來自西悉尼大學的Tomas Lenc等人在PNAS上發文，表示低音有助於增強個體對節奏的神經加工過程，即低音可以提升個體對節奏與節拍的神經表徵。

本研究採用EEG技術，要求被試先後完成偏差識別任務(Deviant Identification Task)與打節拍任務(Beat-tapping Task)，測量個體對聽覺刺激時間屬性的注意程度。針對行爲與腦電數據，研究者採用耳蝸模型開展了聲音特徵分析，行爲任務分析以及EEG頻域分析。

結果表明，低音會選擇性地增強與節奏相關頻率的神經活動，同時在一定程度上解釋了低音在傳遞節奏信息以及誘導感覺運動同步中的特殊作用，進而幫助我們理解感覺運動同步的神經基礎。

來源：思影科技

選稿：Simon

題圖：網絡

本研究共選取14名健康個體作爲被試（平均年齡爲28.4±6.1歲；10名女性），所有被試接受過不同程度的音樂訓練（平均時間爲6.9±5.6年，時間範圍爲0-14年）。所有被試均報告聽力正常，無神經病學或精神性疾病。

在本研究中，採用2（頻率：高頻、低頻）×3（節奏：等長節奏、非切分節奏、切分節奏）被試內實驗設計，共分爲六種條件，作爲6個區組。這6個區組隨機呈現，但確保前三個區組中至少包括一個高頻音和一個低頻音條件。

實驗中，研究者選用三種不同節奏（等長節奏、非切分節奏、切分節奏）和兩種頻率（高頻、低頻）的聲音作爲聽覺刺激。所有的節奏包含12個獨立事件，每一個獨立的事件持續200ms，共2.4s。每個節奏由特定的聲音模式（純音；10ms上升，50ms下降的線性音階）和無聲事件（振幅爲0）構成（見圖1左圖）。同一節奏在在60s內循環呈現。純音頻率採用130Hz（低音頻率）和1236.8Hz（高音頻率）兩種頻率。所有聽覺刺激的響度保持恆定。

在實驗中，爲確保被試關注到聽覺刺激的時間屬性，要求被試識別偏差刺激的呈現時間是否長於或短於標準刺激（200ms）的20%（40ms），並在每個試次結束後報告與其他節奏相比偏差刺激是“更長”或“更短”。偏差刺激僅會出現在前三次重複節奏中，最後一次節奏不呈現。

在切分節奏與非切分節奏的條件下，偏差刺激會在三個可能的位置出現，即無聲事件前的聲音事件上。而在等長節奏下，偏差刺激會出現在任意三個聲音事件上。後期僅記錄和分析每個試次前三個重複節奏的EEG，第四次重複的節奏不做分析。

圖1聲音刺激（經耳蝸模型處理）與EEG響應頻譜（所有電極與被試的均值；n=14；陰影區域表示SEMs）。

每個節奏的一週期波形以黑色圖形表示（見左圖），節奏週期爲2.4s。這些節奏不斷重複以形成60s序列，每一個條件下這些序列會呈現八次。耳蝸模型光譜包括與節奏(1.25Hz; 深灰色的垂直條紋)和節拍(1.25Hz/3,×2, ×4; 淺灰色垂直條紋)相關的頻率峯值，以及與節奏和節拍無關的頻率峯值。

EEG響應包括在耳蝸模型輸出結果中所包含的頻率峯值；然而，與高音相比，低音條件下，與節奏和節拍相關或無關的頻率峯值的平均幅值之間的差異增大（見圖2）。注意切分與非切分節奏的EEG響應圖中的比例差異。

首先，爲探究誘發EEG響應的頻率段和評估聲音輸入的早期表徵特點，研究者開展聲音分析，其採用耳蝸模型，對以高低音演奏的等長節奏與兩種非等長節奏（切分節奏與非切分節奏）的聲音特點進行分析。

結果表明，對於未同步和切分的節奏，所得到的光譜包含12個不同的峯（見圖1）。將該12個頻率的響應幅值轉換爲z分數，標準化有助於頻率之間相互比較，繼而確定出一個頻率（節奏相關頻率爲1.25Hz）或一組頻率（與節拍相關頻率爲1.25Hz/3,1.25Hz×2,1.25Hz×4）相較於整組頻率值均有顯著突出。

其次，爲測量個體對聽覺刺激時間屬性的注意程度，以2（頻率：高頻、低頻）×3（節奏：等長節奏、切分節奏、非切分節奏）爲自變量，以反應時爲因變量。

結果表明，總體上被試可以識別出偏差刺激，節奏與聲音頻率之間存在顯著的交互作用，F(2,26) = 3.55,p= 0.04,η2G= 0.04。經事後檢驗，t(13)= 2.97,p= 0.03,d= 0.79，表明與高音切分節奏相比，低音條件下被試表現要更差一些。

在打節拍任務中，結果表明，不同條件之間的變異性與平均打拍間隙的時間間隔沒有統計學上的顯著差異。

圖2爲節拍相關或無關頻率條件下，高低音呈現的切分節奏與非切分節奏所激活的腦電地形圖，其表明節拍相關頻率條件下的腦區激活要強於節拍無關頻率下的腦區激活，且低音條件下的激活要強於高音條件下。

圖2對於高、低音呈現的切分與非切分節奏，其在節拍相關（左列）和節拍無關（右列）頻率條件下神經活動的平均地形圖(n=14)。

隨後，研究者採用頻域分析，分別探究了EEG響應的總體幅度以及EEG響應在節奏和節拍頻率上相對增強兩個問題。

對於EEG響應的總體幅度，研究者探究了在不同節奏下，高、低音兩種條件下EEG響應的總體幅度是否存在差異。其中，總體幅度是將每個被試在每種條件下帶有頻率標籤的EEG響應相加而得，研究者通過分析節奏特徵提取頻率標籤。

結果表明，對於等長節奏來說，低音條件下的總體幅值顯著大於高音條件下，t(13)=3.68,p=0.008, d=0.98，與前人研究結果一致。與之相反，對於切分節奏和非切分節奏，高低音條件下的總體幅值沒有顯著差異(ps＞0.34)。這表明，對低音響應的全局增強可能僅存在於等長節奏中。

而對於幅值在節奏與節拍頻率上的相對增強這個問題，研究者探究了採用高低音呈現的切分節奏與非切分節奏是否會影響與特定的節奏與節拍相關頻率成分的相對振幅。

採用2×2重複測量方差分析，結果發現，在所有節奏條件下中，低音均比高音在節奏相關頻率下（幅值的Z分數均值爲1.25Hz）的相對幅值要更大（聲音頻率的主效應；見圖3，上圖）F(1,13) = 9.46, p=0.009,η2G= 0.11（見材料與方法）。

此外，考慮所有的節拍頻率（幅值的Z分數均值爲1.25Hz/3,1.25Hz×2,1.25Hz×4），進行了2×2重複測量方差分析，聲音頻率與節奏之間存在交互作用，F(1,13) = 5.23, p=0.04,η2G= 0.05，結果表明，對於低音切分節奏條件，其相對幅值更強（見圖3，下圖），t(13)= 3.79, p = 0.004, d = 1.01, 而非切分節奏則未出現。

圖3聲音頻率對與節奏和節拍相關的EEG活動選擇性增強的影響作用。

上圖分別展示了在非切分節奏（左側）與切分節奏（右側）的條件下，節奏頻率的Z分數以及與節拍相關頻率的平均Z分數（底部）。誤差線表示SEMs。星號表示顯著性差異水平(p<0.05)。單個被試的反應以灰色點及其連線表示。水平線表示根據耳蝸模型計算得的Z分數。

在兩種節奏下，低音引發了節奏頻率上顯著的神經增強。低音在節拍頻率上引發EEG響應的增強，但僅在切分節奏中出現。對於非切分節奏，聲音頻率對節拍相關響應沒有顯著調節作用。

最後，研究者評估了早期耳蝸加工過程在多大程度上可以解釋由低音調引起的節奏與節拍頻率上的腦電圖反應的相對增強。將高低音條件下EEG響應幅值的Z分數與相應條件下耳蝸模型輸出的Z分數差異進行比較。

結果表明，對於節奏頻率（1.25Hz），切分節奏條件下，EEG響應幅值的差異分數要顯著大於耳蝸模型的差異分數，t(13)= 1.4,p= 0.04,d= 0.8，而非切分節奏未表現該結果。

同時，對於節拍相關頻率(1.25Hz/3,1.25Hz×2,1.25Hz×4)同樣表現出相同的模式。切分節奏條件下，EEG響應幅值的差異分數要顯著大於耳蝸模型的差異分數，t(13)= 4.17,p= 0.004,d= 1.11，而非切分節奏未表現該結果。

總之，本研究提供的證據表明，低音呈現出的節奏刺激能夠加強對節奏與節拍的神經表徵。在與節奏相關的頻率條件下，相較於高音而言，低音呈現的所有節奏均出現選擇性增強的效應。而考慮到所有與節拍相關頻率時，僅在切分節奏條件下產生低音優勢效應。

一句話總結：低音對節奏的神經加工過程有一定的促進作用，可以提升個體對節奏的神經表徵。低音會選擇性地增強與節奏和節拍相關頻率的神經活動，爲誘發感覺運動同步提供了神經基礎。

參考文獻：

LencT, Keller P E, Varlet M, et al. Neural tracking of the musical beat is enhancedby low-frequency sounds[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences,2018: 201801421.

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