【思维导图】清华2019年论文《人类大脑中听音乐和回忆音乐的神经关联》内容提炼

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参考文献

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA5OTI3OTk3OQ==&mid=2247489533&idx=1&sn=4f3edb1334cc24447def4ee309332328&chksm=9085e2f9a7f26bef22b0f79f542d903b5ff1e6a726b870fbb71bf1f78c73c1f27ec924e0e5e8&mpshare=1&scene=1&srcid=1009zpRgT7QCwXlS01NYiS65&sharer_sharetime=1570593919529&sharer_shareid=a12c15ddef863cf656d340c52b1b88f5#rd

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31501297/

19清华Neural Correlates of Music Listening and Recall in the Human Brain人类大脑中听音乐和回忆音乐的神经关联

公众号文章
o实验准备
团队通过和清华玉泉医院、301医院神经外科的临床合作，利用手术前神经电生理监护的难得机会，
以毫秒级的时间分辨率记录到了人脑在倾听和回忆熟悉音乐时的大脑皮层表面神经活动。
在这项临床研究中，将要进行癫痫病灶切除手术的病人大脑表面放置了用于电生理监护的电极，他们在倾听和回忆熟悉音乐时，可以直接记录到大脑皮层表面的电活动。
为了便于受试者进行音乐回忆，研究人员选择了大家耳熟能详的纯音乐，并让受试者在实验前对音乐的熟悉度进行评分。音乐包括“致爱丽丝”、“婚礼进行曲”以及新闻联播主题曲等。
o该研究被美国神经科学学会Society of Neuroscience选做媒体推广，并被评为Journal of Neuroscience期刊9月最热门文章之一。清华大学脑与智能实验室王小勤教授和生物医学工程系洪波教授为本文的共同通讯作者，丁悦博士为第一作者。该研究得到国家自然科学基金和科技部的资助。
摘要
o背景内容
之前的神经成像研究已经确定了不同的大脑区域在听音乐或回忆时被激活。
然而，对于这些大脑区域在听和回忆音乐时是如何表现时间进程和时间特征的，我们知之甚少。
o实验手段
在此，我们利用10名植入硬膜下电极的癫痫患者的皮质电图记录，分析了与听音乐和回忆相关的大脑不同区域的神经活动。
o实验结果
当受试者在听熟悉的乐器音乐或通过图像回忆相同的音乐片段时，皮质电信号会被激活。
在开始阶段(0-500毫秒)，
o听音乐启动了颞叶和颏上回的high-gamma带皮层活动，接着是中央前回和额下回。
o相比之下，在回忆音乐时，高伽马波段的活动首先出现在额下回和中央前回，然后扩散到颞叶，呈现出反向的时间顺序。
在持续期(500毫秒后)，
o在听或回忆音乐时，颞叶和额叶的delta band and high-gamma反应动态跟踪音乐的强度包络，表现为明显的时间延迟。
在听音乐时，额叶的神经跟踪滞后于颞叶;而在回忆音乐时，额叶的神经追踪会先于颞叶。
o实验结论
这些发现证明了大脑皮层在听和回忆音乐时的自下而上和自上而下的过程，并为人类大脑处理音乐提供了重要的见解。
本文总结
o总体问题
理解大脑如何分析、储存和检索音乐仍然是神经科学中最具挑战性的问题之一
o清华大学医学院生物医学工程系王小勤教授和洪波教授实验室
o在神经科学杂志（Journal of Neuroscience）在线发表论文（“Neural Correlates of Music Listening and Recall in the Human Brain”）。
o播放熟悉音乐的前半句，受试者能够轻松回忆后半句，就像上面漫画中的情景
o研究了人类大脑如何处理和表征一段熟悉的音乐
发现倾听和回忆音乐的大脑皮层活动在时空分布上呈现相反的轨迹（Ding et al., 2019）。
Introduction
o研究背景
之前的影像学研究
音乐想象回忆过程会激活包括听觉皮层、额叶皮层、感觉运动区等在内的多个脑区
具体位置与音乐倾听过程激活的脑区存在重叠，也有各自特有的激活区
o图1 音乐倾听和回忆涉及重叠及各自独有的脑区（Herholz et al., 2012）
音乐语言等听觉处理相较于静态图像的处理，最大区别就在于时间动态性，
但是对于这些脑区中的神经活动在音乐倾听和回忆过程中如何随着时间动态展开，人们知之甚少，
而且传统的功能磁共振方法也无法跟踪这样的动态过程
Materials and Methods
oexperimental subjects
实验对象本研究共测试了10名受试者，其中9名来自清华大学附属玉泉医院，1名来自中国人民解放军总医院，
其中男性6名，女性4名(表1)，年龄13 ~ 45岁(平均24.1岁，SD 9.6岁，中位数22.5岁)。
所有受试者均为诊断为医学顽固性癫痫的患者，并进行了ECoG记录以确定癫痫发作的病灶。
用硬膜下电极对受试者的ECoG信号进行了1-4周的长期监测，在此期间他们可以参与这里报道的实验。
The ECoG electrode coverage of every
 subject was purely determined by clinical needs.
每个受试者的ECoG电极覆盖完全由临床需要决定。
所有10名受试者都是右撇子。
除了没有对任何受试者进行过正式的音乐训练外，没有任何关于音乐功能水平的详细信息。
oData acquisition
受试者植入临床硬膜下电极(铂栅格，每个电极直径4 mm，电极间中心距1 cm)。
4例患者接受了左半球植入，6例接受了右半球植入(表1)。
在所有受试者中(除受试者10外)，使用96通道放大器/数字化仪系统(G.tec)记录植入电极的ECoG信号。
放大器采样信号在1200赫兹，使用一个高通滤波器与0.1 Hz截止频率和一个缺口滤波器在50赫兹去除电力线噪声。
放置在颅骨外表面的四个电极的接触面远离颅骨，作为接地和参考(两个作为接地，两个作为参考，以冗余)。
oSound stimuli
oElectrode localization
oExperimental design and statistical analysis
Experiment procedure.
实验过程。
o我们对每个受试者进行了两个实验:一个意象实验和一个对照实验，如下所示。
oimagery experiment
图像实验由短提示和长提示两种条件组成，二者的比较可作为对音乐回忆的操作检验。
在短提示条件下，被试听一段音乐的开头_{5秒，然后回忆这段音乐的其余部分(}5秒)。
在长提示条件下，被试听这段音乐的开头一段音乐的起始~8 s，并回忆该音乐的其余部分(~2s)(图1C)。
在这两种情况下，研究人员都给研究对象看一段音乐的最初部分，并要求他们通过想象回忆剩下的部分。
当受试者在脑中用与电极覆盖区域同侧的手完成回忆时，他们就按下一个按钮(电脑键盘上的空格键)。
这使我们能够估计召回持续时间，以便进一步分析。
在给定的实验条件下，被试总是在同一个刺激物内同一时间开始回忆。
因此，图像实验提供了ECoG信号，对应于听一段音乐的初始(提示)部分和回忆乐曲未呈现的部分。
这两种情况(长线索和短线索)分别在不同的区块进行测试。
在每种情况下，随机地给受试者若干刺激，每段音乐重复20次。
每个区域的持续时间取决于刺激的数量，但不超过20分钟。
受试者被允许在需要休息的时候暂停测试。
oA control experiment
Behavioral data analysis.
High-gamma response and latency of the onset phase.
Results
ofigure1
图1所示。实验范式与行为结果。
A.单个电极覆盖。
o黄点代表分析中包含的电极。
o深蓝色的点表示临床诊断的电极位于冰原区或在记录过程中被认为是损坏的。
B，所有电极位置。
o橙色的点代表只在听音乐时分析的电极。
o白点代表在听音乐和回忆音乐时所分析的电极。
C，想象实验(上两栏)和对照实验(下两栏)的实验范式。
蓝色条代表听音乐。红色条代表音乐回忆。白色条代表没有音乐播放和没有回忆。
箭头表示想象实验中按钮按下的时间(被试完成音乐回忆时)和对照实验中纯音和按钮按下的时间(被试听到纯音时)。
D，所有受试者的行为结果。
深蓝条代表短线索条件下的回忆持续时间。
浅蓝色条代表长线索条件下的记忆持续时间。
紫色代表长杆和短杆条件下的显著差异
(未配对学生的t检验,p 0.05)。误差条显示了试验中的SEM。
受试者1 - 6用一种刺激进行测试，受试者7-10用不止一种刺激进行测试。
每个刺激的数据分别绘制
Discussion
oMusic listening and recall: bottom-up andtop-down processes听音乐和回忆:自下而上和自上而下的过程
图2 音乐倾听和回忆的时序过程相反，额叶在音乐回忆中先启动
通过分析从人脑直接获得的神经信号，研究人员观察到与音乐倾听和回忆相关的脑区先后动态激活。
虽然在倾听和回忆这两个过程中脑区之间存在重叠，但音乐信息在这两个过程中沿相反的方向传播。
在倾听过程中，从颞叶及缘上回的听觉感觉区开始，到额叶区域；
而在回忆过程中，则是从额叶到颞叶听觉区流动。
研究者将音乐倾听和回忆的动态过程分为启动阶段（0-500毫秒）和持续阶段（500毫秒以后）。
o在启动阶段，音乐倾听在大脑两侧半球都有脑区激活，而音乐回忆仅激活右侧大脑的部分脑区。
通过对比右侧大脑在音乐倾听和回忆过程中均被激活的脑区活动，研究者发现倾听和回忆音乐过程中的大脑活动时空顺序竟然完全相反（图2）。
oNeural correlates of music intensity profile during listeningand recall听和回忆时音乐强度的神经相关性
图3 倾听音乐时（上图），颞叶听觉脑区神经活动（蓝线）对音乐强度的跟随更好，延时更小；回忆音乐时（下图），额叶脑区神经活动（红线）对音乐强度的跟随更好，延时更小。
在音乐启动500毫米之后的持续阶段，研究人员发现额叶和颞叶的高频神经活动（60-140Hz）的能量在音乐倾听和回忆的过程中，都动态地跟随音乐强度的变化。
在音乐倾听过程中，神经响应对音乐强度包络的跟随在右侧听觉皮层达到最高，而且时间延迟接近于0；
而额叶神经信号对音乐强度跟随较弱，且有时间延迟较大（图3）。
与启动阶段的规律类似，音乐回忆过程中，额叶神经活动对音乐强度的跟随较好，而且延时小于颞叶神经响应，再次表明了音乐倾听和回忆过程中神经活动相反的时空顺序。
oLateralization of music listening and recall音乐听和回忆的侧边化
此外研究还为音乐相关认知过程的神经响应存在右偏侧现象提供了新的证据。
音乐倾听时，右侧大脑激活的脑区更多、响应更强，对音乐强度包络的跟随性更好；
音乐回忆时，启动阶段仅右侧大脑跟随，持续阶段右侧大脑激活的脑区更多，且右侧大脑对想象中音乐强度包络的跟随更精确。
oLimitations and future research questions局限性和未来的研究问题
本研究揭示了大脑回忆熟悉音乐的动态过程，特别是前额叶在回忆中的主导作用。
进一步的问题是，“耳朵虫”Earworm究竟住在人脑哪里？即这些熟悉的音乐旋律在大脑什么地方存储，是怎样的形式存储和提取的呢？未来的研究可以对这些问题进行更深入的观察和探究（Cotter 2019）。
References

图1 音乐倾听和回忆涉及重叠及各自独有的脑区（Herholz et al., 2012）

Data acquisition

A.单个电极覆盖。

B，所有电极位置。

C，想象实验(上两栏)和对照实验(下两栏)的实验范式。

图2 音乐倾听和回忆的时序过程相反，额叶在音乐回忆中先启动

当受试者在听熟悉的乐器音乐或通过图像回忆相同的音乐片段时，皮质电信号会被激活。

Sound stimuli

在长提示条件下，被试听这段音乐的开头一段音乐的起始~8 s，并回忆该音乐的其余部分(~2s)(图1C)。

experimental subjects

D，所有受试者的行为结果。

图3 倾听音乐时（上图），颞叶听觉脑区神经活动（蓝线）对音乐强度的跟随更好，延时更小；回忆音乐时（下图），额叶脑区神经活动（红线）对音乐强度的跟随更好，延时更小。

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