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Archive for 2021 年 07 月

李家瑋、郭灃儀、蔡振家*(2021)Predictive processing, cognitive control, and tonality stability of music: an fMRI study of chromatic harmony. Brain and Cognition, 151: 105751. [SCI & SSCI, IF=2.821]

中文摘要

本研究希望找出對於中等調性穩定性較有反應的腦區。實驗刺激材料有三種,其中自然音階音樂的調性最穩定,而無調性音樂的調性最不穩定。在這兩個極端之間,變化和聲音樂具有中等的調性穩定性,其特點是對調外音符的使用,這些音符對於音高的內部模型提出了挑戰。本研究使用功能性磁振造影,測量了 29 名具有良好相對音感的成年人在聽自然音階音樂、變化和聲和無調性隨機音符序列時的大腦活動。數個額頂葉區域對於變化和聲的反應高於對自然音階音樂和無調性序列的反應,包括前輔助運動區(延伸到背側前扣帶回皮質)、背外側前額葉皮質、喙外側前額葉皮質、頂內溝、楔前葉。在變化和聲音樂的預測處理過程中,這些額頂葉區域可能支持工作記憶、階層式的序列處理、和聲上相距較遠之元素的衝突解決。此一發現顯示,精確度加權預測誤差(precision-weighted prediction error)與涉及認知控制的額頂葉區域之間可能存在相關性。

關鍵詞功能性磁振造影; 額頂葉網路; 階層式的序列處理; 音樂; 預測誤差; 工作記憶

在音樂認知領域,採用預測處理的觀點來解釋音樂聆聽的經驗,已經成了重要趨勢,此觀點主張,先前音樂段落的結構規律,可以讓聽者建立預測後續音樂的模型,而當聽覺輸入跟預測不吻合時,會導致預測誤差。

跟節奏知覺有關的研究,為音樂的預測處理提供了絕佳的模型。大腦根據音樂在時間上的規律建立拍節(meter),當切分音發生時,這些預測會失準(Vuust and Witek, 2014)。Vuust等人(2018)基於階層式貝葉斯推斷框架(hierarchical Bayesian inference framework) (Friston, 2010)提出了一種節奏失諧預測編碼模型(predictive coding of rhythmic incongruity; PCRI),其中節奏是聽覺輸入,拍節是時間預測模型。在這個框架中,自上而下的訊息流提供較低級別的先驗節奏期望,而自下而上的訊息流攜帶預測錯誤,藉此更新較高級別的後驗期望。該模型成功解釋,聽者對主觀快感和身體運動渴望的評分,是切分音程度的倒U型函數(Witek et al., 2014)。

大腦對切分音的感知,取決於(1)由於節奏不一致導致的預測錯誤,以及(2)拍節確定性導致的精確度(對時間預測模型的信心)。中等切分程度的節奏會使聽眾體驗到更強烈的愉悅感和對身體運動的渴望,因為此時的精確度加權預測誤差最高。具有最低切分程度的音樂令人感到有點無聊,它導致最小的預測誤差;而具有最高切分程度的音樂導致精確度最低,因為拍節非常不確定(Vuust et al., 2018)。

以上述的切分音研究為基礎,本研究探討大腦對於音高的音樂預測模型:調性。大多數的人類音樂都是有調性的,儘管各種音樂的調性清晰度或穩定性差異很大。在西方音樂中,音樂的調性穩定性與音樂張力知覺之間可能存在倒U型關係。在自然音階音樂中,先前的音符建立了一個音高預測模型,所有隨後的音符都與該模型相符。無調性音樂中沒有這種預測模型,這種音樂具有最低的調性清晰度。在這兩個極端之間,變化和聲音樂的特點是使用音階以外的音符。為了探索更複雜、調性更模糊的聲響,十九世紀西方古典音樂的作曲家開發了豐富的變化和聲語彙。在科幻電影中,變化和聲通常用於強調神秘事件或超自然力量(Heine, 2018)。電影《星際大戰》中的一種變化和聲,甚至能給人這種印象:「只有非常強大的巫師,也許只有神,才能使這些和弦動起來,從而使它們的發展與它們的調性本質背道而馳」(Buhler 2000, p. 47)。這顯示變化和聲音樂所引起的複雜情感反應,與聽者內在模型的預測失準,兩者可能存在某種關聯。

依循著上述切分音研究的思路,筆者認為音高處理的精確度加權預測誤差可能是調性穩定性的倒U形函數,原因是具有中等調性穩定性的變化和聲會導致最高的精確度加權預測誤差。自然音階音樂會導致預測誤差最小,而無調性音樂會導致最小的精確度。

一些變化和弦是源於主音化(tonicization),這種修飾和聲進行的手段,是暫時將某個順階和弦提升為主和弦,例如[[V of III → III] → II → I]這個和聲進行,是在三級和弦之前放上其屬和弦(副屬和弦,secondary dominant chord),如此一來,三級和弦就暫時成了主和弦。音樂中的主音化類似於語言中的關係子句;主音化的和弦暫時變成主和弦,就像某個名詞暫時成為關係子句中的主詞。

副屬和弦的例子顯示,一個和弦符合或不符合和聲規則,兩者並非涇渭分明。許多神經影像研究使用了事件相關的實驗設計,操弄了試驗的最終和弦(此即該實驗的事件);該和弦可能是符合和聲規則的自然和弦,或者是“違反”和聲規則的變化和弦(Koelsch et al., 2007; Maess et al., 2001; Omigie et al., 2019; Steinbeis et al., 2006)。然而,如果後續的和弦能適當地解決變化和弦,則該變化和弦在整體和聲脈絡中是符合規則的。本研究跳出上述腦造影研究的窠臼,將變化和弦的解決納入考量。

本研究使用功能性磁振造影,探討相對音感良好的成人在聽自然音階音樂、變化和聲音樂和無調性隨機音符序列時的大腦活動。

本研究召募了29名成年人參與此項功能性磁振造影實驗,他們的平均年齡為22.8 歲,其中有2人為左手慣用者,有19位女性。他們都有至少兩年以上的樂器或歌唱經歷。本研究的所有流程,都經過國立臺灣大學行為與社會科學研究倫理委員會審查通過(No. 201812HM063)。

腦造影分析結果發現,對變化和聲反應最大的腦區,包括:頂內溝(intraparietal sulcus)、楔前葉(precuneus)、背外側前額葉(dorsolateral prefrontal cortex)、額下回(inferior frontal gyrus)、前輔助運動區(pre-SMA)、背側前扣帶回皮質(dorsal anterior cingulate cortex)、喙外側前額葉(rostrolateral prefrontal cortex)。

本研究的部分結果,類似於之前的研究。之前的腦造影研究發現,額下回後區對於違反和聲規則的和弦有較大反應(Bianco et al., 2016; Perani et al., 2010; Seger et al., 2013),這些和弦並未解決。本研究則發現,額下回前區及背外側前額葉對於變化和聲有較大反應(跟自然音階音樂和無調序列相比),其中大部分的變化和弦都有解決。

本研究發現,背外側前額葉和後頂葉皮質(左側頂內溝和楔前葉)對於變化和聲有較大反應。在許多有關工作記憶的研究中,背外側前額葉和後頂葉皮質經常共同活化,後頂葉皮質可能負責語言、數字和視覺空間工作記憶的表徵和操作。在本研究中,左側頂內溝可能支持主調和關係調之重要和聲進行的表徵,以便預測變化和聲音樂的進行。Matthews等人(2020)在切分音的實驗中發現,與高度複雜的節奏相比,雙側頂內溝對中等複雜的節奏有較大的反應,該腦區可能跟預測處理有關。這種觀點類似Vickery和 Jiang (2009)的以下看法:在不確定的決策過程中,頂內溝可能有助於構建一個內部模型,該模型透過自下而上的訊息,不斷更新。

與自然音階音樂相比,前輔助運動區與背側前扣帶回皮質對於變化和聲音樂有較強反應,此一發現支持了之前針對和聲語法的腦造影研究。之前的研究顯示,聽到意外的和聲進行(Seger et al., 2013)、不確定的和聲進行(Cheung et al., 2019)、調性模糊的音樂(Alluri et al., 2012),輔助運動區的活性都會增強。本研究將之前的這類發現擴展到無調序列,發現變化和聲比無調序列引起更高的前輔助運動區與背側前扣帶回皮質的活性。前輔助運動區對於變化和聲音樂有較強反應,可能反映了它在和聲序列處理中的作用。額下回和前輔助運動區可能協同工作,以支持階層序列的處理(Bahlmann et al., 2009; Cona and Semenza, 2017; Wiener et al., 2010)。此外,背外側前額葉、前輔助運動區、背側前扣帶回皮質在不確定條件下的認知控制中發揮重要作用(Taren et al., 2011; Wu et al., 2020)。筆者認為,在聆聽變化和聲音樂時,左側頂內溝中簡短和聲進行表徵的形成,可能是在背外側前額葉、額下回、前輔助運動區、背側前扣帶回皮質的指導下進行的,這些額葉腦區支持在不確定的調性脈絡中進行階層序列處理和認知控制。

在本研究中,喙外側前額葉是偏好對變化和聲產生反應的最前端腦區。當刺激、表徵或反應傾向之間存在衝突時,喙外側前額葉較為活躍。Novick等人(2005)假設,左側喙外側前額葉支持通用的認知控制機制,其用於檢測和解決不相容的語言項目,進行重新分析。先前的研究也觀察到,左側喙外側前額葉顯示對於歧義句(Vitello et al., 2014)以及歧義詞(Grindrod et al., 2014)的反應顯著增加。有趣的是,喙外側前額葉也對於音樂歧義有反應。過去的研究發現,音樂中的複節奏會活化喙外側前額葉 (Vuust et al., 2006; Vuust et al., 2011),喙外側前額葉對未解決的變化和弦有更強的反應(Bianco et al., 2016)。本研究顯示,變化和聲讓左側喙外側前額葉活化增加。變化和弦不僅挑戰了調性的預測模型,提升了音樂張力,而且透過和聲解決讓該變化和弦可以被重新解釋。在聆聽變化和聲時,左側喙外側前額葉或許可以調解遠距和聲元素的衝突,在一個較寬鬆的主調脈絡中,更新變化和弦的語義。這個觀點與Raposo 等人(2012)的語言研究類似。

本研究證明了中等調性穩定性的變化和聲,讓額頂葉區域的活性變高,Badre 與Nee (2018)最近提出的階層認知控制模型,適合用來解釋這些腦區所扮演的角色。最近有研究顯示,這些額頂葉區域與預測編碼過程有關(Siman-Tov et al., 2019),此外,本研究也支持「認知控制參與處理調性歧義」的假說(Slevc & Okada, 2015)。

本研究為探索語言和音樂之間的平行關係,提供了一個新的角度。在句子層級語義整合的研究中,左側頂內溝、楔前葉、雙側背外側前額葉、額下回、前輔助運動區、背側前扣帶回皮質之活性,隨著語義整合負荷而增加(Zhu et al., 2013)。此外,Lee與Newman (2010)的研究指出,與簡單的主動句子相比,在理解包含子句的句子時,頂內溝、楔前葉、額下回和前輔助運動區更加活化。考慮到上述這三項研究中相似的腦部活化模式,筆者建議,未來的研究應該闡明變化和聲處理、句子層級語義處理和關係子句處理之間的關係。

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