賴永秀 田 銀 堯德中

(電子科技大學(xué) 神經(jīng)信息教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 成都 610054)

引言

音樂速度是指音樂進(jìn)行時(shí)節(jié)拍的相對(duì)快慢程度，即拍子的速率。它取決于樂曲的內(nèi)容與風(fēng)格，與音樂所表達(dá)的情緒、情感有密切關(guān)系［1］，是準(zhǔn)確詮釋音樂作品個(gè)性的基礎(chǔ)。由于音樂表現(xiàn)的需要，不同風(fēng)格樂曲的演奏速度通常不同，而同一樂曲內(nèi)的速度也常緩急交錯(cuò)。因此，感知音樂速度變化對(duì)演奏家、作曲家和聽者都具有重要意義［2］。

速度變化檢測(cè)相關(guān)的行為研究顯示，不同速度范圍內(nèi)的感知偏差不同［3－5］。當(dāng)聲音刺激間隔(inter onset interval，IOI)小于500 ms時(shí)，傾向于加速判斷;當(dāng)IOI大于700 ms時(shí)，傾向于減速判斷;而當(dāng)IOI在500～700 ms(許多音樂的偏好速度)之間時(shí)，對(duì)加速減速的判斷無偏差。即存在一個(gè)行為無差異的中速區(qū)間，在該區(qū)間內(nèi)，對(duì)加速與減速的檢測(cè)難度相等。但事件相關(guān)電位 (event－related potentials，ERPs)研究顯示，行為無差異區(qū)間內(nèi)的速度變化感知在電生理上是有顯著差異的。通過要求被試判斷刺激序列最后一拍的早晚，Jongsma等發(fā)現(xiàn)速度方向變化影響P3的不同亞成分，即加速增強(qiáng)P3晚成分，而減速增強(qiáng) P3早成分［6］。根據(jù)振蕩器理論，加速目標(biāo)可以吸引主動(dòng)注意，而減速目標(biāo)則主要由被動(dòng)注意檢測(cè)。因此，延遲呈現(xiàn)目標(biāo)的感知不同于提前呈現(xiàn)目標(biāo)。表明電生理數(shù)據(jù)對(duì)速度變化檢測(cè)可能比行為數(shù)據(jù)能提供更準(zhǔn)確的測(cè)度。

速度變化不僅能在主動(dòng)注意狀態(tài)下被識(shí)別，而且在非注意狀態(tài)下也能被感知［7－13］。但相關(guān)失匹配負(fù)波(MMN)實(shí)驗(yàn)主要研究了快速(IOI＜500 ms)、慢速(IOI＞700 ms)下的速度變化，或中速(500 ms＜IOI＜700 ms)下的跨區(qū)速度變化。而中速內(nèi)的速度變化對(duì)MMN的影響還沒有報(bào)道。作為許多音樂的偏好速度，行為無差異區(qū)間對(duì)理解人類音樂感知機(jī)理非常重要。因此，本課題主要研究行為無差異區(qū)間內(nèi)的等間距序列速度變化，探測(cè)該區(qū)間內(nèi)的加速與減速感知MMN是否有差異。根據(jù)相關(guān)的電生理研究，假設(shè)單調(diào)節(jié)奏中的局部速度擾動(dòng)可以被大腦自動(dòng)加工，且加速與減速感知的 MMN特征不同。

1 材料和方法

1.1 刺激材料

標(biāo)準(zhǔn)刺激是由5個(gè)相同鼓點(diǎn)音組成的等間隔序列。鼓點(diǎn)音是 K－8bit2，音高 C5，音長85 ms。實(shí)驗(yàn)共用三類不同標(biāo)準(zhǔn)等間隔序列，即IOI分別為300、600、900 ms。對(duì)每類標(biāo)準(zhǔn)序列的第三個(gè) IOI進(jìn)行10%的增減，各生成加速、減速兩類偏差序列。所有刺激均用軟件FLS6.0和Audition3.0合成。

1.2 行為實(shí)驗(yàn)

行為實(shí)驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)中速序列中的局部速度擾動(dòng)檢測(cè)是否確實(shí)無感知偏差。實(shí)驗(yàn)共分3組，分別對(duì)應(yīng)三種不同標(biāo)準(zhǔn)速度:IOI=300、600、900 ms，播放順序偽隨機(jī)。其中每組含標(biāo)準(zhǔn)、加速、減速共3類序列，各隨機(jī)重復(fù)播放25次。要求被試根據(jù)序列前3個(gè)音的播放速度，判斷第4個(gè)音的播放時(shí)刻是提前、延后還是恰好等速，同時(shí)分別盡快按數(shù)字鍵 1、2、3 進(jìn)行響應(yīng)。

1.3 腦電實(shí)驗(yàn)

腦電實(shí)驗(yàn)采用被動(dòng)聽覺范式，研究行為無差異區(qū)間內(nèi)的速度變化對(duì)MMN的影響，所以只考慮600 ms標(biāo)準(zhǔn)速度下的標(biāo)準(zhǔn)、加速、減速三類刺激序列。實(shí)驗(yàn)分為兩組，每組中三類刺激各重復(fù)50次，隨機(jī)呈現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)中要求被試認(rèn)真觀看無聲電影而忽略雙耳的聲音刺激。

1.4 被試

行為實(shí)驗(yàn)被試共19名，平均年齡為(23.2±1.6)歲，腦電實(shí)驗(yàn)被試共15名，平均年齡為(23.5±1.3)歲，均為男性右利手大學(xué)生，無神經(jīng)或心理疾病歷史，聽力正常，視力正?；虺C正正常。實(shí)驗(yàn)前均簽署了知情同意書。

1.5 EEG記錄

EEG采集使用EGI200系統(tǒng)，129導(dǎo)電極在頭表按10－20標(biāo)準(zhǔn)安放。參考電極Cz，接地電極在前額，水平和垂直眼電由眼眶上下和側(cè)面的EOG電極記錄。電極阻抗小于50 KΩ，采樣率1000 Hz。實(shí)驗(yàn)室電屏蔽，隔音，光線微弱。計(jì)算機(jī)屏幕位于被試正前方50 cm，聽覺刺激通過Sennheiser耳機(jī)同時(shí)呈現(xiàn)到雙耳。腦電記錄過程中，要求被試采用舒適的姿勢(shì)，盡力保持身體不動(dòng)、避免眨眼和眼動(dòng)。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 行為數(shù)據(jù)

根據(jù)響應(yīng)精度(Acc)剔出一個(gè)被試的數(shù)據(jù)(Acc＜50%)。為判斷不同標(biāo)準(zhǔn)速度下的感知偏差，對(duì)響應(yīng)精度Acc和辨別力指數(shù)d’進(jìn)行雙因素重復(fù)測(cè)量Anova分析，再對(duì)每種標(biāo)準(zhǔn)速度下的加速和減速的辨別力指數(shù)d’進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn)。

2.2 腦電數(shù)據(jù)

離線數(shù)字濾波1～30 Hz，重參考為平均參考。剔除含EOG偽跡的Epochs。由于過多眼電偽跡，三個(gè)被試的數(shù)據(jù)不參與進(jìn)一步分析。分段以序列第4音開啟點(diǎn)為零點(diǎn)，選取刺激后600 ms的數(shù)據(jù)。為減弱第3音的持續(xù)影響，采用第3～4音之間的整段數(shù)據(jù)做基線。經(jīng)過疊加平均和基線校正，分別得到三類條件的大平均ERP波形。

根據(jù) ERP量化的優(yōu)化方法［14］，隨后在一個(gè)更窄的帶通范圍內(nèi)(1～10 Hz)對(duì)幅度和潛伏期進(jìn)行分析，以便平滑差異波，類似于傳統(tǒng)的10～100 ms時(shí)間窗(以峰值潛伏期為中心)平均。偏差ERP減去標(biāo)準(zhǔn)ERP，得到差異波。

MMN幅度由刺激開啟后100～400 ms內(nèi)的最大負(fù)峰確定。通常，經(jīng)典的MMN峰值在150～250 ms［15］，但對(duì)復(fù)雜的聽覺或認(rèn)知加工，需要考慮更寬的時(shí)間窗［16］。本研究中的100～400 ms窗與相關(guān)研究一致［16－17］。MMN潛伏期由MMN峰值確定。

中線區(qū)電極的EEG數(shù)據(jù)用于統(tǒng)計(jì)分析。首先采用單因素重復(fù)測(cè)量ANOVA分析，檢驗(yàn)MMN是否顯著不同于基線，MMN潛伏期對(duì)應(yīng)的偏差ERP幅度是否顯著小于標(biāo)準(zhǔn)ERP幅度。然后再對(duì)MMN的潛伏期和幅度進(jìn)行單因素重復(fù)測(cè)量ANOVA分析，檢驗(yàn)加速感知與減速感知是否有差異。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 行為實(shí)驗(yàn)

以速度及速度擾動(dòng)方向?yàn)樽宰兞浚瑢?duì)Acc和d'進(jìn)行雙因素重復(fù)測(cè)量Anova分析。結(jié)果顯示，速度的主效應(yīng)均達(dá)到顯著(F(2，17)=5.566，P＜0.05;F(2，17)=6.165，P ＜0.01)。后校驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，中速(IOI=600 ms)的 Acc顯著大于快速(IOI=300 ms)(P＜0.01)和慢速(IOI=900 ms)(P＜0.05);加速的Acc顯著小于減速(P＜0.05);加速的d’也顯著小于減速(P＜0.01)。但二者的交互效應(yīng)均不顯著。

配對(duì)t檢驗(yàn)顯示，快速序列中，加速和減速的d’有顯著差異(P＜0.001);慢速序列中，加速和減速的d’也有顯著差異(P＜0.05);但中速序列中，加速和減速的d’無顯著差異。該結(jié)果表明，被試對(duì)中速序列局部速度變化的主動(dòng)檢測(cè)不存在行為上的感知偏差，確保了后續(xù)MMN實(shí)驗(yàn)所采用的標(biāo)準(zhǔn)速度確實(shí)在行為無差異區(qū)間內(nèi)。

3.2 腦電實(shí)驗(yàn)

圖 1 為中線(Fz，Cz，Pz，F(xiàn)3，F(xiàn)4，C3，C4)及左右乳突(LM，RM)電極的標(biāo)準(zhǔn)和偏差大平均 ERP波形。偏差ERP減去標(biāo)準(zhǔn) ERP得到差異波，其中額葉區(qū)電極有明顯的負(fù)波，如圖2所示。

采用單因素重復(fù)測(cè)量Anova對(duì)最大負(fù)峰對(duì)應(yīng)的偏差及標(biāo)準(zhǔn)ERP的幅度差異進(jìn)行了檢驗(yàn)。結(jié)果顯示，標(biāo)準(zhǔn) ERP的幅度顯著大于加速(F(1，12)=14.49，P＜0.001)和減速(F(1，12)=10.59，P ＜0.005)兩種偏差ERP的幅度。

同時(shí)再采用單因素重復(fù)測(cè)量Anova對(duì)偏差誘發(fā)的MMN與基線進(jìn)行比較。結(jié)果顯示，加速(F(1，12)=282.22，P ＜0.001)和減速(F(1，12)=94.29，P＜0.001)兩種偏差條件下的差異負(fù)波均顯著不同于基線。

在 Fz，加速的 MMN 幅度為 －0.42 μV，潛伏期238 ms;減速的 MMN幅度為 －0.31 μV，潛伏期295 ms。單因素重復(fù)測(cè)量 Anova分析顯示，加速 MMN的幅度顯著大于減速(F(1，12)=6.06，P＜0.05)，潛伏期顯著早于減速(F(1，12)=6.77，P＜0.05)。

4 討論

本研究發(fā)現(xiàn)，在行為響應(yīng)中，被試對(duì)中速序列局部速度變化的主動(dòng)檢測(cè)不存在感知偏差;但在大腦自動(dòng)感知加工中，F(xiàn)z電極的加速 MMN比減速M(fèi)MN的幅度更大，潛伏期更早。

4.1 行為結(jié)果

行為數(shù)據(jù)顯示，速度對(duì)Acc和d’有顯著影響，中速的Acc和d’均大于慢速和快速。進(jìn)一步分析顯示，慢速和快速下，加減速的d’均有顯著差異;而中速下，加減速的d’無顯著差異。表明快慢速下均存在速度變化感知偏差，而中速下的速度變化感知無偏差。這可能正是中速Acc大于快慢速Acc的原因。但MMN結(jié)果顯示，加速和減速間有顯著差異。結(jié)合行為和電生理結(jié)果，本研究推測(cè)，中速的加減速感知差異較小，不足以對(duì)行為成績(jī)產(chǎn)生顯著影響，而對(duì)電生理數(shù)據(jù)可產(chǎn)生顯著影響。由于MMN對(duì)聽覺刺激的可識(shí)別甚至無法識(shí)別的變化都很敏感，說明在感知和認(rèn)知加工中，ERP包括MMN可能是比行為成績(jī)更敏感的指標(biāo)。

4.2 速度擾動(dòng)方向?qū)MN的影響

圖1 中線及左右乳突電極的大平均ERP波形圖。(a)F3;(b)Fz;(c)F4;(d)C3;(e)Cz;(f)C4;(g)LM;(h)Pz;(i)RMFig.1 Grand-averaged ERPs at midline and mastoid sites for standard，acceleration and deceleration conditions respectively.(a)F3;(b)Fz;(c)F4;(d)C3;(e)Cz;(f)C4;(g)LM;(h)Pz;(i)RM

圖2 額葉區(qū)電極的差異波。(a)F3;(b)Fz;(c)F4Fig.2 Difference Waveforms at frontal sites for acceleration and deceleration conditions respectively.(a)F3;(b)Fz;(c)F4

ERP分析顯示，在 Fz，加速 MMN的幅度更大，潛伏期更早。表明即使在行為無偏差的中速下，刺激開啟的提前和延后也是有區(qū)別的。Sams等發(fā)現(xiàn)，偏差刺激偏離標(biāo)準(zhǔn)刺激的量越大，MMN幅度越大，潛伏期越短［18］。Kisley等也指出，MMN波幅對(duì)微弱的速度變化很敏感，會(huì)隨速度變化程度的增大而顯著增加，與被動(dòng)注意的神經(jīng)活動(dòng)相關(guān)［19］。與此相似，Tervaniemi推斷，行為上易識(shí)別的聲音比難識(shí)別的聲音能誘發(fā)更大幅度的 MMN［20］。因此，本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示，對(duì)中速等間隔序列，盡管速度變化比率相同，但加速與標(biāo)準(zhǔn)之間的偏差在感知上可能大于減速與標(biāo)準(zhǔn)之間的偏差，即提前目標(biāo)對(duì)應(yīng)行為上更容易識(shí)別的條件，而延后目標(biāo)則相反。

腦電數(shù)據(jù)的分析顯示，即使在行為無偏差速度下，加速感知也不同于減速感知。據(jù)相關(guān)研究報(bào)道，加減速的感知機(jī)理并不相同。Hibi認(rèn)為，延長情況比縮短情況需要更大程度的偏離才能達(dá)到50%的正確判斷率［21］。Jongsma等也推測(cè)，提前呈現(xiàn)的加速目標(biāo)會(huì)導(dǎo)致一個(gè)‘驚喜效應(yīng)’，由于注意還未到達(dá)最大，可吸引主動(dòng)注意檢測(cè);而延遲呈現(xiàn)的減速目標(biāo)在注意到達(dá)最大時(shí)仍未出現(xiàn)，則注意在檢測(cè)到延遲后會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)移，離開聽覺序列，實(shí)際呈現(xiàn)時(shí)由被動(dòng)注意檢測(cè)［6］。這些研究表明，行為無偏差速度下的加減速感知機(jī)理可能不同。

行為無偏差速度下的加減速M(fèi)MN顯示了一個(gè)速度偏差方向效應(yīng)。相似的不對(duì)稱也存在于音長和頻率 MMN中［22－23］。在頻率變化或音長縮短偏差誘發(fā)的 MMN中，Grimm等發(fā)現(xiàn)，MMN與偏差開啟點(diǎn)距標(biāo)準(zhǔn)開啟點(diǎn)的時(shí)間距離有關(guān);偏差出現(xiàn)越晚，MMN幅度越?。?2］。由于標(biāo)準(zhǔn) IOI總是大于加速IOI而小于減速IOI，這種時(shí)間距離效應(yīng)可能部分地解釋了長短IOI偏差的不對(duì)稱性。基于偏差檢測(cè)和量化的同步理論，Colin等進(jìn)一步解釋了音長感知的不對(duì)稱效應(yīng)［23］。他們推測(cè)，對(duì)短偏差，偏差檢測(cè)和量化同時(shí)進(jìn)行;而對(duì)長偏差，偏差檢測(cè)早于偏差量化。根據(jù)Naatanen的刺激驅(qū)動(dòng)聽覺變化檢測(cè)的ERP模型［24］，提前目標(biāo)的同步加工可能比延后目標(biāo)的非同步加工能分配到更多注意資源。因此，即使在行為無偏差速度下，提前目標(biāo)也比延后目標(biāo)更容易識(shí)別。由于行為實(shí)驗(yàn)結(jié)果中缺少對(duì)應(yīng)的心理生理指標(biāo)，因此，這種速度擾動(dòng)方向效應(yīng)也可能是一種類似于音長感知的獨(dú)特電生理現(xiàn)象。

5 結(jié)論

本研究顯示，大腦能自動(dòng)感知行為無偏差區(qū)間內(nèi)的等間距序列速度的局部速度擾動(dòng)，且速度擾動(dòng)方向?qū)MN有顯著影響。與減速相比，在Fz，加速M(fèi)MN的幅度更大，潛伏期更早，可能更易被識(shí)別。行為和腦電實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，即使在行為無偏差速度下，大腦對(duì)加減速的感知還是有差異的。

［1］Dalla Bella S，Peretz I，Rousseau L，et al.A developmental study of the affective value of tempo and mode in music［J］，Cognition，2001，80(3):B1－B10.

［2］Desain P，Honing H.Tempo curves considered harmful.In“Time in contemporary musical thought”［J］.Contemporary Music Review，1993，7(2):123－138.

［3］Fraisse P.Perception and estimation of time［J］.Annual Review of Psychology，1984，35(1):1－36.

［4］VosPG，Ellerman HH. Precision and accuracy in the reproduction ofsimple tone sequences ［J］. Journalof Experimental Psychology:Human Perception and Performance，1989，15(1):179－187.

［5］Vos PG，Assen VM，F(xiàn)ranek M.Perceived tempo change is dependent on base tempo and direction of change:evidence for a generalized version of Schulze’s(1978)internal beat model［J］.Psychological Research，1997，59(4):240－247.

［6］Jongsma MLA，MeeuwissenE，VosPG，etal.Rhythm perception:Speeding up orslowing down affectsdifferent subcomponents ofthe ERP P3 complex ［J］. Biological Psychology，2007，75(3):219－228.

［7］Ford JM，Hillyard SA.Event－related potentials(ERPs)to interruptions of a steady rhythm ［J］.Psychophysiology，1981，18(3):322－330.

［8］Nordby H，Roth WT，Pfefferbaum A.Event－related potentials to time－deviant and pitch－deviant tones ［J］.Psychophysiology，1988，25(3):249－261

［9］Hari R，Joutsiniemi SL，Vilkman V.Neuromagnetic responses of human auditory cortex to interruptions in a steady rhythm［J］.Neurosci Lett，1989，99(1):164 －168.

［10］Naatanen R，Jiang Deming，Lavikainen J，et al.Eventrelated potentials reveal a memory trace for temporal features［J］.NeuroReport，1993，5(3):310 －312.

［11］Kujala T，Kallio J，Tervaniemi M，Naatanen R.The mismatch negativity as an index of temporal processing in audition ［J］.Clinical Neurophysiology，2001，112(9):1712－1719.

［12］Russeler J，Altenmu E，Nager W，et al.Event－related brain potentials to sound omissions differ in musicians and nonmusicians［J］.Neurosci Lett，2001，308(1):33 － 46.

［13］Sable JJ，Gratton G，F(xiàn)abiani M.Sound presentation rate is represented logarithmically in human cortex ［J］. European Journal of Neuroscience，2003，17(11):2492－2496.

［14］Sinkkonen J，Tervaniemi M.Towards optimal recording and analysis of the mismatch negativity ［J］.Audiol Neurootol，2000，5(3):235－246.

［15］Naatanen R，Paavilainen P，Rinne T，et al.The mismatch negativity(MMN)in basic research ofcentralauditory processing:A review［J］.Clin Neurophysiol，2007，118(12):2544－2590.

［16］Brattico E，Tervaniemi M，Naatanen R，et al.Musical scale properties are automatically processed in the human auditory cortex［J］.Brain Research，2006，1117(1):162－174.

［17］Schroger E，TervaniemiM，Naatanen R. Timecourseof loudness in tone patterns is automatically represented by the human brain［J］.Neuroscience Letters，1995，202(1):117 －120.

［18］Sams M，Paavilainen P，Alho K，et al.Auditory frequency discrimination and event related potentials ［J］.Electroencephalography＆ Clinical Neurophysiology，1985，62(6):437－448.

［19］Kisley MA，Davalos DB，Layton HS，et al.Small changes in temporal deviance modulate mismatch negativity amplitude in humans［J］.Neuroscience Letters，2004，358(3):197 －200.

［20］Tervaniemi M.Pre－Attentive Processing of Musical Information in the Human Brain ［J］.Journal of New Music Research，1999，28(3):237－245.

［21］Hibi S.Study of rhythm perception in repetitive sound sequence［J］.Ann Bull RILP，1982，16(1):103－124.

［22］Grimm S，Schr?ger E.Pre－attentive and attentive processing of temporal and frequency characteristics within long sounds［J］.Cognitive Brain Res，2005，25(3):711－721.

［23］Colin C，Hoonhorst I，Markessis E，et al.Mismatch negativity(MMN)evoked by sound duration contrasts:an unexpected major effect of deviance direction on amplitudes［J］.ClinNeurophysiol，2009，120(1):51 －59.

［24］Naatanen R. The role ofattention in auditory information processing as revealed by event－related potentials and other brain measures of cognitive function ［J］. Behavioral and Brain Sciences，1990，13(2):201－288.