使用功能性近紅外光譜探索交響樂(lè)團(tuán)演奏時(shí)音樂(lè)誘發(fā)演奏者的腦活動(dòng)_abio生物試劑品牌網(wǎng)
當(dāng)貝多芬遇見(jiàn)腦科學(xué)
使用功能性近紅外光譜（fNIRS）探索交響樂(lè)團(tuán)演奏時(shí)，音樂(lè)誘發(fā)演奏者的腦活動(dòng)
背景介紹
人們發(fā)現(xiàn)音樂(lè)能夠極大地促進(jìn)人的生理健康和心理健康，因此音樂(lè)療法逐漸在臨床治療上廣泛地被應(yīng)用。音樂(lè)表演不僅是藝術(shù)表達(dá)，更是復(fù)雜的神經(jīng)活動(dòng)過(guò)程。神經(jīng)科學(xué)家和心理學(xué)家們致力探索音樂(lè)是如何影響大腦的。
傳統(tǒng)神經(jīng)影像技術(shù)如功能磁共振成像（fMRI）受限于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，僅能捕捉個(gè)體靜態(tài)下的腦活動(dòng)。而功能性近紅外光譜（fNIRS）則不受到個(gè)體運(yùn)動(dòng)的限制，使自然場(chǎng)景中的神經(jīng)機(jī)制研究成為可能，這讓科學(xué)家得以在音樂(lè)廳中實(shí)時(shí)記錄大腦的信號(hào)。
圖1. 文章信息
2025年，挪威奧斯陸大學(xué)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合斯塔萬(wàn)格交響樂(lè)團(tuán)（SSO），在《Sensors》期刊發(fā)表研究，該研究通過(guò)無(wú)線(xiàn)fNIRS設(shè)備實(shí)時(shí)記錄了兩位小提琴手在七場(chǎng)音樂(lè)會(huì)中的腦活動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)了大腦激活的實(shí)時(shí)可視化。研究人員還探討了重復(fù)表演對(duì)右半球特定腦區(qū)的影響。這項(xiàng)創(chuàng)新性的研究推動(dòng)神經(jīng)科學(xué)與藝術(shù)的交融，更為未來(lái)音樂(lè)療法、教育及腦機(jī)接口技術(shù)提供新思路。
研究設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)呈現(xiàn)
研究團(tuán)隊(duì)選擇SSO樂(lè)團(tuán)中擔(dān)任不同聲部角色的兩位小提琴手為對(duì)象，在其表演時(shí)佩戴無(wú)線(xiàn)fNIRS頭戴設(shè)備（Artinis Brite MKII），在七場(chǎng)公開(kāi)音樂(lè)會(huì)中進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，將雙人腦活動(dòng)同步記錄擴(kuò)展至交響樂(lè)團(tuán)復(fù)雜場(chǎng)景（見(jiàn)圖2）。每場(chǎng)音樂(lè)會(huì)演奏16首樂(lè)曲。
圖2. 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景
每個(gè)小提琴手佩戴的頭帽上均在右半球設(shè)置通道（避免光極在左邊影響演奏），包含兩個(gè)2*4通道和兩個(gè)2*5通道，其中2*5通道里面包含兩個(gè)短距通道（SSCs），用來(lái)在后期的計(jì)算時(shí)有效的減去由于頭皮、顱骨、 腦積液等組織影響的光子能量帶來(lái)的血氧的濃度變化，提高fNIRS的信噪比。
通道覆蓋右半球四個(gè)關(guān)鍵感興趣腦區(qū)（見(jiàn)圖3）：前中央回（Precentral Gyrus, PRG，負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)控制）、后中央回（Postcentral Gyrus, POG，與本體感覺(jué)相關(guān)）、顳上回（Superior Temporal Gyrus, STG，負(fù)責(zé)聽(tīng)覺(jué)處理）及右額下回（right Inferior Frontal Gyrus, rIFG，注意力調(diào)控）。借組近紅外光吸收原理，實(shí)時(shí)捕捉氧合血紅蛋白（HbO）、脫氧血紅蛋白（HbR）及總血紅蛋白（HbT）濃度變化，以此來(lái)“解讀”小提琴手演奏過(guò)程中的大腦體驗(yàn)。
兩個(gè)小提琴手的數(shù)據(jù)由兩臺(tái)設(shè)備分別記錄和兩臺(tái)單獨(dú)的筆記本電腦分別控制。研究人員在筆記本電腦之間設(shè)置實(shí)驗(yàn)室流媒體層（Lab Streaming Layer，LSL）實(shí)現(xiàn)兩個(gè)設(shè)備數(shù)據(jù)同步采集和事件標(biāo)簽同步。同時(shí)，研究人員還利用OBS Studio 讓兩臺(tái)設(shè)備的數(shù)據(jù)（兩個(gè)大腦）能同時(shí)呈現(xiàn)（見(jiàn)圖2）。
圖3. 數(shù)據(jù)記錄場(chǎng)景
數(shù)據(jù)經(jīng)OxySoft軟件轉(zhuǎn)換導(dǎo)出后，進(jìn)一步通過(guò)Matlab工具包（Homer3、BrAInstorm）進(jìn)行信號(hào)去噪、源定位及統(tǒng)計(jì)分析。
研究結(jié)果
研究的一大亮點(diǎn)，是成功實(shí)現(xiàn)了正在演奏的交響樂(lè)團(tuán)音樂(lè)家大腦中的血流動(dòng)力學(xué)變化的實(shí)時(shí)可視化，這意味著我們能 “親眼見(jiàn)證” 大腦在音樂(lè)演奏中的實(shí)時(shí)反應(yīng)。而且，設(shè)備和軟件在大多數(shù)情況下運(yùn)行良好。
進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，右額下回的活動(dòng)在早期音樂(lè)會(huì)有較大變化后，似乎都趨向于接近0（見(jiàn)圖4）。 右額下回與注意力，運(yùn)動(dòng)抑制，意象和社會(huì)認(rèn)知過(guò)程有關(guān)，作者認(rèn)為這個(gè)觀察到的現(xiàn)象值得注意。并且研究人員根據(jù)這一現(xiàn)象提出，如果他們假設(shè)更新對(duì)音樂(lè)旋律的預(yù)測(cè)假設(shè)需要注意力，那么 rIFG 活動(dòng)水平變異性在音樂(lè)會(huì)期間的下降，意味著隨著時(shí)間的推移，所需的注意力水平在降低。
圖4. 兩位小提琴手在不同音樂(lè)會(huì)中右下額葉回（rIFG）的活動(dòng)變化情況。(a)右下額葉回（rIFG），由三角部、島蓋部和眶部這三部分構(gòu)成。分析所有樂(lè)曲開(kāi)頭 20 秒的血流動(dòng)力學(xué)變化（b、c），5 首選定較長(zhǎng)樂(lè)曲開(kāi)頭 20 秒的血流動(dòng)力學(xué)變化（d、e），以及 5 首選定較長(zhǎng)樂(lè)曲中間 60 秒的血流動(dòng)力學(xué)變化（f、g）
研究人員認(rèn)為，這個(gè)結(jié)果可能支持了Peter Vuust教授在2022年提出的“音樂(lè)的預(yù)測(cè)編碼模型（Predictive Coding of Music, PCM）”（見(jiàn)圖5 b）。PCM是一種推斷模型，采用貝葉斯統(tǒng)計(jì)方法，描述了音樂(lè)處理的復(fù)雜性，主要通過(guò)“自下而上”（bottom-up）和“自上而下”（top-down）的預(yù)測(cè)來(lái)進(jìn)行。
這里的自下而上指的是從感知中獲取信息并進(jìn)行更新，例如該研究中聽(tīng)覺(jué)皮層的作用；
而自上而下則是指大腦基于已有知識(shí)來(lái)預(yù)測(cè)事件的發(fā)生，持續(xù)不斷地預(yù)測(cè)接下來(lái)最可能出現(xiàn)的音樂(lè)旋律等。
圖5. 音樂(lè)通過(guò)幾個(gè)不同的區(qū)域和相關(guān)網(wǎng)絡(luò)影響大腦。（a）不同解剖區(qū)域與音樂(lè)感知的關(guān)聯(lián)概述。（b）音樂(lè)預(yù)測(cè)編碼（PCM）模型
討論與展望
該研究首次將fNIRS技術(shù)應(yīng)用于交響樂(lè)團(tuán)實(shí)景，突破了以往實(shí)驗(yàn)室研究的靜態(tài)限制，藝術(shù)與科學(xué)的結(jié)合將音樂(lè)研究從主觀描述推向計(jì)算神經(jīng)模型。
然而，該研究也發(fā)現(xiàn)第一小提琴手因濃密金發(fā)導(dǎo)致fNIRS信號(hào)衰減40%，并且受限于fNIRS的空間分辨率（2-3 cm），難以精確區(qū)分PRG與POG等相鄰腦區(qū)，暴露出現(xiàn)有設(shè)備在多樣性群體中的應(yīng)用局限。后續(xù)實(shí)驗(yàn)可引入高密度f(wàn)NIRS排布與個(gè)體化頭模配準(zhǔn)技術(shù)，以提升信號(hào)精度與腦區(qū)定位能力。
此外，未采集音樂(lè)家的主觀體驗(yàn)數(shù)據(jù)（如情感狀態(tài)、疲勞度），未來(lái)需通過(guò)混合方法（Mixed Methods）實(shí)現(xiàn)主客觀數(shù)據(jù)的三角驗(yàn)證。
原文鏈接
Maude Fagerland, Steffen & L?ve, Andreas & Helliesen, Tord & Martinsen, ?rjan & Revheim, Mona-Elisabeth & Endestad, Tor. (2025). Method for Using Functional Near-Infrared Spectroscopy (fNIRS) to Explore Music-Induced Brain Activation in Orchestral Musicians in Concert. Sensors. 25. 1807. 10.3390/s25061807.
https://doi.org/10.3390/s25061807
研究團(tuán)隊(duì)介紹
該研究由跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)合作完成，包括奧斯陸大學(xué)醫(yī)院干預(yù)中心及奧斯陸大學(xué)心理學(xué)系RITMO跨學(xué)科研究中心（RITMO Centre, University of Oslo），以及奧斯陸大學(xué)物理系和奧斯陸大學(xué)醫(yī)院臨床與生物醫(yī)學(xué)工程系，挪威海爾格蘭醫(yī)院神經(jīng)心理學(xué)系的研究人員。
關(guān)于維拓啟創(chuàng)
維拓啟創(chuàng)（北京）信息技術(shù)有限公司成立于2006年，是一家專(zhuān)注于腦科學(xué)、康復(fù)工程、人因工程、心理學(xué)、體育科學(xué)等領(lǐng)域的科研解決方案供應(yīng)商。公司與國(guó)內(nèi)外多所大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)長(zhǎng)期保持合作關(guān)系，致力于將優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品、先進(jìn)的技術(shù)和服務(wù)帶給各個(gè)領(lǐng)域的科研工作者，為用戶(hù)提供有競(jìng)爭(zhēng)力的方案和服務(wù)，協(xié)助用戶(hù)的科研工作，持續(xù)提升使用體驗(yàn)。
相關(guān)產(chǎn)品
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人們發(fā)現(xiàn)音樂(lè)能夠極大地促進(jìn)人的生理健康和心理健康，因此音樂(lè)療法逐漸在臨床治療上廣泛地被應(yīng)用。音樂(lè)表演不僅是藝術(shù)表達(dá)，更是復(fù)雜的神經(jīng)活動(dòng)過(guò)程。神經(jīng)科學(xué)家和心理學(xué)家們致力探索音樂(lè)是如何影響大腦的。
傳統(tǒng)神經(jīng)影像技術(shù)如功能磁共振成像（fMRI）受限于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，僅能捕捉個(gè)體靜態(tài)下的腦活動(dòng)。而功能性近紅外光譜（fNIRS）則不受到個(gè)體運(yùn)動(dòng)的限制，使自然場(chǎng)景中的神經(jīng)機(jī)制研究成為可能，這讓科學(xué)家得以在音樂(lè)廳中實(shí)時(shí)記錄大腦的信號(hào)。
圖1. 文章信息
2025年，挪威奧斯陸大學(xué)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合斯塔萬(wàn)格交響樂(lè)團(tuán)（SSO），在《Sensors》期刊發(fā)表研究，該研究通過(guò)無(wú)線(xiàn)fNIRS設(shè)備實(shí)時(shí)記錄了兩位小提琴手在七場(chǎng)音樂(lè)會(huì)中的腦活動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)了大腦激活的實(shí)時(shí)可視化。研究人員還探討了重復(fù)表演對(duì)右半球特定腦區(qū)的影響。這項(xiàng)創(chuàng)新性的研究推動(dòng)神經(jīng)科學(xué)與藝術(shù)的交融，更為未來(lái)音樂(lè)療法、教育及腦機(jī)接口技術(shù)提供新思路。
研究設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)呈現(xiàn)
研究團(tuán)隊(duì)選擇SSO樂(lè)團(tuán)中擔(dān)任不同聲部角色的兩位小提琴手為對(duì)象，在其表演時(shí)佩戴無(wú)線(xiàn)fNIRS頭戴設(shè)備（Artinis Brite MKII），在七場(chǎng)公開(kāi)音樂(lè)會(huì)中進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，將雙人腦活動(dòng)同步記錄擴(kuò)展至交響樂(lè)團(tuán)復(fù)雜場(chǎng)景（見(jiàn)圖2）。每場(chǎng)音樂(lè)會(huì)演奏16首樂(lè)曲。
圖2. 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景
每個(gè)小提琴手佩戴的頭帽上均在右半球設(shè)置通道（避免光極在左邊影響演奏），包含兩個(gè)2*4通道和兩個(gè)2*5通道，其中2*5通道里面包含兩個(gè)短距通道（SSCs），用來(lái)在后期的計(jì)算時(shí)有效的減去由于頭皮、顱骨、 腦積液等組織影響的光子能量帶來(lái)的血氧的濃度變化，提高fNIRS的信噪比。
通道覆蓋右半球四個(gè)關(guān)鍵感興趣腦區(qū)（見(jiàn)圖3）：前中央回（Precentral Gyrus, PRG，負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)控制）、后中央回（Postcentral Gyrus, POG，與本體感覺(jué)相關(guān)）、顳上回（Superior Temporal Gyrus, STG，負(fù)責(zé)聽(tīng)覺(jué)處理）及右額下回（right Inferior Frontal Gyrus, rIFG，注意力調(diào)控）。借組近紅外光吸收原理，實(shí)時(shí)捕捉氧合血紅蛋白（HbO）、脫氧血紅蛋白（HbR）及總血紅蛋白（HbT）濃度變化，以此來(lái)“解讀”小提琴手演奏過(guò)程中的大腦體驗(yàn)。
兩個(gè)小提琴手的數(shù)據(jù)由兩臺(tái)設(shè)備分別記錄和兩臺(tái)單獨(dú)的筆記本電腦分別控制。研究人員在筆記本電腦之間設(shè)置實(shí)驗(yàn)室流媒體層（Lab Streaming Layer，LSL）實(shí)現(xiàn)兩個(gè)設(shè)備數(shù)據(jù)同步采集和事件標(biāo)簽同步。同時(shí)，研究人員還利用OBS Studio 讓兩臺(tái)設(shè)備的數(shù)據(jù)（兩個(gè)大腦）能同時(shí)呈現(xiàn)（見(jiàn)圖2）。
圖3. 數(shù)據(jù)記錄場(chǎng)景
數(shù)據(jù)經(jīng)OxySoft軟件轉(zhuǎn)換導(dǎo)出后，進(jìn)一步通過(guò)Matlab工具包（Homer3、BrAInstorm）進(jìn)行信號(hào)去噪、源定位及統(tǒng)計(jì)分析。
研究結(jié)果
研究的一大亮點(diǎn)，是成功實(shí)現(xiàn)了正在演奏的交響樂(lè)團(tuán)音樂(lè)家大腦中的血流動(dòng)力學(xué)變化的實(shí)時(shí)可視化，這意味著我們能 “親眼見(jiàn)證” 大腦在音樂(lè)演奏中的實(shí)時(shí)反應(yīng)。而且，設(shè)備和軟件在大多數(shù)情況下運(yùn)行良好。
進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，右額下回的活動(dòng)在早期音樂(lè)會(huì)有較大變化后，似乎都趨向于接近0（見(jiàn)圖4）。 右額下回與注意力，運(yùn)動(dòng)抑制，意象和社會(huì)認(rèn)知過(guò)程有關(guān)，作者認(rèn)為這個(gè)觀察到的現(xiàn)象值得注意。并且研究人員根據(jù)這一現(xiàn)象提出，如果他們假設(shè)更新對(duì)音樂(lè)旋律的預(yù)測(cè)假設(shè)需要注意力，那么 rIFG 活動(dòng)水平變異性在音樂(lè)會(huì)期間的下降，意味著隨著時(shí)間的推移，所需的注意力水平在降低。
圖4. 兩位小提琴手在不同音樂(lè)會(huì)中右下額葉回（rIFG）的活動(dòng)變化情況。(a)右下額葉回（rIFG），由三角部、島蓋部和眶部這三部分構(gòu)成。分析所有樂(lè)曲開(kāi)頭 20 秒的血流動(dòng)力學(xué)變化（b、c），5 首選定較長(zhǎng)樂(lè)曲開(kāi)頭 20 秒的血流動(dòng)力學(xué)變化（d、e），以及 5 首選定較長(zhǎng)樂(lè)曲中間 60 秒的血流動(dòng)力學(xué)變化（f、g）研究人員認(rèn)為，這個(gè)結(jié)果可能支持了Peter Vuust教授在2022年提出的“音樂(lè)的預(yù)測(cè)編碼模型（Predictive Coding of Music, PCM）”（見(jiàn)圖5 b）。PCM是一種推斷模型，采用貝葉斯統(tǒng)計(jì)方法，描述了音樂(lè)處理的復(fù)雜性，主要通過(guò)“自下而上”（bottom-up）和“自上而下”（top-down）的預(yù)測(cè)來(lái)進(jìn)行。
這里的自下而上指的是從感知中獲取信息并進(jìn)行更新，例如該研究中聽(tīng)覺(jué)皮層的作用；
而自上而下則是指大腦基于已有知識(shí)來(lái)預(yù)測(cè)事件的發(fā)生，持續(xù)不斷地預(yù)測(cè)接下來(lái)最可能出現(xiàn)的音樂(lè)旋律等。
圖5. 音樂(lè)通過(guò)幾個(gè)不同的區(qū)域和相關(guān)網(wǎng)絡(luò)影響大腦。（a）不同解剖區(qū)域與音樂(lè)感知的關(guān)聯(lián)概述。（b）音樂(lè)預(yù)測(cè)編碼（PCM）模型討論與展望
該研究首次將fNIRS技術(shù)應(yīng)用于交響樂(lè)團(tuán)實(shí)景，突破了以往實(shí)驗(yàn)室研究的靜態(tài)限制，藝術(shù)與科學(xué)的結(jié)合將音樂(lè)研究從主觀描述推向計(jì)算神經(jīng)模型。
然而，該研究也發(fā)現(xiàn)第一小提琴手因濃密金發(fā)導(dǎo)致fNIRS信號(hào)衰減40%，并且受限于fNIRS的空間分辨率（2-3 cm），難以精確區(qū)分PRG與POG等相鄰腦區(qū)，暴露出現(xiàn)有設(shè)備在多樣性群體中的應(yīng)用局限。后續(xù)實(shí)驗(yàn)可引入高密度f(wàn)NIRS排布與個(gè)體化頭模配準(zhǔn)技術(shù)，以提升信號(hào)精度與腦區(qū)定位能力。
此外，未采集音樂(lè)家的主觀體驗(yàn)數(shù)據(jù)（如情感狀態(tài)、疲勞度），未來(lái)需通過(guò)混合方法（Mixed Methods）實(shí)現(xiàn)主客觀數(shù)據(jù)的三角驗(yàn)證。
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https://doi.org/10.3390/s25061807
研究團(tuán)隊(duì)介紹
該研究由跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)合作完成，包括奧斯陸大學(xué)醫(yī)院干預(yù)中心及奧斯陸大學(xué)心理學(xué)系RITMO跨學(xué)科研究中心（RITMO Centre, University of Oslo），以及奧斯陸大學(xué)物理系和奧斯陸大學(xué)醫(yī)院臨床與生物醫(yī)學(xué)工程系，挪威海爾格蘭醫(yī)院神經(jīng)心理學(xué)系的研究人員。
關(guān)于維拓啟創(chuàng)
維拓啟創(chuàng)（北京）信息技術(shù)有限公司成立于2006年，是一家專(zhuān)注于腦科學(xué)、康復(fù)工程、人因工程、心理學(xué)、體育科學(xué)等領(lǐng)域的科研解決方案供應(yīng)商。公司與國(guó)內(nèi)外多所大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)長(zhǎng)期保持合作關(guān)系，致力于將優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品、先進(jìn)的技術(shù)和服務(wù)帶給各個(gè)領(lǐng)域的科研工作者，為用戶(hù)提供有競(jìng)爭(zhēng)力的方案和服務(wù)，協(xié)助用戶(hù)的科研工作，持續(xù)提升使用體驗(yàn)。
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