前青春期自然音乐聆听与静息状态下动态功能连接的差异及其对认知发展的启示

本综述采用前沿的动态功能连接（dFC）分析方法LEiDA，揭示了前青春期儿童在自然音乐聆听（使用Piazzolla的Adiòs Nonino作为刺激）与静息状态下大脑网络的显著差异。研究发现，音乐聆听显著增强了枕叶视觉区域（如距状裂周围皮层、楔叶）的激活，并促进了从默认模式网络（DMN）到眶额边缘网络（涉及奖赏处理）的频繁状态转换。这些发现不仅深化了对音乐加工神经机制的理解，更为将音乐整合到教育实践以支持青少年认知与情绪发展提供了神经科学依据。

　　

引言

音乐在儿童和青少年的生活中扮演着 pivotal 角色，是娱乐和社交互动的主要来源。这种对音乐日益增长的兴趣 typically 萌发于前青春期（约9-12岁）。在此期间，大脑持续成熟，特别是前额叶皮层和边缘系统等区域。前额叶涉及大量与行为和情绪控制相关的执行功能，而边缘系统（包括伏隔核等结构）则在记忆、情绪和奖赏处理中起 central 作用。

尽管针对成人音乐脑功能的研究已 extensive，但关注青少年和 preadolescents 神经连接的研究相对较少。鉴于这一时期发生的巨大神经发育变化，进一步研究音乐如何调节年轻群体的大脑网络至关重要。

材料与方法

本研究招募了24名8至12岁的健康丹麦前青春期儿童（11名男性）。在功能性磁共振成像（fMRI）扫描过程中，参与者完成了音乐聆听任务，聆听阿根廷作曲家Astor Piazzolla于1959年创作的器乐tango nuevo《Adiós Nonino》的交响部分。该作品因其能引发强烈情绪反应和 robust 神经参与而被选中。作为对照，还采集了8分钟的静息态fMRI数据。

fMRI数据经过预处理后，采用了一种新颖的动态功能连接（dFC）方法——主导特征向量动态分析（Leading Eigenvector Dynamics Analysis, LEiDA）。该方法通过计算血氧水平依赖（BOLD）信号的相位一致性来获取时间分辨的dFC矩阵，其计算公式为：

dFC(n, p, t) = cos[φ(n, t) - φ(p, t)]

其中，n, p 代表大脑区域，t 代表时间。通过提取每个dFC矩阵的主导特征向量 V₁(t) 来降低维度，该向量捕获了主要的FC模式。随后，使用k-means聚类将所有主导特征向量分类为k个簇，每个簇代表一个 distinct 的相位锁定（Phase-Locking, PL）状态，以识别在音乐聆听和静息状态下差异显著的大脑状态。

结果

检测到 recurrent 的PL状态

通过k-means聚类（k值从2到10）确定了每个PL状态在音乐聆听和静息条件下出现的概率。研究发现，对于k=2, 3, 4, 5, 6, 7，都有一个PL状态在两种条件间表现出显著差异（p < 0.05）。其中，k=2时的PL状态2在经过多重比较校正后差异最为显著。

具有显著差异的PL状态

k=2时的PL状态2包含了距状裂及周围皮层、楔叶、舌回、枕回、梭状回和顶上小叶（SPG）。这些区域通常与视觉处理、高水平视觉计算、空间定向、 voluntary 注意转移、情景记忆提取和高水平认知功能相关。该状态在音乐聆听期间的出现概率（18.73 ± 10.92%）显著高于静息状态（16.78 ± 6.53%）（p = 0.0199）。重要的是，在所有k值下，具有显著差异的PL状态（用方框标出）在性质上是一致的，都对应于视觉顶枕脑网络，这证明了结果的稳健性。

转换过程

从一个时间点到下一个时间点的PL状态变化被视为一次 transition。为了 properly 识别转换动态，选择了k=5的聚类方案进行分析。PL状态1代表全局状态。PL状态2包括额中回（MFG）、眶额皮层（OFC）、直回、嗅皮层、颞中回（MTG）和左前扣带皮层（ACC）。PL状态4包括罗兰迪克岛盖、辅助运动区（SMA）、脑岛、中央后回、缘上回、壳核、Heschl回、颞上回（STG）和左杏仁核。PL状态5包括额上回（SFG）、MFG、额下回（IFG）、直回、ACC、后扣带皮层（PCC）、右顶下小叶（IPG）、角回（AG）、MTG和左颞下回。

分析发现，在音乐聆听期间，从前额顶叶PL状态5向眶额边缘PL状态2的转换概率显著增加。相反，在静息期间，从前额顶叶PL状态5向感觉运动PL状态4转换的概率更高，随后是全局状态1。

讨论

本研究揭示了前青春期儿童在自然音乐聆听（与静息相比）期间动态连接组的特性。研究结果指出，涉及视觉处理的脑区域在聆听自然音乐时也被 engage，这与音乐-情绪诱导中的视觉意象机制产生共鸣。该机制指的是在音乐聆听过程中生动心理图像的唤起。另一种可能导致音乐聆听期间 early 视觉皮层 recruitment 的机制是 attention。研究表明，即使没有视觉输入，仅仅注意声音也能调节视觉皮层的活动，这可能与跨模态促进和对即将到来的感觉输入的 attentional preparation 有关。

神经影像学证据支持视觉区域在声音处理过程中的参与。一项在成人中进行的正电子发射断层扫描（PET）研究显示，外侧枕叶复合体和梭状回都参与视觉和听觉处理。类似地，一项功能连接研究也报告称，在专注的音乐聆听并进行审美评价时，枕回、楔叶和舌回彼此连接。

此外，在考虑转换过程时，观察到在音乐聆听期间，从前额叶、颞叶、IPG、ACC、PCC和AG向MFG、OFC、MTG和ACC的转换更加频繁。这些转换表明，在音乐聆听期间，发生了从默认模式网络（DMN）向眶额边缘网络的频繁切换。前额叶（包括SFG、MFG和IFG）有助于音乐聆听期间的高阶认知过程，如注意力、工作记忆和决策。OFC和ACC作为多巴胺能中脑边缘奖赏通路的组成部分，参与音乐引发的愉悦感。这些区域可能促进对音乐的 sustained 注意力、音乐结构分析、复杂音乐模式处理、对音乐引发的情感体验的反思以及各种音乐元素的整合。

OFC在成人和前青春期儿童的音乐聆听中都扮演着 crucial 角色，是情绪处理、奖赏评估和社会参与的 central 枢纽。最近一项同样使用LEiDA的fMRI研究报道，在前青春期儿童中，音乐聆听期间OFC和腹内侧前额叶皮层的连接和切换更加频繁。

在静息期间，与音乐聆听相反，发现前青春期儿童的大脑网络频繁地从DMN切换到感觉运动听觉网络，然后达到全局状态。DMN的特点是在个体不专注于外部任务的清醒静息期间激活和连接高度增强。静息态fMRI研究表明，多个网络同时参与，包括负责运动、感觉、视觉和语言处理的网络。此外，研究结果还表明了运动区域的参与，这可能反映了运动意象，因为前青春期儿童在扫描仪内静息时可能难以保持静止。

对转换过程的进一步分析揭示，在静息期间，突显网络、听觉网络和感觉运动网络同时同步。更具体地说，突显网络涉及ACC、脑岛、杏仁核和前额叶皮层；听觉网络主要涉及STG和Heschl回；而感觉运动网络则涉及顶叶皮层、辅助运动区和基底节。

结论

本研究采用LEiDA调查了前青春期儿童在自然音乐聆听和静息期间的功能连接模式和动态交互过程。研究结果表明，视觉区域在前青春期儿童的音乐聆听过程中被积极调动。这种调动可能反映了它们在调节注意力和产生视觉意象方面的作用，而这些与音乐的情绪处理相关联。这些观察支持了音乐聆听涉及广泛非听觉过程的 notion，即使在前青春期的发展阶段也是如此。此外，这项研究为音乐在前青春期能够连接高阶认知脑区与奖赏相关眶额区域的能力提供了额外证据。

总之，这些发现表明，知情地使用音乐可以成为一个强大的工具。例如，选择 emotionally engaging 的作品来激活奖赏通路可以增强动机并 reinforce 学习。而且，由于音乐聆听是一项锻炼大脑灵活性的动态认知任务，它不仅仅是一种听觉艺术形式，更是一次全脑锻炼。当战略性地使用时，它可以培养发展中前青春期儿童的动机、情绪调节和核心认知技能。总体而言，这些发现增进了我们对前青春期儿童音乐聆听期间大脑活动的理解，并可能为将音乐整合到青少年教育实践中提供信息，强调知情地使用音乐作为学习和认知发展的工具。