基于功能性近紅外光譜成像技術定制狀態音樂干預前額葉功能的低耗散優化機制

徐樂娉，余瑾，李莉，王德新，倫婷婷，歐陜興

1.寧夏回族自治區中醫醫院暨中醫研究院康復中心，寧夏銀川 750021；2.廣州中醫藥大學針灸康復臨床醫學院，廣東廣州 510405；3.廣東食品藥品職業學院中醫保健學院，廣東廣州 510520；4.南部戰區總醫院放射科，廣東廣州 510010

前言

現代社會節奏逐漸加快，心身疾病成為人類健康的主要威脅。音樂治療被認為是心身康復效法，中醫音樂療法通過辨證施樂調節情緒、氣機、臟腑以起到平衡陰陽的作用［1］，達到心身康復的目的。狀態導向音樂治療（Guides State Music Therapy,GSMT）［2］是中醫音樂治療發展過程中新興的一種中醫音樂療法，基于中醫背景以狀態為導向，根據音樂“升降浮沉”和“寒熱溫涼”的性質，針對聆聽者的心身狀態，定制曲目喚醒、激活、轉化意識，將人體偏頗的心身狀態調節為中和狀態，從而促進功能恢復，是創造性轉化和創新性發展的中國特色音樂治療技術。

聆聽音樂廣泛激活不同腦區，其中前額葉（Prefrontal Cortex,PFC）同時參與了音樂情緒和認知的加工［3-4］，產生相應的情緒體驗和高級精神活動。功能性近紅外光譜成像技術（functional Near-Infrared Spectroscopy,fNIRS）是一種新興的腦功能檢測設備，較高的時間、空間分辨率可以更好地在時間、空間兩個維度反應腦活動；對受試者的身體活動沒有嚴苛的要求，適宜進行較長時間的連續測試。另外，fNIRS 運行時無噪音，廣泛應用在聽覺認知活動的腦機制研究中［5］。綜上所述，筆者采用fNIRS，以PFC為觀測腦區，探討定制狀態音樂干預人體狀態的腦機制。

1 試驗材料

1.1 定制狀態音樂

通過文獻檢索和專家咨詢，根據調和陰陽的治則及滋陰潛陽、恢復形神合一的治療目的，最終確定海浪自然音、頌缽、引導語和古琴4個音樂元素。海浪頻率最接近人體的呼吸頻率與α腦波，最具有舒緩作用［6］，以水鑒心可滌除雜念，恢復心身清靈［7］，其潤下的特性可助養腎氣，引氣（火）下行。頌缽通過敲擊或摩擦發出空靈通透的聲音，具有較低的共振頻率，更好的引起液體共振，頌缽屬金，其聲肅殺，具有收斂氣機之功。引導語可幫助聆聽者更好的接受和感受音樂［8］，本引導詞以“守神”為綱，參照汶川地震音樂心身康復項目提出的“觀自在、長生玉、蓮花心［9］”治療理念撰寫，并以明月為意象，黑夜、大海與之共同營造出“海上生明月”的靜匿意境。古琴曲選用的《文王操》是徵調式琴曲［10］，入心，風格較為歡快，具有炎上的特性，與其他元素相互制約，使整首音樂陰陽平和。

海浪音由專家提供，頌缽、古琴由專家現場演奏錄制，音頻均為44 100 Hz，雙聲道立體聲，32位浮點。首先將所有音頻導入Adobe Audition CS6進行組織、編輯；其次進行引導詞錄制，調整語速并行降噪處理；然后將處理好的引導詞放入音樂，調整后導出音頻予以專家們聆聽修改，最終完成整首音樂，輸出頻率為44 100 Hz，時長20：08 min，雙聲道立體聲，32位浮點。狀態音樂曲目制作流程見圖1，音樂結構見表1。

表1 狀態音樂曲目結構Table 1 Structure of the state music track

1.2 試驗對象

受試者來源：2020年8月～10月在廣州白云心理醫院招募健康志愿受試者24 位。納入標準：①年齡18～28 歲；②身體健康，無頭痛頭暈、感冒、發熱、疼痛等身體不適癥狀；③意識清楚，無聽力障礙及認知障礙，能配合試驗者；④無睡眠障礙、精神疾病者；⑤無藥物、酒精濫用史；⑥無心腦血管疾病史、手術史；⑦近一個月內未服用過鎮靜安神抗焦慮抗抑郁類藥物者；⑧自愿參與本試驗研究且知情同意者。排除標準：①不滿足納入標準者；②有梅毒、艾滋等傳染性疾病者。剔除標準：①fNIRS 通道信號經調整后仍較差者；②試驗過程中出現嚴重不良反應、不良事件或其他事件導致試驗中斷者；③試驗過程中進行明顯活動導致監測數據出現顯著變化者。

4 位受試者在試驗過程中滿足剔除標準，因此最終有20 位受試者參與試驗，其中男性2 位，女性18位，平均年齡（20.25±1.41）歲，所有的受試者均為右利手，視力或校正視力正常，本科學歷，且試驗過程中均未出現不良反應。

1.3 試驗環境

試驗室環境舒適，光線柔和。室內溫度（25±2.5）°C，通風良好，活動空間約20 m2，控制噪音≤40 dB，試驗過程中只允許1 位試驗者和1 位受試者在場，將手機設置為靜音。

1.4 試驗設備及指標

1.4.1 監測設備本試驗采用北京丹陽匯創醫療器械有限公司生產的fNIRS 儀器以10 Hz 的采樣率觀測PFC活動情況，同時使用LabVIEWtM中的定制同步程序進行記錄（圖2）。fNIRS 儀器共采集氧合血紅蛋白（Oxy-Hemoglobin,HbO）濃度、脫氧血紅蛋白（Deoxy-Hemoglobin,HbR）濃度和總體血紅蛋白濃度3種信號，其中HbO 信號對皮層血流變化更敏感且具有更高的信噪比［11］，因此研究選定HbO 濃度值為試驗指標。

1.4.2 音樂播放設備音樂播放器采用藍牙環脖音箱（賓艾尼M26，圖3）。

1.4.3 試驗記錄表—入睡情況及主觀感受評分本試驗采用試驗記錄表記錄不同狀態下受試者的入睡情況及主觀感受評分。入睡情況分為未入睡和入睡（半夢半醒狀態看作是入睡），每位受試者結束檢測后，詢問其是否在試驗過程中入睡，并讓其針對當下的感受做出主觀感受評分。主觀感受評分參照VAS視覺模擬評分法，分數為0～10分，0分為極度不適，10分為極度舒適。

1.5 試驗方案及流程

試驗使用單樣本自身對照設計，每位受試者分別采集靜息和音樂狀態下的數據，以靜息狀態的數據為對照。試驗在白天進行，所有操作均符合倫理要求。受試者進入試驗室后休息10 min，手機調為靜音，并告知試驗注意事項：（1）頭部禁止活動；（2）雙手疊放于小腹，非必要不移動、不活動。受試者同意后簽署知情同意書。受試者佩戴fNIRS設備后平臥，試驗者調試信號較差的通道直至良好，示意受試者保持靜息狀態。數據圖像平穩后，開始監測20 min，監測完畢后受試者起身休息，填寫試驗記錄表。平靜休息30 min 后佩戴音箱，調試音量直至受試者自覺舒適（控制在40～60 dB）。佩戴fNIRS設備后平臥，通道調試完成后試驗開始，數據圖像平穩后播放音樂并同步監測20 min。監測完畢后受試者起身休息，再次填寫試驗記錄表。

1.6 統計學方法

對fNIRS 數據進行預處理，將原始信號導入MATLAB R2014a軟件中濾波，濾波后的HbO 濃度輸出至Excel 保存。將PFC 的16 個通道作為整體，以1 min 為單位時間計算出每分鐘的均值，以此表示PFC在單位時間內的變化情況。

將整理好的HbO 濃度、入睡情況及VAS 評分導入IBM SPSS 20.0。每個狀態單位時間HbO 濃度變化差異均使用重復測量方差分析。音樂狀態與靜息狀態的比較使用配對t檢驗。入睡情況使用配對卡方檢驗。滿足正態分布的數據使用均數±標準差表示，否則使用非參數檢驗，用M（Q1,Q3）表示。

2 試驗結果

2.1 靜息狀態下PFC的變化情況

靜息狀態下PFC 的變化情況見表2、圖4。對PFC 的HbO 濃度進行重復測量方差分析，結果顯示靜息狀態下PFC 每分鐘內HbO 濃度雖有差異，但不具有統計學意義（P=0.831）。

表2 靜息狀態PFC單位時間內HbO濃度變化情況（±s，×10-4 mmol/L）Table 2 PFC oxygenated hemoglobin(HbO)concentration per unit time in resting state(Mean±SD,×10-4 mmol/L)

表2 靜息狀態PFC單位時間內HbO濃度變化情況（±s，×10-4 mmol/L）Table 2 PFC oxygenated hemoglobin(HbO)concentration per unit time in resting state(Mean±SD,×10-4 mmol/L)

時間0～1 min 1～2 min 2～3 min 3～4 min 4～5 min HbO濃度89.81±999.07 23.81±317.9-119.37±370.67 66.85±336.95 83.91±303.89時間5～6 min 6～7 min 7～8 min 8～9 min 9～10 min HbO濃度-95.44±364.54-75.87±399.41 57.23±589.49 20.51±405.05-59.69±490.12時間10～11 min 11～12 min 12～13 min 13～14 min 14～15 min HbO濃度127.67±601.78-3.20±370.22-68.15±507.51 16.91±585.40 12.67±438.79時間15～16 min 16～17 min 17～18 min 18～19 min 19～20 min HbO濃度69.29±405.18-2.80±350.02-118.88±474.63-8.84±481.45-99.72±429.78

2.2 音樂狀態下PFC的變化情況

音樂狀態下PFC 的變化情況見表3、圖5。對HbO 濃度進行重復測量方差分析，結果顯示音樂狀態下PFC 每分鐘內HbO 濃度之間的差異具有統計學意義（P=0.04）。進一步對每分鐘的HbO 濃度與其他單位時間進行兩兩分析。

表3 音樂狀態PFC單位時間內HbO濃度變化情況（±s,×10-4 mmol/L）Table 3 PFC HbO concentration per unit time when listening to music(Mean±SD,×10-4 mmol/L)

表3 音樂狀態PFC單位時間內HbO濃度變化情況（±s,×10-4 mmol/L）Table 3 PFC HbO concentration per unit time when listening to music(Mean±SD,×10-4 mmol/L)

與0～1 min相比，*P＜0.05、**P＜0.01；與1～2 min相比，#P＜0.05、##P＜0.01；與2～3 min相比，aP＜0.05；與3～4 min相比，bP＜0.05、bbP＜0.01；與5～6 min相比，cP＜0.05、ccP＜0.01、cccP＜0.001；與9～10 min相比，dP＜0.05；與11～12 min相比，eP＜0.05

時間0～1 min 1～2 min 2～3 min 3～4 min 4～5 min HbO濃度-219.46±743.52 259.91±482.77**102.21±307.27-376.11±513.12##aa 38.24±232.30#b時間5～6 min 6～7 min 7～8 min 8～9 min 9～10 min HbO濃度236.72±382.82*bb 9.01±302.45bb-35.04±348.05#b 67.67±377.87b-85.58±372.05##ccc時間10～11 min 11～12 min 12～13 min 13～14 min 14～15 min HbO濃度-96.88±422.74bc 138.26±239.67bbd-129.58±394.92#ce 81.18±500.81b-87.20±473.85#ce時間15～16 min 16～17 min 17～18 min 18～19 min 19～20 min HbO濃度41.67±567.00b-118.88±579.73#c 125.23±673.52b-4.53±424.56b 84.93±361.87bb

結果顯示第1分鐘（0～1 min）內的濃度明顯低于第2分鐘（1～2 min）、第6分鐘（5～6 min）的濃度，差異有統計學意義（P=0.004、P=0.027）。第2分鐘（1～2 min）內的濃度達到峰值，與0～1 min（P=0.004）、3～4 min（P=0.004）、4～5 min（P=0.045）、7～8 min（P=0.031）、9～10 min（P=0.008）、12～13 min（P=0.012）、14～15 min（P=0.012）、16～17 min（P=0.038）有統計學差異。第4分鐘（3～4 min）內的濃度達到谷值，與1～2 min（P=0.004）、2～3 min（P=0.006）、4～5 min（P=0.01）、5～6 min（P=0.005）、6～7 min（P=0.002）、7～8min（P=0.011）、8～9min（P=0.01）、10～11min（P=0.022）、11～12 min（P=0.001）、13～14 min（P=0.013）、15～16 min（P=0.028）、17～18 min（P=0.014）、18～19 min（P=0.018）、19～20 min（P=0.003）差異有統計學意義。第5分鐘（4～5 min）的濃度高于3～4 min，差異有統計學意義（P=0.01）。在第6分鐘（5～6 min）濃度達到第二個高峰，高于0～1 min（P=0.027）、3～4 min（P=0.005）、9～10 min（P=0）、10～11 min（P=0.048）、12～13 min（P=0.02）、14～15 min（P=0.021）、16～17 min（P=0.045），差異有統計學意義。第12 分鐘（11～12 min）的濃度高于9～10 min（P=0.031）、12～13 min（P=0.028）和14～15 min（P=0.029），差異具有統計學意義。

2.3 音樂狀態與靜息狀態的差異

音樂狀態與靜息狀態的差異見表4、圖6。結果顯示，雖然在20 min 的狀態音樂干預下，PFC HbO 濃度的均值高于靜息狀態，但差異沒有統計學意義（P=0.788）。分別對每一分鐘兩種狀態下的HbO 濃度進行比較，發現音樂狀態下PFC 只在第3 分鐘（2～3 min）、第4分鐘（3～4 min）與靜息狀態差異存在統計學差異，具體表現為狀態音樂在第3分鐘激活了PFC 皮層（P=0.036），第4 分鐘相較于靜息狀態，PFC受到明顯的抑制（P=0.002）。

表4 不同狀態下PFC單位時間內HbO濃度的差異（±s,×10-4 mmol/L）Table 4 Differences in PFC HbO concentration per unit time between different states(Mean±SD,×10-4 mmol/L)

表4 不同狀態下PFC單位時間內HbO濃度的差異（±s,×10-4 mmol/L）Table 4 Differences in PFC HbO concentration per unit time between different states(Mean±SD,×10-4 mmol/L)

與靜息狀態相比，*P＜0.05，**P＜0.01

時間0～1 min 1～2 min 2～3 min 3～4 min 4～5 min 5～6 min 6～7 min 7～8 min 8～9 min 9～10 min 10～11 min 11～12 min 12～13 min 13～14 min 14～15 min 15～16 min 16～17 min 17～18 min 18～19 min 19～20 min平均靜息89.81±999.07 23.81±317.90-119.37±370.67 66.85±336.95 83.91±303.89-95.44±364.54-75.87±399.41 57.23±589.49 20.51±405.05-59.69±490.12 127.67±601.78-3.20±370.22-68.15±507.51 16.91±585.40 12.67±438.79 69.29±405.18-2.80±350.02-118.88±474.63-8.84±481.45-99.72±429.78-4.18±65.47音樂-219.46±743.52 259.91±482.77 102.21±307.27*-376.11±513.12**38.24±232.30 236.72±382.82 9.01±302.45-35.04±348.05 67.67±377.87-85.58±372.05-96.88±422.74 138.26±239.67-129.58±394.92 81.18±500.81-87.20±473.85 41.67±567.00-118.88±579.73 125.23±673.52-4.53±424.56 84.93±361.87 1.59±55.17 t值-1.245 1.925 2.252-3.549-0.512 1.158 0.699-0.748 0.362-0.263-1.665 1.599-0.366 0.437-0.706-0.158-0.750 1.388 0.032 1.290 0.273 P值0.228 0.069 0.036 0.002 0.615 0.261 0.493 0.464 0.721 0.796 0.112 0.126 0.719 0.667 0.489 0.876 0.463 0.181 0.974 0.213 0.788

2.4 入睡情況

入睡情況見表5。配對卡方檢驗結果顯示，入睡情況存在差異，且差異具有統計學意義（P=0.035），表明狀態音樂可以誘導聆聽者進入更為放松的休息狀態。

表5 不同狀態下受試者入睡情況［例（%）］Table 5 Sleep states of subjects in different states［cases(%)］

2.5 主觀感受評分

主觀感受評分不滿足正態分布，對數據進行Wilcoxon 符號秩和檢驗，VAS 評分用M（Q1,Q3）表示，結果顯示受試者在聆聽狀態音樂后感受良好，VAS 評分8.00（7.00，9.00）遠高于靜息狀態6.00（5.00,6.75），差異有統計學意義（P=0.001），表明狀態音樂可以改善聆聽者的主觀感受，給聆聽者帶來良好的體驗。

3 討論

3.1 狀態音樂對PFC活動的影響

PFC是人體最為重要的腦區，參與人體情緒調控和認知活動［12-13］，是意識活動的重要地方，因此PFC的變化可反映意識及情緒的變化。試驗結果說明人體在閉目靜息狀態下PFC 進行基礎氧代謝活動，并未出現思維或情緒的明顯變化，但在聆聽狀態音樂時，PFC發生了即刻活動。

人體在閉目靜息起始的第1 分鐘，PFC 仍處于較為活躍的狀態，但聆聽音樂的第1 分鐘，PFC 活動就受到抑制。由音樂結構得知，音樂起始是海浪自然音。自然音又被稱為白噪音，是具有1/f 波特性的類自然界信號，現代科學認為人的聽覺感知系統或對這類具有1/f 特性的白噪音更為敏感［14］，在欣賞白噪聲時，PFC 處的α 腦波頻率變慢變緩［15］，減少神經活動，具有良好的心身放松作用，本試驗的結果正好與之相符。另外，海浪聲具有潤下的特性，聽之可引氣（火）下行，使PFC 興奮性下降。但本試驗也發現，該現象并未與靜息狀態有統計學差異，考慮是短暫的呼吸引導語在一定程度上激活了PFC。第2 分鐘開始HbO 濃度呈下降趨勢，直至第4 分鐘達到谷值，呈現出顯著的負激活且與靜息狀態存在統計學差異，此刻聆聽者的意識受到了明顯抑制，PFC進入更安靜更放松的休息節能狀態。引起此現象的正是頌缽這一音樂元素，頌缽音色低沉、悠揚且具有極強的通透性，極低的共振頻率引發人體血液、組織液等液體與之共振或引發流動［16］，其產生的泛音營造出亦虛亦實、似有似無的意境，使PFC 的神經活動與頌缽調頻共振，進入低頻、穩定、緩慢的內在生理狀態，因而呈現出PFC 顯著抑制的外在表現，此現象也符合頌缽五行屬“金”的肅殺特性。頌缽結束后，音樂以引導詞和古琴為主，海浪為輔。頌缽之后的2 分鐘內PFC被激活，活動持續增加，提示受試者在引導詞引導下產生意識活動。但第6 分鐘之后PFC 活動就恢復平穩進入與靜息狀態相差無異的穩定階段。綜合分析認為是前6分鐘受試者意識清醒，但在音樂綜合作用下，受試者心身逐漸深度放松，意識逐步回收，形與神俱，受試者逐漸進入“松、靜”的入靜狀態甚至睡眠狀態，機體的新陳代謝減慢，能量消耗降低，對外界刺激的反應減弱。現代醫學研究認為人體入靜時大腦皮層的活躍性被抑制［17］，PFC α 頻段腦波能量增大，且存在明顯的血流降低現象［18］。另外，音樂產生的情緒變化和動機強度均可對PFC 產生不同程度的激活［19］，舒緩的音樂激發較弱動機強度的情緒，因此PFC 活躍程度較低［18］。樂曲舒緩平和，使人心平氣靜，氣定神閑，心無雜念，故而表現出較低的活躍程度。

3.2 狀態音樂對受試者入睡情況的影響

睡眠問題是心身疾病中較為常見的障礙類型，也是現代普遍存在的社會問題，核心表現為入睡困難。本研究對比分析了靜息狀態和狀態音樂狀態下受試者的入睡情況，結果發現定制狀態音樂可以誘導聆聽者進入睡眠狀態。

催眠療法是廣泛運用于改善睡眠結構、調節不良情緒及改變錯誤認知的治療方法，試驗發現PFC在催眠中具有突出作用［20-21］。楊亞希［11］發現催眠狀態是PFC 執行功能受到抑制產生的。Deeley 等［22］也指出催眠引起了PFC 的去激活。本研究試驗結果發現，頌缽這一音樂元素同樣使PFC 血氧水平顯著下降，引起了PFC 全范圍的去激活，執行與認知功能受到抑制，因此筆者推測該狀態音樂鎮靜安神、促進人體進入深度放松的催眠狀態乃至睡眠狀態的內在機制是由頌缽引起的全PFC 皮層興奮性降低。其次，該音樂中的其他音樂元素也不同程度地抑制PFC 的興奮性，誘發α 腦波。因此，該音樂促進睡眠的原因或者是音樂元素共同作用的結果。另外，整首樂曲節奏緩慢，誘導人體頻率共振，亦進入一種低頻節能的生理模式，進而誘導人體進入睡眠的休息低耗能狀態。

3.3 狀態音樂對聆聽者主觀感受的影響

本試驗研究結果顯示，受試者在聆聽狀態音樂后感受良好，VAS 評分遠高于靜息狀態，表明狀態音樂可以改善聆聽者的主觀感受，給聆聽者帶來良好的體驗。一方面，該音樂使用的音樂元素均具有舒緩作用，可誘發出α 腦波并增大其功率［23］，可以起到放松心身壓力、調節不良情緒的作用；另一方面，旋律柔和婉轉，使聆聽者情緒趨向于中和舒暢，通過激活獎賞系統、邊緣系統等腦區，促進多巴胺、內啡肽等激素分泌，產生積極的情緒反應［24-25］。傳統養生觀“恬淡虛無，真氣從之，精神內守，病安從來”。即通過意守使機體達到松、靜、守一的狀態（入靜），其本質就是大腦的抑制過程［26］。本試驗通過定制狀態音樂干預產生一定程度的PFC 皮層抑制，誘導人體進入深度放松狀態。當人體通過守神訓練處于無意識的“元神現”的狀態時，大腦受到保護性抑制，機體的新陳代謝減緩，降低能量消耗［27］，人體的自我調節機制被激活，機體達到“陰平陽秘”的最佳功能狀態［28］。根據全維醫學和仿生健康理論，這符合人體復雜巨系統的低耗散優化狀態，是機體實現內在自組織康復的基礎機制之一。本研究為“低耗散優化”內在腦機制提供了一定的依據。現代社會生活工作壓力大，長期的腦力勞動引起大腦性能下降，導致各種心身疾病，本音樂可以通過抑制PFC 興奮性，降低大腦耗能，更好的進入休息狀態或睡眠狀態，有助于清除積累在中樞系統的神經毒性廢物和代謝產物［29］，改善腦血氧供應，促進腦完成正常的功能活動及腦功能恢復，這也是音樂治療對神經、精神系統具有良好療效的內在機制之一［30-31］，因此定制狀態音樂在心身狀態的自我調節、緩解腦疲勞、神經康復、睡眠障礙、精神心理康復領域中具有一定的運用價值，值得臨床使用并進一步推廣研究。

本試驗存在一定的局限性：本試驗觀察人數較少且試驗方案較為單一，在今后的研究中可以進一步開展多模態、多維度、多人群的基礎研究與臨床研究。