情緒緩解方法探析：聆聽腦波音樂

□周長征 黃夢婷 楊 華 劉 惠 盧 競

[電子科技大學 成都 610054]

引言

從古至今，音樂都是人們生活中的一個重要成分。最初的音樂就是起源于人的某種難以言說的原始沖動，這種原始沖動的激情具有各種激情的基本屬性，卻缺乏具體的情感指向[1]。隨著科技的發展，生活節奏的加快，音樂成為一種生活必需品。在20世紀，它開始具有臨床醫療價值，被嘗試性地應用于緩解病人的焦慮情緒。在相同的一個世紀內，人們發現了腦電波的存在，開始研究來自人體內部的生理信號。隨后，音樂與腦電波看似無關的兩種存在形態，逐漸被研究者聯系在了一起。眾多研究中，將包含生理信號的腦電波轉換成音樂，正是一件開創先例的嘗試。目前有研究表明，利用患者自己的腦波制作的“腦音樂”反過來作用于自身，有很強的催眠作用[2]。

腦波音樂在精神治療上具有相當大的潛力，其自身就能反映人體本身的生理信號[3]。在當今社會，精神負擔過重的情況下，患上心理疾病的人數不斷增加。腦波音樂作為一種新的音樂創作形式，若是能為心理治療師提供更有效的情緒緩解方式，將有助于改變當下精神疾病頻發的現狀。

一、腦波音樂研究背景

音樂是由人類創造的一種藝術形式，它源自于人們內心的情感宣泄，當它被演奏出來的時候，不僅能夠傳遞來自創作者的情感，甚至還能使聽者產生共鳴。正是音樂具有這種獨特的功能，促使研究者們不斷地探索音樂的奧秘。從古到今，音樂的形式在不斷的演變，音樂的功能也日益廣泛。它從舒緩心情的一種娛樂方式，逐漸演變為一種心理治療功能，對提高人們的心理健康水平、改善人們的精神生活質量無疑具有重要意義[4]。

科學界一直關注著音樂與人的大腦的關系，大腦是音樂產生的源泉，那么二者會存在什么樣的聯系呢？在上個世紀初，Hans Berger發現了人類腦電波(EEG，Electroencephalograph)的存在，不久之后，就有研究者開始嘗試用聽覺的形式來展現大腦的活動[5]。在上世紀60年代，Alvin Lucier成功地采用腦電波作為原材料舉辦了一次別開生面的演奏[6]，科學家們逐漸將生理信號與音樂聯系起來，早期的研究主要是以腦波信號為基礎，創作出新的音樂的形式。隨著時代的發展，音樂與人的生活愈加密不可分，科學家們研究的內容也更多地涉及音樂和人之間的關系。

其中，音樂與腦波之間的轉化成為一種新的研究方向。音樂參數存在標度行為首先被發現，接著有關腦電的研究表明，腦電波的相關參數，如振幅、相位等也有標度性質[7]。因此得出，音樂與腦電波之間確實存在一定的相關性。另外，在功能核磁共振成像（fMRI，functional magnetic resource imaging）的研究中，發現人體在執行動作任務時，大腦的功能性連接結果也存在相似的標度性質[8]。這些結果使我們相信存在一定方法能使音樂與人腦聯系起來。

本研究中，我們以音樂與腦波都服從分形標度性質為依據，建立從腦波的基本參數到音樂的基本參數的對應關系，創新地以fMRI中采集的信號對應音樂中的音強，將人體獲得的腦波信號翻譯成音樂。這樣來自個人腦波的音樂，將具有個體獨特性，更能實時了解人體的生理狀態。此外，我們將腦波音樂反饋于具有焦慮癥狀的被試，通過實驗來驗證腦波音樂是否具有緩解情緒的作用。

二、實驗內容

（一）EEG-fMRI 腦波音樂的制作

被試有兩人，分別是一名31歲的女性（被試A）和一名14歲的女性（被試B），所有被試者均簽署知情同意書。

本次實驗采用腦電和磁共振同時采集儀器。被試在靜息狀態下進行磁共振掃描，3T磁共振掃描儀（EXCITE,GE Milwaukee,USA）。同時腦電信號通過EGI System 200型腦電記錄儀記錄，采集通道為128道。

音樂的基本屬性主要由音高、音色、音長、音強組成，在本次研究中，我們分別進行兩種方法將腦波信號轉換成音樂。一種是之前的研究中一直采用的用EEG信號翻譯[9]，另一種則由我們創新性地將fMRI信號引入，和同時采集的EEG信號共同翻譯。兩種方法的區別只在于音強的對應關系不同。前者腦波音樂的音強與腦電信號的平均能量變化值對應，后者采用fMRI信號來對應音強。其余音色與鋼琴的音色一致，音長與腦電信號的周期對應，音高與腦電信號的振幅對應。圖1是本實驗中采用的對應的規則。

圖1 EEG-fMRI腦波音樂制作對應關系

（二）新的腦波音樂評定

被試者共有10名被試，所有的人都接受過至少3年以上的音樂訓練。

實驗內容在實驗中，被試被要求聆聽采自被試A和被試B的兩種腦波音樂。10名被試被分成5人一組，一組被試首先聽EEG腦波音樂再聽EEG-fMRI腦波音樂，另一組被試則先從EEG-fMRI腦波音樂開始聽。聽完之后，兩組被試要根據所聽的感受，完成問卷。問卷內容關于判斷所聽兩首曲子的音強快慢。

（三）腦波音樂對情緒的影響

被試者是10名存在較強焦慮情緒的在校大學生，沒有經過系統的音樂訓練。

實驗內容：

（1）采用SAS（Self-Rating Anxiety Scale）焦慮自評量表[10]，采用4 級評分，共20 道題。標準分的分界值為50 分，其中50～59 分為輕度焦慮，60～69 分為中度焦慮，70 分以上為重度焦慮。

（2）對10 名被試進行焦慮狀況評估后，選擇實驗一中采集的兩名被試的放松狀態下的腦波音樂作為本次實驗的音樂原材料。

（3）實驗過程中，共計進行10 天腦波音樂反饋訓練，每天在相同時間點持續1 小時，要求實驗環境在安靜、光線柔和的語音室中進行。音樂由電腦以音頻形式播放。被試在聆聽音樂的過程中，保持閉眼靜息狀態。在完成整個音樂治療實驗后，要求被試再根據自己目前的心理狀態完成焦慮測評 量表。

三、實驗結果

（一）腦波音樂的發展

根據圖1所示的對應準則，將兩名被試在靜息狀態下同步采集的EEG-fMRI數據轉化為音樂。這些音樂中，音高和音強分別是由腦電信號的振幅和fMRI信號確定的，因此，兩個分量之間并不存在直接相關的關系。圖2為被試A和被試B的EEG-fMRI腦波翻譯出來的音樂譜成的曲子。

圖2 兩名被試的EEG-fMRI腦電波翻譯出的音樂的樂譜

（二）新音樂評定結果

在獲得到兩名被試的腦波音樂后，我們為了檢驗EEG-fMRI腦波音樂，又進行了一次實驗，請專業受過音樂訓練的被試來對這種新的腦波音樂進行評定。實驗提供第一個實驗中兩位被試的兩種不同翻譯方法的腦波音樂，在10名被試分兩組按不同的順序聆聽了前面兩名被試的兩種腦波音樂后，他們對所聽曲子的音強快慢進行了判別，以下為問卷結果。

表1 10名被試對音強差異的識別結果表

通過分析表1中的結果，可以發現，兩組被試盡管在聽曲子的順序上不同，但他們在結果上達到了高達90%的一致。很明顯，對于被試A和被試B的EEG腦波音樂，幾乎所有10名聆聽者都覺得音強變化過快，而EEG-fMRI腦波音樂則音強變化偏緩慢。由這個實驗，相比于完全由腦電信號確定的腦波音樂，EEG-fMRI腦波音樂與正常人為創作的音樂十分貼近。根據被試們反饋的信息，緩慢的EEG-fMRI腦波音樂音強的改變速度讓聽者感覺更流暢，更放松，更貼近真實音樂。

（三）腦波音樂對情緒緩解的影響

在完成為期10天的腦波音樂反饋療程后，我們對10名被試的實驗前后焦慮自評量表分數進行比較。SAS焦慮自評量表標準分界值為50分，在實驗前，10名被試的平均測評分數為56.5分，最高分值為63分，最低分值為53分。實驗后10名被試的平均分數降為49，最高分值為55分，最低分值為46分。可以對比得出，在經過一段時間的腦波音樂治療后，10名被試的焦慮測評分數總體下降，焦慮癥狀有明顯的改善。

在結束了音樂治療后，我們分別對每一位被試進行了一次簡短詢問，讓他們對所聽音樂做一個評價以及聽音樂過程當中的感受。大部分被試表示持續每天用一段時間聆聽舒緩的音樂對放松他們的緊張情緒很有幫助。還有的被試希望能繼續進行音樂治療，防止自己又重新回到實驗前的焦慮狀態。根據這樣的結果，可以得出聆聽腦波音樂與心理治療過程中的音樂療法具有相同功能，能一定程度上緩解被試的情緒。

四、對結果的討論

在之前的研究中，只采用EEG信號來翻譯成音樂，就會出現曲調的音強變化過快的情況，與通常的人工創作音樂不符。在本次課題研究中，選用EEG-fMRI信號共同翻譯出的腦波音樂，音強變化則比較緩慢。并且，音高和音強作為音樂的兩個重要基本性質，應該具有互相獨立的關系。過去只憑腦電信號獲得的音樂中，與音高和音強對應的分別是腦電信號的振幅和腦電平均能量變化值，無法達到完全獨立。本次研究提出的腦電信號和功能磁共振信號共同翻譯的方法，則完全解決了這個問題，更加貼近真實的音樂。

通過對人體生理信號的實時采集，翻譯成音樂，來反應人的生理狀態。我們相信這是一種較新的，且有效地了解人體的狀態的方法。當一個人的情緒發生變化的時候，通過檢測他的腦波可以發現他情緒上的差異。在當前許多音樂心理治療中，心理治療師都會選擇音樂來對患者進行舒緩治療，但從古至今，音樂的種類、風格都是數之不盡，各有不同。如何選擇適合患者的并且有效的曲子呢？已有研究論證無論是純音樂還是歌曲，都可以減輕我們的焦慮，關鍵在于所選的音樂是否是自身所喜歡的[11]。如果采用課題中的腦波音樂，可謂是“以其人之道，還之其身”，實時腦電譜成的音樂，通過捕捉被試本人特異的與深度放松有關的腦電波而形成，回放給被試后，與被試大腦中這種腦電波產生共振與反饋的作用，相信能達到放松的效果。

本次實驗中，我們采用的是來自兩名被試的腦波音樂，然后對10名焦慮癥狀較強的大學生進行腦波音樂治療。結果表明聆聽腦波音樂具有緩解焦慮情緒的作用。但目前的驗證只是基于一個較少的被試人數，并不能就此得到腦波音樂完全可以緩解緊張情緒的結論，還需要進一步做驗證實驗。在有更多被試的基礎上延長音樂治療時間，進行長期追蹤記錄，這樣才能更有說服性。在將來的研究中，我們將進一步嘗試讓每一位被試聆聽自身的腦波音樂，達到完全反饋于自身的目的。就目前結果而言，我們在之前EEG腦波音樂的基礎上，研究出更貼近人的生理的EEG-fMRI腦波音樂。這種來自人體內源性的腦波音樂用于緩解精神壓力既是音樂治療的一種創新的嘗試，也對神經反饋的研究具有重要意義。

在以后的研究中，我們將進一步在fMRI信號上進行更準確的選取，因為不同頻段的fMRI信號可能扮演不同的功能角色，這樣在腦波信號上更小心地選擇將有助于翻譯出更能展現人體生理狀態的腦波音樂。這樣更精確地選擇出放松狀態下的腦波音樂，更有助于緩解人的緊張情緒。

五、總結

在本次研究中，我們提出了一種新的研究方法將腦電信號和功能磁共振信號結合起來轉換成音樂，這種腦波音樂中必然包含了一定的生理信息，可以反映我們人體內部大腦的生命活動。通過實驗驗證，這個方法得到的音樂更切合真實的音樂，可以一定程度上緩解焦慮情緒。這幫助我們打開了一扇通往大腦奧秘的門，也提供了一種可能緩解精神壓力的新的音樂治療方法。

[1]蒲亨建.“循聲說”——音樂起源新論[J].華南師范大學學報:社會科學版,2007 (5):70-76.

[2]LEVIN Y I.“Brain music” in the treatment of patients with insomnia[J].Neuroscience andBehavioral Physiology,1998,28(3):330-335.

[3]KNISPEL J,WRIGHT G.Method and apparatus for translating the EEG into music to induce andcontrol various psychological and physiological states and to control a musical instrument.United States Patent,4883067[P].1989-11-28.

[4]葛雪松,呂茵.論音樂的心理治療功能[J].當代教育論壇,2006(12):132-133.

[5]ADRIAN E,MATTHEWS B.The berger rhythms:potential changes from the occipital lobes in man[J].Brain,1934,57(4):355-385.

[6]LUCIER A.Statement on:Music for solo performer[C]// in:Rosenboom D,eds.Biofeedback and the arts:Rerults of early experiments.Vancouver,Canada:Aesthetic Research Centre of Canada,1976.

[7]FREEMAN W,BREAKSPEAR M.Scale-free neocortical dynamics[J].Scholarpedia,2007,2(2):1357.

[8]LU J,WU D,YANG H,et al.Scale-free brain-wave music from simultaneously EEG and fMRI recordings[J].PLoS ONE,2012,7(11):e49773

[9]WU D,LI C,YAO D.Scale-Free Music of the Brain[J].PLoS One,2009,4(6):e5915

[10]ZUNG W W K.A rating instrument for anxiety disorders[J].Psychosomatics,1971,12(6):371-379.

[11]邱小艷,鄭希付.國外音樂療法研究綜述[J].社會心理科學,2004,19(2):106-109.