–12赫兹）中的脑电图重建准确性，这表明音乐专长影响了音乐认知中预测处理的基础神经动力学。”

除了深入了解听音乐时旋律预测的大脑活动外，研究人员还观察了专业钢琴家和非音乐家大脑电活动的差异。具体来说，他们发现，对于钢琴家来说，旋律预测与β波段的更多脑电波相关，而对于非音乐家来说，则与α波段的脑电波相关。

该团队的研究结果很快将为探索旋律预测的神经相关因素或音乐家和非音乐家之间观察到的差异的新研究铺平道路，这些工作将进一步丰富对人类大脑处理音乐及预测未来事件的理解。