脑间同步探秘音乐心理学
为理解人际互动提供全新视角
解码音乐表演中微妙的协作奥秘
摘要
认知神经科学研究表明，协作行为通常需要涉及脑间同步(interbrain synchrony, IBS)和超脑活动(hyperbrain activity)。比如一起演奏乐器、跳舞、谈话等等。
然而，脑间同步与协作行为之间的影响机制尚不可知。有研究探讨了脑间同步在音乐二重奏中的作用，重点关注其如何促进行为同步，尤其是在那些具有挑战性的情境中，例如节奏变化的音乐二重奏。
尽管环境中共通的感觉和指尖的运动会引发人们的脑间同步，但是也有新兴证据表明，内源性的认知过程同样发挥着重要作用。
本研究旨在探索，在二重奏的音乐演奏中，哪些因素会造成脑间同步出现；脑间同步与多人协作行为的同步又呈现怎样的关系。研究通过设置多重奏音乐表演中的“扰动”，旨在揭示脑间同步与协作行为之间的动态关系。
*扰动：本文扰动是指假被试故意提前进入节拍，导致错误演奏。
研究背景
先前对脑间同步的超扫描研究表明，在吉他多重奏中，脑间同步的现象通常出现在两个大脑之间的频带振荡耦合时。当对人际协调行为的需求较高时，频带振荡耦合主要出现在前额-中央脑区的δ波（0.5–4 Hz）和θ波（4–8 Hz）频段。
此外，吉他手之间的相位对齐与他们的演奏开始时间差异有相关关系，相位和时间差异之间存在显著的角度–线性相关性。
有趣的是，即使在感官输入和行为被控制相同的情况下，亦或是在没有感官输入或音乐暂停期间，脑间同步也能够出现。这表明，脑间同步不仅仅依赖于共享的感知-行为影响，还可以通过协调行为的认知过程自发地产生，从而支持行为同步。
*相位：是指在一个周期性波动中，波的某个特定点在时间上的位置或状态。
*认知过程：本文所指认知过程包括自下而上的认知控制与自上而下的认知控制，两者被认为是协调行为的重要认知过程。
研究假设
行为层面：研究预期一个演奏者的提前进入会导致两个声音之间的相位偏移，接下来的合作者（即共同演奏者）需要加快自己的演奏速度才能重新同步。除了演奏中的去同步化（表现为两个参与者之间更长的击打间隔，称为ITIs，即敲击间隔），这一扰动还应导致更高的协调行为变异性。
神经层面：预期在受到扰动的情况下，与未受扰动（控制）条件下的同步行为相比，脑间同步会减弱。也就是说，在扰动条件下，大脑的同步活动将减少，表现为协同演奏的神经同步性降低。
*预期演奏者提前进入即主试为达到“扰动”目的设置的假被试。共同演奏者即真被试。
*去同步化：两个个体之间的同步行为失效。在音乐演奏的背景下，两个演奏者通常会保持协调，确保他们的节奏、音符、演奏的时机等方面保持同步。当一个演奏者提前进入或改变了自己的演奏节奏时，演奏者之间的同步性会被破坏，导致去同步化现象。
*变异性：行为或生理信号在时间或不同试验间的波动性。在扰动发生时，演奏者之间的行为变得不再一致，导致更多的不确定性和波动性。
研究方法
研究同时记录了13对钢琴家在一起进行二重奏时的脑电数据。实验为了控制“协调需求”，设置其中一个音乐家作为假被试，故意使演奏不同步，产生“扰动”。
受试者会提前几天收到要演奏的音乐，并要求记住乐谱，确保实验中的眼动最小化。每段乐谱由5个不同的四分之一音符组成（第一个：C4、D4、E4、F4和G4；第二个：A3、B3、C4、D4、E4）。实验过程中，为了使演奏不同步，假被试会通过缩短暂停来产生相位移动，迫使真被试加快速度(图1)。每次试验前，假被试都会收到屏幕上的指示，告诉他们是否要犯错误。一次实验包括80次试验，分成4个block，每个区块约15 min。
实验过程中使用64导主动电极帽(actiCAP，Brain Products GmbH，Germany)同时记录两位钢琴家的脑电图，且在后续使用神经生理学数据分析软件（Brain Vision Analyzer 2, Brain Products）对EEG原始数据进行处理（国内由瀚翔脑科学总代理Brain Products产品）。
研究结果
行为结果(图1B、C)：通过分析去同步化及变异性，扰动试验的去同步化比非扰动试验呈现更显著的阴性，表明在扰动试验中，行为去同步化和变异性显著增加。
脑电结果(图1D)：通过脑间相位相干性（IPC）测量脑间同步性，与非扰动试验相比，在扰动期间的delta和theta频带耦合增加。并且，在delta波段的IPC的增加伴随着相位差角从同相位向反相位同步的转移（图2），即扰动试验中，相位角与行为结果的去同步化高度一致，表明当假被试提前进入节拍时，真被试与假被试敲击时间间隔拉长、出现去同步化。
脑间同步应当反映的是感觉-运动对准和协调行为的认知需求，特别是在应对扰动时，扰动期间 IPC 的增加可能与注意力的提升和适应性行为相关，因为音乐家在试图重新同步时增加了脑部活动。相位对准分析表明，在扰动过程中，钢琴演奏者的大脑活动与行为启动去同步化紧密关联，揭示了联合音乐表演中实时协调背后的神经机制。
图1 （A）音乐片段：上排由假被试演奏，假被试在乐曲的二重奏部分暂停后，会在一半的试验中提前开始演奏。下排由真被试演奏，需要根据假被试演奏做出反应，适应这种扰动（即调整自己的演奏节奏）。（B）演奏时的异步性（Asynchrony）：研究通过计算每次点击（tap）之间的击打间隔（ITIs，Inter-Tap Intervals），来衡量两位演奏者的演奏是否同步。异步性是通过比较合作者和常规参与者之间的ITIs差异来衡量的。(C)演奏的一致性（Constancy）：一致性通过计算每次点击之间击打间隔的标准差（standard deviation of ITIs）来评估，标准差越大，表示演奏的变异性越大，演奏的时序越不稳定。（D）大脑连接性图谱（Connectivity Maps）
图2 相位差角。针对两对电极在 delta 和 theta 频率带的分析。相位差是指两位演奏者（合作者和常规参与者）在特定频段下的大脑活动的相对时序差异。在图示中，每个参与者的相位差角度是在所有试验的15次Tap中平均得出的
总结
脑间同步是基于不同大脑机制的人际时间对准，并非简单地简化为相似的感觉或运动。
尽管扰动导致了行为的去同步化，但大脑之间的相位同步增加。这一发现表明，在同步过程中，脑间同步不能仅仅被还原为相同的运动和感觉输入反馈，而应该通过参与对扰动的执行和感知的高级认知过程的时间对准来解释，比如集中注意力和监测。
不同的测量方式反映了人际互动的不同方面，用以涵盖这种互动的潜在的神经机制。
