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            青千杜忆研究组揭示音乐训练增强言语感知能力的脑机制

            来源:中国科学院心理研究所 作者:杜忆研究组 2017-12-06 14:22:16
            内容摘要: 中国科学院行为科学重点实验室杜忆研究员与加拿大麦吉尔大学合作,运用功能性磁共振成像技术,发现音乐训练不仅可以提高对言语自下而上的听觉编码能力与自上而下的言语运动预测能力,而且加强了听觉-运动系统的跨模态信息整合,在不同强度的背景噪音下,这种单通道和跨通道加工能力的提高以不同的权重动态促进人们的言语感知能力。
              音乐和语言是人类独有的意识活动产物,对人类社会的生存和发展具有深远影响。两者存在一些相似的构成要素、组织原则并共享一些基本的神经环路和加工机制。长期以来,音乐、语言和大脑的关系吸引了众多认知神经科学和心理学家的探索以及大众的广泛关注,但至今人类还远未洞悉其中的奥秘。

              言语作为语言的声音载体,其感知和理解是人类大脑的一项重要功能,影响着人们日常与他人的交流。而日常环境通常充满噪音,噪音下言语感知能力的下降会对我们的社交活动造成极大的干扰。尤其是在老年人群体,随着年龄渐长,听觉功能出现衰退,噪音干扰下的言语感知能力显著下降。可喜的是,不少已有研究表明,音乐训练可以提高人们在噪音环境下的言语感知能力。但为什么音乐训练能带来这样的益处?其具体神经机制尚未被阐明。

              中国科学院行为科学重点实验室杜忆研究员与加拿大麦吉尔大学合作,运用功能性磁共振成像技术,发现音乐训练不仅可以提高对言语自下而上的听觉编码能力与自上而下的言语运动预测能力,而且加强了听觉-运动系统的跨模态信息整合,在不同强度的背景噪音下,这种单通道和跨通道加工能力的提高以不同的权重动态促进人们的言语感知能力。

              该研究招募平均年龄22岁的音乐家(训练起始年龄<7岁,训练总时长>10年,每周训练时间>3小时)与非音乐家各15名,对被试的人口学特征(性别、年龄、受教育程度)、听力水平、听觉工作记忆广度和非言语IQ进行平衡。实验采集两组被试在不同背景噪音强度下进行音节辨认时的大脑血氧水平变化。结果发现,音乐家比非音乐家在噪音干扰下而非安静情况下具有更强的言语辨认能力。相比非音乐家,音乐家在布洛卡区等左侧额叶言语运动脑区和右侧颞上回和颞中回等听觉脑区表现出更强的激活,并且这两个脑区的激活程度与音乐家的音节识别成绩呈正相关。研究进一步对磁共振成像数据采用多体素模式分类算法评估音乐训练如何影响言语刺激在大脑中的特异性编码和表征。结果显示,音乐家比非音乐家在双侧额叶言语运动区和颞叶听觉区对不同音位(构成音节的要素)特征的神经反应模式表现出更强的区分度,并且随着噪音强度的增大,相比听觉区,左侧言语运动区对音乐家成绩提高的贡献程度更大。(图1)。


            图1. (A-I)音乐家(左)和非音乐家(右)在不同噪音强度下(从上至下噪音越来越强)对音位(构成音节的要素)具有特异性编码和区分能力的脑区;


              (J)与言语加工相关的脑区

              此外,功能连接分析发现,相对于非音乐家,音乐家的双侧听觉区(包括颞上回后部和颞平面)与同侧或对侧运动区(如腹侧和背侧前运动皮层)的功能连接更强(图2)。不仅如此,左侧言语运动区对于音位的区分能力以及右侧听觉区与右侧言语运动区的功能连接强度能够正向预测被试的音节识别成绩。

            图2. (A)以左右听觉区为种子点的功能连接强度在组间的主效应;

            (B)右侧听觉区为种子点的功能连接强度在组间与信噪比的交互作用


              该研究提示,音乐训练可加强言语刺激的听觉编码、运动编码和听觉-运动系统间的信息整合,三种机制根据听音难度的动态变化以不同的权重共同促进噪音环境下的言语感知,从新的角度解析音乐训练强化言语加工的脑机制。同时,该结果提示音乐训练在改善老年群体以及听力和言语障碍人群的言语感知能力上具有重要的临床价值和良好的应用前景。

              该研究结果在线发表于《美国科学院院报》(PNAS),并作为重点文章在当期印刷版卷首语(“In This Issue”)中推荐。

              该研究获得国家自然科学基金(31671172)、“青年千人计划”和加拿大健康研究院基金支持。

              论文链接:

            Du Y*, Zatorre R. (2017) Musical training sharpens and bonds ears and tongue to hear speech better. Proceedings of the National Academy of Sciences USA, published online December 4 2017, doi:10.1073/pnas.1712223114.

              http://www.pnas.org/content/early/2017/11/28/1712223114

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