与音乐训练相关的脑结构–功能耦合改变

《Frontiers in Human Neuroscience》：Alterations in brain structure–function coupling associated with musical training

　　

音乐活动需要听觉、运动和认知系统的协同整合，使其成为研究脑可塑性的有效框架。此前研究已探讨音乐训练相关的脑结构和功能改变，但结构–功能关系仍了解不足。本研究中，研究人员采用了一种新的形态测量指标——形态测量逆散度（morphometric inverse divergence），来评估结构解耦指数（structural decoupling index, SDI），并评价音乐家与非音乐家之间结构–功能耦合的差异。方法：共纳入39名受试者（22名音乐家，17名非音乐家）。通过检验SDI的组间差异来评估区域结构–功能依赖关系。在音乐组内，进行了SDI与音乐训练经验及训练起始年龄的关联分析。结果：与非音乐家相比，音乐家在左侧额上回（superior frontal gyrus, SFG）、右侧额下回（inferior frontal gyrus, IFG）、右侧颞上回（superior temporal gyrus, STG）、右侧海马旁回（parahippocampal gyrus, PhG）和左侧后颞上沟（posterior superior temporal sulcus, pSTS）的SDI显著降低。值得注意的是，左侧pSTS的SDI与累积音乐训练经验呈显著负相关，与训练起始年龄呈正相关。结论：这些发现表明长期音乐训练与额–颞网络中结构–功能耦合的增强相关，尤其是在支持听觉–运动整合和记忆的区域。此外，左侧pSTS似乎对训练强度和训练时机特别敏感。

音乐表演作为一种复杂的多感觉活动，其本质在于感知与行动的紧密耦合，这一过程涉及感觉、运动和多感觉整合区域的协同参与，并需要听觉、运动和认知系统的协调配合。这种持续性的神经活动驱动着脑结构和功能的重组，进而影响感知、认知和运动表现。因此，长期音乐训练已被证实能够塑造脑的结构和功能特征，其作用范围不仅限于听觉–运动区域，还涉及前额叶皮层和内侧颞区等更高阶的认知与记忆相关网络。

尽管既往研究在音乐家与非音乐家之间的脑结构差异方面已取得较为一致的发现，例如音乐家在颞上回和额下回等参与听觉处理、运动控制和情绪调节的区域表现出灰质体积增加，但关于功能激活模式的研究结果则存在较大不一致性。有的研究报道音乐家表现出增强的听觉诱发反应，而另一些研究则未发现显著的组间差异。这种不一致性提示脑结构–功能关系可能并非简单的线性关系，亟需采用更整合的分析方法加以探索。近年来，学界日益认识到脑是以一种整合系统的形式运作，结构–功能之间呈动态相互依赖关系。早期研究通过量化结构连接与功能连接之间的线性相关来探讨结构–功能耦合，但越来越多的证据表明，这种耦合呈现出复杂的表型特征，线性方法难以完全捕捉。为克服这一局限，结构解耦指数（SDI）作为一种新型指标应运而生，用于量化各脑区结构–功能解耦的程度。与全局相关测量不同，SDI反映的是区域神经活动偏离底层结构连接架构的程度。该指标已被应用于老化、神经退行性疾病、精神疾病及健康人群（如飞行员）的脑特征研究，并被证明对个体差异、认知表现和学习相关可塑性敏感。鉴于音乐训练涉及广泛的听觉–运动、认知和边缘系统网络，且可能在不同区域诱导异质性的解耦模式，SDI尤为适合研究经验依赖的可塑性。然而，音乐训练与脑区层面结构–功能耦合的关系尚不清楚。此外，训练起始年龄和累积音乐经验作为训练诱导神经可塑性的重要调节因素，其与神经可塑性改变的具体关联仍有待阐明。正是基于上述研究空白，本研究采用SDI框架，旨在探索与音乐训练相关的脑结构–功能解耦模式改变。

本研究受到相关伦理委员会批准，共纳入39名右利手受试者，包括22名专业音乐家和17名非音乐家。音乐家组需满足≥7年正规音乐训练且目前仍积极参与音乐表演；非音乐家组则无正规音乐训练且非正式音乐经验少于1年。两组在年龄和性别分布上无显著差异。所有受试者均签署书面知情同意书。影像学数据采集采用3.0-T西门子MRI扫描仪。静息态功能MRI参数如下：重复时间（TR）=2000 ms，回波时间（TE）=30 ms，翻转角（FA）=9°，视野（FOV）=220×220 mm²，矩阵64×64，层数32，层厚3 mm。T1加权解剖像参数：TR=2600 ms，TE=3.02 ms，FA=8°，FOV=220×220 mm²，层数176。排除头动在任何方向上>1.5 mm或旋转>1.5°的受试者。功能像使用DPABI软件进行预处理，包括删除前5个时间点数、时间层校正、头动校正、配准至蒙特利尔神经学研究所（Montreal Neurological Institute, MNI）空间（体素大小3×3×3 mm³）、去线性趋势、回归干扰信号（Friston-24头动参数、白质信号、脑脊液信号）及带通滤波（0.01–0.08 Hz）。预处理中未进行空间平滑处理，以避免模糊相邻区域的功能边界并对解耦估计产生偏倚。T1加权像采用FreeSurfer 7.4.1软件的recon-all流程在表面框架内进行预处理，包括颅骨去除、组织分割、半球和皮层下结构分割，以及灰白质边界和皮层表面重建。

皮层表面重建和特征提取通过FreeSurfer的recon-all流程完成。对每位受试者，提取五种形态学特征：灰质体积、表面积、皮层厚度、脑沟深度和平均曲率。采用脑网络组图谱（Brainnetome Atlas, BN Atlas）进行皮层分割，共得到210个皮层区域。通过计算每对皮层区域之间多变量特征分布的对称Kullback–Leibler散度，构建形态测量逆散度（Morphometric Inverse Divergence, MIND）网络，得到210×210的MIND网络矩阵，并应用Fisher's z变换进行正态化处理。功能时间序列从BN Atlas定义的210个皮层区域中提取，得到N×T的时间序列矩阵（N=210，T=178）。将功能时间序列与个体特异性的MIND结构网络相结合，计算区域水平的SDI。SDI量化结构–功能耦合程度，较低值表示更强的耦合，较高值表示更弱的耦合。该过程产生每位受试者的1×210 SDI向量，用于后续统计分析。统计分析采用独立样本t检验比较两组间210个皮层区域的SDI值，使用Benjamini-Hochberg错误发现率（false discovery rate, FDR）校正（p<0.05）。对显示显著组间差异的区域，在音乐组内进行SDI值与正规训练年限及训练起始年龄的Pearson相关分析，相关分析同样进行FDR校正。

研究结果显示，与非音乐家相比，音乐家在左侧额上回、右侧额下回、右侧颞上回、右侧海马旁回和左侧后颞上沟的SDI显著降低。其中，左侧后颞上沟的降低尤为引人注目。在音乐组内，后颞上沟的SDI与音乐训练时间呈显著负相关，与训练起始年龄呈正相关。

在讨论部分，研究人员对各区域发现进行了详细阐释。关于听觉–运动整合网络，音乐表演对听觉感知和运动执行的整合提出了极高要求。后颞上沟和颞上回作为核心听觉–运动整合网络的一部分，是将听觉表征映射到运动计划的汇聚区域。研究发现音乐家在后颞上沟和右侧颞上回的SDI降低，提示音乐训练与该网络中结构连接与功能交互之间更强的一致性相关。后颞上沟SDI与累积音乐经验的负相关表明，更为密集的训练与更高效的盾构–功能耦合相关。这些发现与既往研究显示音乐训练与感觉运动网络（尤其是参与听觉–运动整合的区域）中结构–功能耦合增强的结果一致，也印证了音乐训练作为积极环境调节因素与脑结构和功能发育相关的观点。颞叶皮层对音乐经验高度敏感，长期音乐参与与颞叶皮层的经验依赖可塑性相关，促进了听觉–运动网络内更精细的结构–功能耦合，这可能构成了熟练音乐表演中增强的听觉–运动协调和精确感觉运动同步的神经基础。然而需要注意的是，本研究未在运动相关区域（如中央前回和辅助运动区）发现显著的SDI组间差异，这可能因为静息态功能MRI未能充分捕捉主要在主动表演期间参与的运动区域的可塑性变化。

关于前额叶认知控制功能，左侧额上回在执行功能如注意控制、工作记忆和多任务协调中有关键作用；右侧额下回则是节奏处理和乐句分割的关键节点。音乐表演需要持续性注意和 multiple tasks 的实时协调。这些额叶区域SDI的降低表明，长期音乐训练与额叶结构–功能耦合的增强相关，可能支持复杂音乐表演期间更高效的认知控制。这一模式与近期证据一致，即音乐训练与额顶注意和认知控制系统中结构–功能可塑性的增强相关。音乐经验与额叶结构–功能关系的适应性可塑性密切相关。

关于音乐记忆，右侧海马旁回的SDI在音乐家中降低。海马旁回皮层参与情景记忆和背景信息的编码，在音乐诱发记忆检索中扮演特定角色。例如，聆听熟悉音乐比不熟悉音乐在海马旁回诱发更大的激活，提示其参与音乐诱发的自传体记忆。海马和海马旁回皮层构成了记忆音乐序列识别网络的一部分。该区域耦合的增强可能反映了音乐记忆的增强需求，包括熟悉乐曲、结构规律性和表演背景的检索。这些发现表明长期音乐训练与海马旁回区域结构–功能耦合的增强相关，凸显了该区域在音乐记忆过程中的作用。

在五个显示显著组间差异的区域中，仅左侧后颞上沟的SDI与训练参数相关。这种区域分离可能反映了后颞上沟作为听觉–运动整合枢纽，随着训练强度增加和起始年龄提前而不断精化其结构–功能耦合。相比之下，额叶（额上回、额下回）和海马旁回区域可能在训练早期经历快速可反而会达到平台期，使得专家音乐家的累积年限不再预测耦合强度。或者，静息态功能MRI对这些区域训练相关变异的敏感性较低。未来需要纵向研究以检验这些可能性。

本研究存在若干局限性。首先，样本量相对有限， although 与以往音乐训练神经影像学研究相当。未来需要更大样本的研究来重复和扩展本研究结果。其次，尽管两组在年龄、性别、教育和头动方面无显著差异，但主要统计模型中未将这些变量作为协变量。未来大样本研究应考虑协变量控制以提供更为严格的控制。第三，本研究未正式评估先天性失乐症、绝对音高或社会经济状态。尽管先天性失乐症相对罕见，绝对音高在一般人群中更为罕见，且受试者来自同一大学、教育背景相当，暗示相对较少社会经济状态异质性，但研究人员承认这仍是一个局限性，希望未来研究能纳入对这些因素的正式评估。

综上所述，本研究结论为：音乐训练与额–颞区域结构–功能耦合的增强相关，这些区域支持听觉–运动整合、认知控制和记忆。左侧后颞上沟与训练强度和起始年龄均相关，似乎对训练参数特别敏感。这些发现表明，经验依赖的可塑性涉及脑结构之间更紧密的对齐。