脑波音乐干预疲劳的效果和机制探索_王君策.pdf

文章编号：（）收稿日期：基金项目：四川省科技计划（）作者简介：王君策（），男，硕士研究生；尧德中，男，教授，通信作者，：；卢竞，男，副教授，并列通信作者，：脑波音乐干预疲劳的效果和机制探索王君策，许瑞杰，黄彬芯，郭晓龙，成怡波，尧德中，卢竞（电子科技大学 生命科学与技术学院 神经信息教育部重点实验室，四川 成都 ；电子科技大学 格拉斯哥学院，四川 成都 ；中铁十七局集团有限公司中心医院，山西 太原 ）摘要：疲劳干预与缓解一直是脑科学领域研究的重要问题，其中音乐干预已成为疲劳的调节措施之一。然而，现有音乐对疲劳的干预效果参差不齐。目前，有研究使用脑电信号转化成的音乐 脑波音乐进行生理状态调控，其在多项调控研究中（疼痛、睡眠等）表现出了积极的干预效果，我们猜想携带生理信息的脑波音乐对疲劳可能具有更佳的干预效果。为了探索脑波音乐干预疲劳的效果和机制，本工作招募了 名健康大学生，随机分为组，在利用自主设计的范式对被试进行疲劳诱发后，分别让他们聆听游戏态脑波音乐、睁眼静息态脑波音乐、非脑波音乐和无声刺激进行疲劳干预。实验全程记录被试脑电信号，并让被试在音乐干预前后填写疲劳自评量表。对音乐干预前后的疲劳行为数据的分析显示，游戏态脑波音乐、睁眼静息态脑波音乐和非脑波音乐均对疲劳具有干预效果，而其中游戏态脑波音乐的效果最为显著；进一步的脑电脑网络分析结果揭示了游戏态脑波音乐可使被试在 频段下前额叶、额叶、顶叶、双侧颞叶和枕叶间的连接减弱。关键词：脑波音乐；疲劳干预；脑电；脑网络中图分类号：文献标志码：研究背景疲劳是指高强度或长时间连续工作而产生的工作效能减低的状态，属于一种自然的防卫反应，是一种主观的不适感觉。疲劳主要分为两大类：生理疲劳和心理疲劳。生理疲劳是指当工作活动主要由身体肌肉承担时所产生的疲劳；心理疲劳是指当肌肉工作强度不大但因工作中紧张程度较大或工作单调所产生的疲劳，主要表现为注意力涣散、思维迟钝、记忆下降、情绪烦躁等。疲劳感被认为起源于大脑下部的网状激活系统，肌肉骨骼结构可能已经与相应的大脑结构共同进化，因此整个单元以建设性和适应性方式共同发挥作用。长期处于疲劳状态会导致工作效率降低、生活质量下降。在疲劳的缓解和干预方面，等、等、等、等分别使用运动干预、教育干预以及行为疗法干预的方法降低了癌症患者的疲劳感。等运用互联网提供的失眠认知疗法来研究对成年人共病心理症状和疲劳症状的影响，发现在线失眠认知疗法不仅能改善睡眠，还能减少共病的心理症状和疲劳症状。等发现短促的呼吸练习以及冥想练习可以改善护士的疲劳感，并对其增加同情心和满意度具有较好的效果。然而，上述传统干预手段存在耗时长、操作不便等问题，对于特定工作环境中的人，例如军人、消防员、长途驾驶的司机，当他们处于疲劳状态时，通过以上手段来改善疲劳状态不具有时效性，所以我们需要为该类人群提供一种便捷的疲劳缓解方式。近些年，许多研究发现音乐有作为一种快速有效的疲劳干预手段 的可能。先前针对司机驾驶行为的疲劳研究发现，正性的音乐和快节奏的音乐对司机的疲劳有明显的干预效果 ，但也有研究认为中速音乐是减轻疲劳和保持长途驾驶注意力的最佳选择。随着生活节奏的日益加快，疲劳带来的严重后果也日趋增多，寻找一种对疲劳具有更好干预效果的音乐迫在眉睫。第 卷第期 年月复 旦 学 报（自然科学版）（）DOI:10.15943/ki.fdxb-jns.20230209.002脑波音乐是一种将人类脑电图（，）根据一些映射规则转换成的音乐，包含了丰富的大脑活动信息。我们课题组根据脑电与音乐共同遵循的无标度法则，开发了无标度脑波音乐，这种脑波音乐由生理信号直接翻译而来，可能对生理状态调控具有积极作用 。近年来，这种无标度脑波音乐已被证明可以改善一些临床症状，如缓解疼痛、改善睡眠质量、减轻失眠症状 等，我们猜想该脑波音乐也有望在疲劳干预研究中发挥重要作用。为此，本研究选取玩竞技类游戏时的脑电作为状态活跃脑电代表，睁眼静息时的脑电作为平静脑电代表，将这两种代表人体心理状态的脑电转化为脑波音乐，即游戏态脑波音乐（，简称为 ）和睁眼静息态脑波音乐（，简称为 ）。同时，选取非脑波音乐（，简称为 ）作为共同干预变量，以及无声音刺激（，简称为 ）作为空白对照，来探讨脑波音乐干预疲劳的效果和机制。研究方法被试概况本研究在电子科技大学招募了 名健康的大学生参与实验，被试年龄为 岁，均为右利手。入组被试满足以下条件：（）双眼视力正常或矫正视力正常；（）没有药物滥用及精神疾病史等情况；（）近个月内无疼痛和精神类药物服用史。被试随机分为组：游戏态脑波音乐组 人，睁眼静息态脑波音乐组 人，非脑波音乐组 人，空白对照组 人。实验设计如图所示，实验主要分为两个阶段。第个阶段为诱发疲劳阶段。在该阶段，使用疲劳诱发范式诱发被试的疲劳状态，为后续验证脑波音乐的抗疲劳效果做准备。在该阶段，我们使用了自主设计的疲劳诱发范式，范式要求被试在 内通过按键对出现的 次图片和音频刺激做出判断，以达到诱发疲劳的效果。其中呈现种类型的图片（其他、植物、素食动物、肉食动物）和种类型的音频（频率 ，音强 ；频率 ，音强 ；频率 ，音强 ；频率 ，音强 ），分别对应键盘上的、这个按键。第阶段为音乐干预阶段。在该阶段，每组被试在诱发疲劳后分别聆听 的游戏态脑波音乐（）、睁眼静息态脑波音乐（）、非脑波音乐（）。非脑波音乐（）则选取了已被验证具有抗疲劳效果的 这一曲目，该曲目与两首脑波音乐均为快节奏钢琴无词纯器乐，并设置无声音刺激（）作为空白对照组。该实验全程采集脑电信号，且诱发疲劳前、诱发疲劳后（音乐干预前）、音乐干预后被试分别休息 并填写了疲劳自评量表。任务序列由 软件编制而成。实验范式如图所示。图实验范式 阶段代表诱发疲劳前；阶段代表诱发疲劳后（音乐干预前）；阶段代表音乐干预；阶段代表音乐干预后。实验组的音乐刺激为游戏态脑波音乐（）、睁眼静息态脑波音乐（）和非脑波音乐（），对照组为无声音刺激（）。，个阶段中被试需填写疲劳自评量表。复 旦 学 报（自然科学版）第 卷实验仪器本研究的脑电数据采集装置为德国 脑电产品的 导联 脑电记录系统。采样频率 ，带通滤波器设置为 ，用作参考电极。在整个实验任务中电极的阻抗保持在 以下。数据分析实验中采集的脑电信号被转为零参考以进行后续分析，随后进行了去工频干扰、带通滤波（）、独立成分分析（，）去除眼电、肌电等伪迹。已有研究报道了 频段（）下大脑额叶、顶叶、枕叶区域与疲劳状态有密切关系 ，因此本研究中选取了额叶、顶叶、双侧颞叶与枕叶处的电极通过计算锁相值（，）进行脑网络连接的分析。结果在行为数据方面，如图所示，为了评估疲劳诱发范式效果，我们对诱发疲劳前、诱发疲劳后的疲劳自评量表分数进行配对检验，结果显示组被试的疲劳程度都显著性增加（，；，；，；，）。然后，对音乐干预前后的疲劳程度进行配对检验，结果显示游戏态脑波音乐组前后测数据具有显著性差异，睁眼静息态脑波音乐组和非脑波音乐组的疲劳程度有下降趋势，而作为空白对照组的无声音刺激前后测数据没有显著性差异，说明游戏态脑波音乐对疲劳具有显著干预作用（，）。图疲劳自评量表的配对检验结果 表示 ；表示 ；表示 。在脑电数据方面，我们利用相干系数对导联构建功能网络后，对音乐干预前后的脑网络进行配对检验。如图所示，经过音乐干预后，在 频段（）游戏态脑波音乐组的脑网络连接减弱，具体图音乐干预前（诱发疲劳后）与音乐干预后的脑网络差异分析 （）图中，用后测减前测的值表示音乐干预前后的脑网络变化趋势，其中蓝色表示值为负，即脑网络在音乐干预后连接减弱；红色表示值为正，即脑网络在音乐干预后连接增强（）。第期王君策等：脑波音乐干预疲劳的效果和机制探索包括前额叶、额叶、顶叶、左右颞叶、枕叶之间的脑网络连接显著减弱；睁眼静息态脑波音乐组的枕叶与左侧颞叶的脑网络连接减弱，而额叶与顶叶间的脑网络连接增强；非脑波音乐组的额叶、顶叶间的脑网络连接减弱；无声音刺激组脑网络连接在颞叶和枕叶间显著增强。讨论上述分析发现游戏态脑波音乐（）对疲劳状态有显著干预效果，睁眼静息态脑波音乐（）与非脑波音乐（）可使疲劳状态有下降趋势。疲劳是一种主观的心理状态，而脑波音乐由不同心理状态下的脑电信号转化而来，其作为一种新型的神经反馈技术，对于疲劳的干预或许能够达到更佳的效果。脑波音乐属于音乐的一种形式，后者已在临床中被证实对疲劳具有一定干预效果。先前已有研究发现轻音乐和主动的音乐体验可以降低手术或物理康复患者的疲劳程度，研究认为聆听音乐会增加听者的神经递质水平，如多巴胺、谷氨酸等，且音乐作为一种强烈的感官刺激可以分散人的注意力，导致被试从运动感觉上感到较少的精神内耗，进而对疲劳具有一定的干预效果 。节律性的神经电活动是大脑认知功能的基础，神经振荡是由单个或多个神经元的重复、有节奏的相互作用所引起。神经共振是外界节律性刺激引起的神经振荡的同步化，此时神经元集群的兴奋水平随外界刺激的变化周期性地起伏。神经兴奋性的振荡能够形成感觉、运动和认知过程，而神经共振现象能够干预知觉、注意等多方面认知能力 ，等 使用 频段的听觉刺激引发被试大脑的神经共振，从而对驾驶疲劳进行有效干预。脑波音乐因其所携带的人脑电活动生理信息区别于非脑波音乐，在无标度脑波音乐的定义中，音乐信号的频率与脑电信号事件频率直接相关 ，因此脑电信号中人脑的生理节律性直接体现在其转化的脑波音乐中，这其中所包含的脑电节律性神经活动可能引发被试脑神经节律性振荡的同步化，并以声音刺激为媒介引起听者的神经共振现象从而对被试的大脑认知功能产生一定的干预效果。等 发现在决策任务中背外侧前额叶皮层与其他脑区的连接会激励各脑区的脑力劳动并由此诱发被试疲劳，同时一项针对多发性硬化患者的研究发现其认知疲劳症状与大脑额叶、枕叶、颞叶之间静息状态功能连接性增强有关，上述报道有力地支持了我们的结果，从本研究脑电脑网络上的结果来看，游戏态脑波音乐可使被试前额叶、额叶、顶叶、颞叶、枕叶间的连接显著减弱，有助于抑制疲劳状态下各脑区间的连接增强。同时，被试聆听游戏态脑波音乐后在颞叶过滤的神经反应在语音处理中起着重要作用，且在关键时间点增强了听觉流。疲劳的受试者聆听游戏态脑波音乐时，听觉刺激以打游戏时特有的脑电规律形式出现，听觉注意可以通过持续进行神经元振荡的夹带来实现，从而在初级听觉皮层的整个神经元集合中提供对神经元兴奋性的协调调节，达到对疲劳的调节作用。结论和展望本工作发现了游戏态脑波音乐、睁眼静息态脑波音乐和非脑波音乐均对疲劳具有干预效果，而其中游戏态脑波音乐的干预效果最为显著；进一步的脑电脑网络分析结果揭示了游戏态脑波音乐可使被试在 频段下的前额叶、额叶、顶叶、双侧颞叶和枕叶间的连接减弱。本工作可加深人们对音乐干预疲劳的理解，为脑波音乐干预疲劳走向实际应用提供了进一步的依据。参考文献：，（）：，：，：，：，（）：复 旦 学 报（自然科学版）第 卷 ，（）：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，：，（）：杨子婧驾驶过程中音乐刺激对脑力疲劳的影响研究 西安：陕西科技大学，：？，（）：，：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，：，：“”，（）：，（）：，：，：，（）：，：，：，：，（）：第期王君策等：脑波音乐干预疲劳的效果和机制探索 ，（）：，：，：，（）：，：，（）：，：，：，：张雪，袁佩君，王莹，等知觉相关的神经振荡 外界节律同步化现象 生物化学与生物物理进展，（）：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，（）：（下转第 页）复 旦 学 报（自然科学版）第 卷 ，：；（上接第 页），（.，；.，；.，）：，（，），；，：；复 旦 学 报（自然科学版）第 卷