音乐速度变化感知的失匹配负波

赖永秀 田 银 尧德中

(电子科技大学 神经信息教育部重点实验室 生命科学与技术学院 成都 610054)

引言

音乐速度是指音乐进行时节拍的相对快慢程度，即拍子的速率。它取决于乐曲的内容与风格，与音乐所表达的情绪、情感有密切关系［1］，是准确诠释音乐作品个性的基础。由于音乐表现的需要，不同风格乐曲的演奏速度通常不同，而同一乐曲内的速度也常缓急交错。因此，感知音乐速度变化对演奏家、作曲家和听者都具有重要意义［2］。

速度变化检测相关的行为研究显示，不同速度范围内的感知偏差不同［3－5］。当声音刺激间隔(inter onset interval，IOI)小于500 ms时，倾向于加速判断;当IOI大于700 ms时，倾向于减速判断;而当IOI在500～700 ms(许多音乐的偏好速度)之间时，对加速减速的判断无偏差。即存在一个行为无差异的中速区间，在该区间内，对加速与减速的检测难度相等。但事件相关电位 (event－related potentials，ERPs)研究显示，行为无差异区间内的速度变化感知在电生理上是有显著差异的。通过要求被试判断刺激序列最后一拍的早晚，Jongsma等发现速度方向变化影响P3的不同亚成分，即加速增强P3晚成分，而减速增强 P3早成分［6］。根据振荡器理论，加速目标可以吸引主动注意，而减速目标则主要由被动注意检测。因此，延迟呈现目标的感知不同于提前呈现目标。表明电生理数据对速度变化检测可能比行为数据能提供更准确的测度。

速度变化不仅能在主动注意状态下被识别，而且在非注意状态下也能被感知［7－13］。但相关失匹配负波(MMN)实验主要研究了快速(IOI＜500 ms)、慢速(IOI＞700 ms)下的速度变化，或中速(500 ms＜IOI＜700 ms)下的跨区速度变化。而中速内的速度变化对MMN的影响还没有报道。作为许多音乐的偏好速度，行为无差异区间对理解人类音乐感知机理非常重要。因此，本课题主要研究行为无差异区间内的等间距序列速度变化，探测该区间内的加速与减速感知MMN是否有差异。根据相关的电生理研究，假设单调节奏中的局部速度扰动可以被大脑自动加工，且加速与减速感知的 MMN特征不同。

1 材料和方法

1.1 刺激材料

标准刺激是由5个相同鼓点音组成的等间隔序列。鼓点音是 K－8bit2，音高 C5，音长85 ms。实验共用三类不同标准等间隔序列，即IOI分别为300、600、900 ms。对每类标准序列的第三个 IOI进行10%的增减，各生成加速、减速两类偏差序列。所有刺激均用软件FLS6.0和Audition3.0合成。

1.2 行为实验

行为实验的目的是检验中速序列中的局部速度扰动检测是否确实无感知偏差。实验共分3组，分别对应三种不同标准速度:IOI=300、600、900 ms，播放顺序伪随机。其中每组含标准、加速、减速共3类序列，各随机重复播放25次。要求被试根据序列前3个音的播放速度，判断第4个音的播放时刻是提前、延后还是恰好等速，同时分别尽快按数字键 1、2、3 进行响应。

1.3 脑电实验

脑电实验采用被动听觉范式，研究行为无差异区间内的速度变化对MMN的影响，所以只考虑600 ms标准速度下的标准、加速、减速三类刺激序列。实验分为两组，每组中三类刺激各重复50次，随机呈现。实验中要求被试认真观看无声电影而忽略双耳的声音刺激。

1.4 被试

行为实验被试共19名，平均年龄为(23.2±1.6)岁，脑电实验被试共15名，平均年龄为(23.5±1.3)岁，均为男性右利手大学生，无神经或心理疾病历史，听力正常，视力正常或矫正正常。实验前均签署了知情同意书。

1.5 EEG记录

EEG采集使用EGI200系统，129导电极在头表按10－20标准安放。参考电极Cz，接地电极在前额，水平和垂直眼电由眼眶上下和侧面的EOG电极记录。电极阻抗小于50 KΩ，采样率1000 Hz。实验室电屏蔽，隔音，光线微弱。计算机屏幕位于被试正前方50 cm，听觉刺激通过Sennheiser耳机同时呈现到双耳。脑电记录过程中，要求被试采用舒适的姿势，尽力保持身体不动、避免眨眼和眼动。

2 数据分析

2.1 行为数据

根据响应精度(Acc)剔出一个被试的数据(Acc＜50%)。为判断不同标准速度下的感知偏差，对响应精度Acc和辨别力指数d’进行双因素重复测量Anova分析，再对每种标准速度下的加速和减速的辨别力指数d’进行配对t检验。

2.2 脑电数据

离线数字滤波1～30 Hz，重参考为平均参考。剔除含EOG伪迹的Epochs。由于过多眼电伪迹，三个被试的数据不参与进一步分析。分段以序列第4音开启点为零点，选取刺激后600 ms的数据。为减弱第3音的持续影响，采用第3～4音之间的整段数据做基线。经过叠加平均和基线校正，分别得到三类条件的大平均ERP波形。

根据 ERP量化的优化方法［14］，随后在一个更窄的带通范围内(1～10 Hz)对幅度和潜伏期进行分析，以便平滑差异波，类似于传统的10～100 ms时间窗(以峰值潜伏期为中心)平均。偏差ERP减去标准ERP，得到差异波。

MMN幅度由刺激开启后100～400 ms内的最大负峰确定。通常，经典的MMN峰值在150～250 ms［15］，但对复杂的听觉或认知加工，需要考虑更宽的时间窗［16］。本研究中的100～400 ms窗与相关研究一致［16－17］。MMN潜伏期由MMN峰值确定。

中线区电极的EEG数据用于统计分析。首先采用单因素重复测量ANOVA分析，检验MMN是否显著不同于基线，MMN潜伏期对应的偏差ERP幅度是否显著小于标准ERP幅度。然后再对MMN的潜伏期和幅度进行单因素重复测量ANOVA分析，检验加速感知与减速感知是否有差异。

3 实验结果

3.1 行为实验

以速度及速度扰动方向为自变量，对Acc和d'进行双因素重复测量Anova分析。结果显示，速度的主效应均达到显著(F(2，17)=5.566，P＜0.05;F(2，17)=6.165，P ＜0.01)。后校验分析发现，中速(IOI=600 ms)的 Acc显著大于快速(IOI=300 ms)(P＜0.01)和慢速(IOI=900 ms)(P＜0.05);加速的Acc显著小于减速(P＜0.05);加速的d’也显著小于减速(P＜0.01)。但二者的交互效应均不显著。

配对t检验显示，快速序列中，加速和减速的d’有显著差异(P＜0.001);慢速序列中，加速和减速的d’也有显著差异(P＜0.05);但中速序列中，加速和减速的d’无显著差异。该结果表明，被试对中速序列局部速度变化的主动检测不存在行为上的感知偏差，确保了后续MMN实验所采用的标准速度确实在行为无差异区间内。

3.2 脑电实验

图 1 为中线(Fz，Cz，Pz，F3，F4，C3，C4)及左右乳突(LM，RM)电极的标准和偏差大平均 ERP波形。偏差ERP减去标准 ERP得到差异波，其中额叶区电极有明显的负波，如图2所示。

采用单因素重复测量Anova对最大负峰对应的偏差及标准ERP的幅度差异进行了检验。结果显示，标准 ERP的幅度显著大于加速(F(1，12)=14.49，P＜0.001)和减速(F(1，12)=10.59，P ＜0.005)两种偏差ERP的幅度。

同时再采用单因素重复测量Anova对偏差诱发的MMN与基线进行比较。结果显示，加速(F(1，12)=282.22，P ＜0.001)和减速(F(1，12)=94.29，P＜0.001)两种偏差条件下的差异负波均显著不同于基线。

在 Fz，加速的 MMN 幅度为 －0.42 μV，潜伏期238 ms;减速的 MMN幅度为 －0.31 μV，潜伏期295 ms。单因素重复测量 Anova分析显示，加速 MMN的幅度显著大于减速(F(1，12)=6.06，P＜0.05)，潜伏期显著早于减速(F(1，12)=6.77，P＜0.05)。

4 讨论

本研究发现，在行为响应中，被试对中速序列局部速度变化的主动检测不存在感知偏差;但在大脑自动感知加工中，Fz电极的加速 MMN比减速MMN的幅度更大，潜伏期更早。

4.1 行为结果

行为数据显示，速度对Acc和d’有显著影响，中速的Acc和d’均大于慢速和快速。进一步分析显示，慢速和快速下，加减速的d’均有显著差异;而中速下，加减速的d’无显著差异。表明快慢速下均存在速度变化感知偏差，而中速下的速度变化感知无偏差。这可能正是中速Acc大于快慢速Acc的原因。但MMN结果显示，加速和减速间有显著差异。结合行为和电生理结果，本研究推测，中速的加减速感知差异较小，不足以对行为成绩产生显著影响，而对电生理数据可产生显著影响。由于MMN对听觉刺激的可识别甚至无法识别的变化都很敏感，说明在感知和认知加工中，ERP包括MMN可能是比行为成绩更敏感的指标。

4.2 速度扰动方向对MMN的影响

图1 中线及左右乳突电极的大平均ERP波形图。(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

图2 额叶区电极的差异波。(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分析显示，在 Fz，加速 MMN的幅度更大，潜伏期更早。表明即使在行为无偏差的中速下，刺激开启的提前和延后也是有区别的。Sams等发现，偏差刺激偏离标准刺激的量越大，MMN幅度越大，潜伏期越短［18］。Kisley等也指出，MMN波幅对微弱的速度变化很敏感，会随速度变化程度的增大而显著增加，与被动注意的神经活动相关［19］。与此相似，Tervaniemi推断，行为上易识别的声音比难识别的声音能诱发更大幅度的 MMN［20］。因此，本实验的结果显示，对中速等间隔序列，尽管速度变化比率相同，但加速与标准之间的偏差在感知上可能大于减速与标准之间的偏差，即提前目标对应行为上更容易识别的条件，而延后目标则相反。

脑电数据的分析显示，即使在行为无偏差速度下，加速感知也不同于减速感知。据相关研究报道，加减速的感知机理并不相同。Hibi认为，延长情况比缩短情况需要更大程度的偏离才能达到50%的正确判断率［21］。Jongsma等也推测，提前呈现的加速目标会导致一个‘惊喜效应’，由于注意还未到达最大，可吸引主动注意检测;而延迟呈现的减速目标在注意到达最大时仍未出现，则注意在检测到延迟后会发生转移，离开听觉序列，实际呈现时由被动注意检测［6］。这些研究表明，行为无偏差速度下的加减速感知机理可能不同。

行为无偏差速度下的加减速MMN显示了一个速度偏差方向效应。相似的不对称也存在于音长和频率 MMN中［22－23］。在频率变化或音长缩短偏差诱发的 MMN中，Grimm等发现，MMN与偏差开启点距标准开启点的时间距离有关;偏差出现越晚，MMN幅度越小［22］。由于标准 IOI总是大于加速IOI而小于减速IOI，这种时间距离效应可能部分地解释了长短IOI偏差的不对称性。基于偏差检测和量化的同步理论，Colin等进一步解释了音长感知的不对称效应［23］。他们推测，对短偏差，偏差检测和量化同时进行;而对长偏差，偏差检测早于偏差量化。根据Naatanen的刺激驱动听觉变化检测的ERP模型［24］，提前目标的同步加工可能比延后目标的非同步加工能分配到更多注意资源。因此，即使在行为无偏差速度下，提前目标也比延后目标更容易识别。由于行为实验结果中缺少对应的心理生理指标，因此，这种速度扰动方向效应也可能是一种类似于音长感知的独特电生理现象。

5 结论

本研究显示，大脑能自动感知行为无偏差区间内的等间距序列速度的局部速度扰动，且速度扰动方向对MMN有显著影响。与减速相比，在Fz，加速MMN的幅度更大，潜伏期更早，可能更易被识别。行为和脑电实验的结果表明，即使在行为无偏差速度下，大脑对加减速的感知还是有差异的。

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