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作者与机构
本研究的主要作者包括Irene Sturm、Sven Dähne、Benjamin Blankertz和Gabriel Curio。他们分别来自柏林洪堡大学柏林心智与脑学院（Berlin School of Mind and Brain, Humboldt Universität zu Berlin）、柏林工业大学神经技术研究组（Neurotechnology Group, Technische Universität Berlin）、柏林夏里特大学医院神经病学系神经物理研究组（Neurophysics Group, Department of Neurology, Charité University Medicine）以及柏林伯恩斯坦神经技术研究中心（Bernstein Focus Neurotechnology）和柏林伯恩斯坦计算神经科学中心（Bernstein Center for Computational Neuroscience）。该研究于2015年10月28日发表在期刊《PLOS ONE》上。
学术背景
本研究的主要科学领域是神经科学与音乐认知。音乐通过时间组织声音，而单一声学事件（如音符的起始）会引发大脑中的事件相关电位（Event-Related Potentials, ERPs），例如P1-N1-P2复合波。然而，对于自然音乐刺激，由于其复杂性和持续性，传统的ERP分析方法（通过多次重复刺激并平均响应）难以捕捉到与音符起始相关的神经响应。因此，本研究旨在开发一种新的多变量回归方法，从连续脑电图（EEG）中提取与音符起始相关的脑响应，并探讨这些响应与音乐特征及听众体验之间的关系。
研究流程
本研究包括以下几个主要步骤：
实验设计
研究选取了九种不同类别的声学刺激，包括简单的音调序列、完整的浪漫主义钢琴曲以及自然（非音乐）声景。九名受试者被动聆听这些刺激，同时记录其EEG信号。此外，另一组14名受试者参与了一项行为实验，通过操纵操纵杆连续记录他们对音乐张力的感知。
EEG数据采集与预处理
EEG数据通过61通道的脑电放大器记录，采样频率为5000 Hz。预处理包括低通滤波（截止频率42 Hz）和下采样至100 Hz，随后进行1 Hz的高通滤波。通过独立成分分析（ICA）去除眼动、肌肉活动等伪迹。
回归分析方法
本研究提出了一种基于岭回归（Ridge Regression）的多变量方法，通过时间嵌入（Temporal Embedding）技术优化EEG信号与音频功率斜率（Audio Power Slope）之间的相关性。音频功率斜率是通过计算音频信号的功率变化的一阶导数得到的，能够捕捉音符起始的快速强度变化。通过交叉验证，训练出时空滤波器，将61通道的EEG信号降维为一维时间序列，反映音符起始的脑响应。
数据分析
通过计算皮质-声学相关性（Cortico-Acoustic Correlation, CACOR）来评估EEG信号与音频刺激之间的同步性。此外，还提取了九种声学/音乐特征（如声强、锐度、频谱质心等），并分析了这些特征与CACOR及张力评分之间的关系。
主要结果
1. CACOR的检测
研究结果表明，对于单个受试者和单次刺激呈现，CACOR能够显著检测到与音符起始相关的脑响应。特别是，CACOR与刺激的锐度、频谱质心和节奏复杂性等特征显著相关。例如，在浪漫主义钢琴曲中，CACOR的显著性与较高的锐度和较低的频谱质心相关。
张力评分与CACOR的关系
在行为实验中，CACOR显著的刺激也引发了听众群体中高度一致的张力评分。这表明，能够引发显著生理反应的音乐特征也会影响听众对音乐张力的感知。
时空模式的神经生理学解释
通过分解回归滤波器得到的时空模式，研究发现这些模式与典型的ERP成分（如N1-P2复合波）相似。特别是，这些模式在额中央区表现出正性分布，进一步支持了其与音符起始相关的神经响应的关联。
结论
本研究开发了一种新的多变量回归方法，能够从连续EEG信号中提取与音符起始相关的脑响应，并在单次刺激呈现和单个受试者水平上实现显著检测。研究结果表明，CACOR与音乐特征（如锐度和频谱质心）密切相关，并且这些特征也影响听众对音乐张力的感知。这一方法为研究自然音乐刺激的神经处理提供了新的工具，并为音乐感知与情感体验之间的神经机制提供了新的见解。
研究亮点
1. 方法创新
本研究首次将音频功率斜率作为目标函数，结合岭回归和时间嵌入技术，从连续EEG信号中提取与音符起始相关的脑响应。这一方法在单次刺激呈现和单个受试者水平上实现了高灵敏度的检测。
跨学科应用
该研究结合了神经科学、音乐认知和信号处理等多个领域的知识，为音乐感知的神经机制研究提供了新的视角。
自然音乐刺激的研究
与传统的简化刺激不同，本研究采用了完整的自然音乐片段，更贴近实际音乐聆听体验，为音乐神经科学研究提供了更生态效度的实验范式。
其他有价值的内容
本研究还探讨了音乐张力与CACOR之间的关系，发现能够引发显著生理反应的音乐特征也会影响听众对张力的感知。这一发现为音乐情感体验的神经基础提供了新的证据。此外，研究还揭示了不同音乐特征（如锐度和频谱质心）在神经响应中的重要作用，为音乐创作和音乐治疗提供了潜在的参考依据。
这篇研究报告详细介绍了研究的背景、方法、结果和意义，为其他研究者提供了全面的参考。