音乐训练相关的神经可塑性成像研究进展

张维涛 李威*

音乐具有文化普遍性，是人类社会情感交流及表达的一种方式。音乐训练的神经可塑性研究已成为现代神经科学领域的一个热门话题。专业音乐训练需要整合听觉、视觉、感觉及运动等多个系统，这些感觉、运动系统是人类音乐认知和音乐训练的物质基础。大多数人认同音乐是一种强有力的神经愉悦刺激物，它可以影响人的情感状态。有研究证实音乐能够有效地诱发高度愉悦的情感反应。当倾听愉悦的音乐时大脑情感和奖赏回路的脑活动会增强，特别是腹侧纹状体脑活动增强尤为显著[1]。同时，有研究[2]发现音乐训练有助于脑损伤或神经退行性变病人的康复治疗。因此，深度认知音乐训练相关的神经可塑性对促进人类健康具有重要的社会意义。

1 音乐训练相关的神经可塑性成像的技术特点

飞速发展的影像技术大大深化了对神经可塑性的认知。早期音乐训练相关的神经可塑性研究是使用任务态功能 MRI、PET/CT 来完成的[3－4]。 任务态功能MRI、PET/CT通过观察受试者在执行特定任务时局部脑血流量的变化推测其脑活动的改变。近年有研究者[5]发现使用静息态功能MR成像同样可以探测到专业音乐训练对大脑神经可塑性的影响。静息态功能MRI与任务态功能MRI相比具有明显的优势，它是一种无创性探究大脑神经活动的成像技术，不需要实验对象执行特定的任务，更不需要复杂的实验设计，只要求受试者闭目安静躺好即可，更容易在实验中实施[6－7]，因此静息态功能MR成像技术越来越多地被应用于神经可塑性研究。此外，MR结构成像同样可以用来探究音乐训练相关的神经可塑性。MR结构成像主要包括基于体素的形态学分析（v oxel－based morphometry，VB M）和扩散张量成像（DTI）等[8-9]。VBM 是评价脑部灰、白质结构的一种新方法，可以在体素水平上定量检测出脑组织的密度和体积，能够反映不同群体或个体局部脑区的脑组织成分差异。DTI脑结构成像通过脑白质的扩散属性来观测脑白质的可塑性，可以用来分析计算接受过专业音乐训练的人与普通人之间大脑白质纤维结构的差异性。

2 音乐训练对人脑神经可塑性的影响

2.1 基于颞叶的神经网络 颞叶在音乐认知中起主导作用。左侧颞叶损伤会导致乐谱识别混乱，即“乐谱失读症”。切除右侧颞叶的病人会在辨析音色、音乐旋律识别等方面存在障碍[10]。进一步研究发现，右侧颞上回后部损伤的病人比右侧颞上回前部损伤病人对音高和节奏识别造成的影响更为严重[11]。而双侧颞叶则协同辨析熟悉及陌生的音乐旋律[12]。

Satoh等[13]研究发现经过专业音乐训练的人听合声乐曲时双侧颞叶前部局部脑血流明显增加，而听到高声部乐曲时其双侧颞上回、楔叶、运动前回及眶额回的局部脑血流明显增加。有研究[14]表明钢琴家的颞叶分析整合处理音乐相关信息所需的时间比普通人群短，而分析整合处理语言相关信息所需的时间与普通人相同。还有研究[15]发现钢琴家视听觉的同步反应性及颞上回-运动前回-小脑的功能连接强度均高于普通人。

2.2 基于岛叶的神经网络 岛叶不仅有大量的皮质及皮质下连接可以接收处理多种信息的输入与输出，而且岛叶还负责参与大脑高级的认知与决策。岛叶在多种不同信息输入、整合及输出过程中起着重要的“桥梁”作用。这些信息包括听觉、触觉、痛觉、内在躯体感觉及情感等。因此，岛叶是大脑整合处理运动、感觉、情感、认知等信息及决策执行中的一个重要神经“结点”[16]。

岛叶在辨析音乐节奏及旋律、运动和感觉连接、感觉运动信息的门控及音乐情感的理解等方面具有重要作用[17]。岛叶损伤的病人临床表现为缺乏音乐快感[18]。Trost等[19]研究发现接受专业音乐训练的人在听到愉悦的乐曲时岛叶前部脑活动明显增强，这些研究结果与以往研究[20]认为岛叶具有处理人类情感的功能相一致。进一步的研究[21]发现，专业音乐工作者痛觉及本体感觉的敏感性均高于普通人，并且上述感知觉相关信息的整合与处理都是由岛叶前部完成的。

2.3 不同脑区之间连接 人脑是以网络结构的形式组织起来的，并通过局部脑区之间的“短程连接”和远隔脑区之间的“长程连接”来完成不同形式的高级认知功能。静息态脑功能连接对人脑认知及信息整合等方面起着重要作用，能够反映受试者静息状态下2个远隔脑区之间低频电活动的同步相关性。音乐训练对不同脑区之间功能连接产生影响。

听觉脑区、运动脑区、感觉脑区以及这些脑区之间的交互作用在音乐训练过程中发挥着重要作用。先前的一些研究表明经过长期专业音乐训练后，听觉脑区、运动脑区、感觉脑区的功能和结构均发生改变。除此之外，听觉、感觉及运动相关脑区之间的功能连接及结构连接亦发生改变。一项研究[22]表明经过长期音乐训练的人听觉、运动脑区之间的功能连接及这两个脑区之间的结构连接强度均高于普通人，并且该类人感觉、运动脑区之间的功能连接强度及听觉脑区与运动脑区、感觉脑区之间的结构连接强度均高于普通人。还有研究[18]发现经过长期音乐训练的人，其岛叶与双侧运动脑区、感觉脑区、听觉脑区及枕叶皮质功能连接强度高于普通人。

前额叶-顶叶网络在大脑处理视觉信息与运动信息之间起着延迟缓冲的作用，同时该网络对手眼协调性也起着重要作用。经过专业音乐训练的人，其前额叶-顶叶网络连接强度及活动性较训练前明显增强[23]，视觉皮质的局部脑活动低于普通人，这些视觉皮质的局部脑活动减低表明经过特定的专业技能训练后，视觉皮质神经效能会有所提高[5]，即经过专业音乐训练的人相比于普通人，其在执行视觉任务时仅需要少量视觉皮质神经元产生电活动就能提高视觉皮质的神经效能。神经效能理论诠释了一个常识性的概念即专业音乐工作者手眼协调性及灵活性均明显高于普通人。“神经效能”理论同样也被经过专业训练的羽毛球运动员所证实[24]。

2.4 人脑灰、白质结构 通过VBM成像技术发现经过专业音乐训练的人，其大脑部分脑区的灰质体积大于普通人大脑灰质体积。这些脑区分别是初级运动皮质、运动前皮质、颞横回、小脑等[25]。有研究者[26-27]发现经过专业音乐训练的人与普通人的前额叶、感觉运动皮质及听觉皮质的精细解剖结构及其功能存在显著差异。还有研究[28]报道了钢琴家负责手指动作的双侧运动皮质体积明显大于普通人，而小提琴家负责左手动作的右侧运动皮质体积明显大于普通人。这种精细的解剖结构差异可能与钢琴家在演奏时需要同等量的双手运动，而小提琴家在演奏时双手的运动量不同有关。Hyde等[29]研究发现儿童进行15个月的短期音乐训练后，其听觉皮质、前运动皮质及胼胝体的体积明显大于对照组。经过专业音乐训练的人大脑部分脑区的白质体积、组织结构、髓鞘化程度亦不同于普通人[30]。Schlaug等[31]首次报道经过专业音乐训练的人胼胝体前半部的体积大于普通人。Schlaug等[32]随后的研究发现接受与未接受专业音乐训练的5～7岁儿童胼胝体体积存在不同；上述接受专业音乐训练的儿童经过29个月训练后，训练强度大的儿童胼胝体前部体积明显大于训练强度低及未接受专业音乐训练的儿童，该研究结果表明胼胝体部脑白质的神经可塑性与接受训练的时间长度呈正相关。

Schmithorst等[33]率先应用DTI技术分析了经过专业音乐训练的人与普通人脑白质之间的差异，研究发现经过专业音乐训练的人胼胝体膝部的各向异性分数（FA）值明显大于普通人。胼胝体膝部与额前回的皮质相连接，而额前回负责情绪等认知功能，因此推测经过专业音乐训练的人情感丰富可能与胼胝体膝部的FA高有关。Steele等[34]应用DTI对7岁前、7岁后接受专业音乐训练者进行研究，结果发现7岁之前接受专业音乐训练者胼胝体中后部的FA值大于其他2组。以上研究结果均表明专业音乐训练可以影响胼胝体的可塑性。

3 小结

综上所述，先进的影像技术有助于深入了解专业音乐训练对神经功能及结构可塑性的影响。音乐训练需要感觉、运动、视觉等多个系统参与，同时需要不同功能脑区之间协调一致的配合。接受专业音乐训练人员为神经功能与结构可塑性研究提供了独特的模型。专业音乐训练涉及认知、情感、记忆等人脑的高级功能，因此研究音乐训练对人脑可塑性的影响也是认知人脑高级功能一种途径。运用MR成像技术研究音乐训练与大脑神经可塑性之间的作用机制，不但有助于将音乐训练的理论成果应用于康复医学领域及优化专业音乐训练方案，同时也有益于开发人脑的潜能。