腦間同步探秘音樂心理學

為理解人際互動提供全新視角

解碼音樂表演中微妙的協作奧秘

摘要

認知神經科學研究表明，協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，重點關注其如何促進行為同步，尤其是在那些具有挑戰性的情境中，例如節奏變化的音樂二重奏。

盡管環境中共通的感覺和指尖的運動會引發人們的腦間同步，但是也有新興證據表明，內源性的認知過程同樣發揮著重要作用。

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；腦間同步與多人協作行為的同步又呈現怎樣的關系。研究通過設置多重奏音樂表演中的“擾動”，旨在揭示腦間同步與協作行為之間的動態關系。

*擾動：本文擾動是指假被試故意提前進入節拍，導致錯誤演奏。

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，腦間同步的現象通常出現在兩個大腦之間的頻帶振蕩耦合時。當對人際協調行為的需求較高時，頻帶振蕩耦合主要出現在前額-中央腦區的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關系，相位和時間差異之間存在顯著的角度–線性相關性。

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。這表明，腦間同步不僅僅依賴于共享的感知-行為影響，還可以通過協調行為的認知過程自發地產生，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。

*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，兩者被認為是協調行為的重要認知過程。

研究假設

行為層面：研究預期一個演奏者的提前進入會導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），這一擾動還應導致更高的協調行為變異性。

神經層面：預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，表現為協同演奏的神經同步性降低。

*預期演奏者提前進入即主試為達到“擾動”目的設置的假被試。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調，確保他們的節奏、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奏時，演奏者之間的同步性會被破壞，導致去同步化現象。

*變異性：行為或生理信號在時間或不同試驗間的波動性。在擾動發生時，演奏者之間的行為變得不再一致，導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據。實驗為了控制“協調需求”，設置其中一個音樂家作為假被試，故意使演奏不同步，產生“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，每個區塊約15 min。

實驗過程中使用64導主動電極帽(actiCAP，Brain Products GmbH，Germany)同時記錄兩位鋼琴家的腦電圖，且在后續使用神經生理學數據分析軟件（Brain Vision Analyzer 2, Brain Products）對EEG原始數據進行處理（國內由瀚翔腦科學總代理Brain Products產品）。

研究結果

行為結果(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移（圖2），即擾動試驗中，相位角與行為結果的去同步化高度一致，表明當假被試提前進入節拍時，真被試與假被試敲擊時間間隔拉長、出現去同步化。

腦間同步應當反映的是感覺-運動對準和協調行為的認知需求，特別是在應對擾動時，擾動期間 IPC 的增加可能與注意力的提升和適應性行為相關，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聯，揭示了聯合音樂表演中實時協調背后的神經機制。

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，需要根據假被試演奏做出反應，適應這種擾動（即調整自己的演奏節奏）。（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

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。

盡管擾動導致了行為的去同步化，但大腦之間的相位同步增加。這一發現表明，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，而應該通過參與對擾動的執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機制。