你聽見了嗎──在腦中定位音樂

原出處：Music in the brain¹
原作者：Anne Traf­ton（MIT News Of­fice）

一直以來科學家們十分好奇，人類的腦中是否存在專門感知音樂的神經機制。現在，麻省理工學院（Mas­sa­chu­setts Ins­ti­tute of Tech­no­lo­gy，MIT）的神經科學家首次定位出對音樂有高度選擇性（se­lec­tive）的神經群體（neu­ral po­pu­la­tion），其位於人類聽覺皮質，且不會對言語或其他環境聲響有反應。

「人們對它一直有很多猜測。」MIT 佛德瑞克與卡洛米道頓生涯發展研究會（Fred & Carole Mid­dle­ton Ca­reer De­ve­lop­ment）大腦與認知科學部門助理教授喬許‧麥克德莫特（Josh Mc­Der­mott）說。「其中一個核心的辯論，在於腦中是否有專門感知音樂的機制，還是附屬於專司其他功能的系統。」這次的發現歸功於一項新的分析方法，可以從功能性磁振造影（fMRI）的資料讀取出神經群體，研究者藉此將六組神經群體對應到不同功能，其中包含針對音樂的群體，和其他如針對語音（speech）的群體。

MIT 麥戈文腦科學研究所（Mc­Go­vern Ins­ti­tute for Brain Re­search）博士後研究員山姆‧諾曼－海格涅（Sam Nor­man-Haig­nere）表示，「這是個值得注意的研究結果，因為過去人們都不能清楚看見對音樂具高度選擇性的反應」。

「我們的研究並不認為感知音樂的神經機制附屬於其他功能的系統，因為這些神經反應只專門用於音樂。」MIT 認知神經科學沃爾特‧A‧羅森布里斯教授（Wal­ter A. Ro­sen­blith Pro­fes­sor）²、麥戈文腦科學研究所成員南西‧坎維舍（Nan­cy Kan­wi­sher）表示。

描述此發現的論文刊載於 12 月 16 日網路版的 Neu­ron 期刊，³第一作者為諾曼－海格涅，資深作者為麥克德莫特和坎維舍。

聲音的定位造影

過去已經證實大腦聽覺系統難以定位造影，部分是因為 fMRI 以血流作為神經活性的指標，僅具粗糙的空間解析度。

在此研究中，研究者掃描 10 位受測者的腦部影像，記錄聆聽 165 種自然聲響時的反應，其中包括不同種類的談話聲、樂音，以及腳步聲、汽車引擎發動聲、電話鈴響等日常生活中的聲音。

過去已經證實大腦聽覺系統難以定位造影，部分是因為 fMRI 以血流作為神經活性的指標，僅具粗糙的空間解析度。fMRI 的最小測量單位──體積元素（voxel，以下簡稱體素），反映了數以十萬或百萬計的神經元反應。

「因此當你測量體素時，你測量的是其背後所有神經元反應的總和」諾曼－海格涅說道。為了將分離出這些神經反應，研究者運用一種技術，將每個體素模組（mo­del）為相關神經反應的組合；⁴他們運用此方法定義出六組最符合數據的神經群體，每一組對實驗中的聲音都有其特有的反應模式。

「我們發現，只要以六種群體的反應模式，就能解釋許多種種不同、橫跨幾萬體素的反應。」諾曼－海格涅說。其中一組群體對於音樂最有反應，另一組則對應到語音，而其他四組則是對應聲調、頻率等不同聲學特性。

喬治城大學（Ge­orge­town U­ni­ver­si­ty）生理與生物物理學教授喬瑟夫‧洛契克（Jo­sef Raus­che­cker）表示，這個進展的關鍵在於分析 fMRI 數據的新方法。

「整個研究領域的人都想找到專司不同聽覺的各個區域，如同在視覺皮質所發現的那般，但問題是體素不夠精細。一個體素裡有數十萬個神經元，那你要怎麼將這些神經元組成的訊號分開？這就是數據分析的得力之處。」洛契克（並未參與本研究）表示。

圖片來源：bbvaopenmind.com

聲音處理的各個層次

我們認為這證明了資訊的處理具有層級性（hi­er­ar­chy），在初級聽覺皮質裡負責處理相對簡單的聲音特性，而其後第二層的處理程序，則負責語音和音樂等較抽象的特性。

四組與聲學相關的神經群體和初級聽覺皮質（pri­ma­ry au­di­to­ry cor­tex）──即初步處理聲音的皮質區──有所重疊，而針對語音和音樂的兩組則落在其範圍之外。

「我們認為這證明了資訊的處理具有層級性（hi­er­ar­chy），在初級聽覺皮質裡負責處理相對簡單的聲音特性，而其後第二層的處理程序，則負責語音和音樂等較抽象的特性。」諾曼－海格涅說。

研究者認為，大腦中可能還有更多處理音樂的區域，包含其中的情感成分。「現在我們還不能下定論，說『音樂』就在大腦的這個位置，」麥克德莫特說，「因為你只看到聽覺皮質裡的大部分反應位在那個區域，但還有很多地方是我們從未探索過的。」

坎維舍也指出，「在腦中發現針對音樂的反應，並不意味著大腦系統先天（in­nate）就具備這些系統；這個系統如何在發育過程中出現，將是未來探討的重要問題。我們必須回答『其在嬰兒期、幼年期多早時出現？它的發育有多依賴經驗的累積？』等問題。」

研究者們現在正在探究，這些對音樂具選擇性的神經群體中是否含有子群體（sub­po­pu­la­tion），而能分別對樂音的韻律、旋律、節拍等不同方面做出反應；他們也希望研究聆賞與訓練的經驗，對於這類神經群體有何影響。