本篇学习报告基于期刊MATHEMATICS在2022年1月刊登的文章《The Effect of Music Listening on EEG Functional Connectivity of Brain: A Short-Duration and Long-Duration Study》，这篇论文研究以音乐作为刺激时大脑功能连接（FC）的变化，从音乐类型和聆听音乐持续时间两个方面来进行探讨。短时间聆听音乐的研究验证了喜爱或偏好的音乐都能影响受试者的功能连接，并诱发放松状态; 长时间聆听音乐的研究验证了放松音乐可以帮助受试者实现放松、活跃和警觉的假设。

 一、背景

        音乐被认为是娱乐的源泉，也是脑电波的有效刺激物。研究表明，音乐能对人类产生强烈的影响。它可以缓解焦虑、抑郁和压力。音乐还可用于治疗某些精神疾病。聆听喜爱的音乐可以唤醒中风患者大脑受损的部分，因此可以作为一种康复方法。

        随着神经成像技术的发展，现在可以研究音乐对大脑的影响。脑电图（EEG）是一种非侵入性的电生理学神经成像技术，通过放置在头皮上的电极检测大脑中的电活动。脑网络分析是一种研究大脑内部不同机制的技术，大脑连接结构可以揭示受试者的行为、情绪、注意力水平等大量信息。

        在这项研究中，选择了受试者最喜欢的音乐和研究人员选择的放松音乐作为刺激物，以研究它们对大脑的影响。通过分析功能连接（FC）的整体变化、脑叶内 FC 的变化以及不同频带内 FC 的变化来探讨聆听喜爱音乐和放松音乐的效果。此外，还研究了聆听音乐的持续时间对功能连接的影响。

二、原理

       大脑连通性分析是对神经系统内各单元如何相互连接的研究。在这项研究中，脑电图电极记录了信号，这些信号显示了电极位置处神经元之间以及神经元内部的相互作用。

       1.ISPC

        ISPC反映了给定电极对之间的相位角差异在极性空间中的聚类程度, 其具有相对较高的时间精确度，并能为连通性的调节提供相对有力的证据。参照以下公式计算两个电极之间 的ISPC ：

        θ1和θ2分别为电极1和电极2信号的相位角，t为ISPC随时间变化的时间指数，为ISPC随试次变化的单次试次，n为总的时间点数。

        2.图论

        脑连接可以表示为以电极为节点的图，节点之间的边表示对应电极之间的连接。图论中的网络连通性也可以用矩阵的形式来表示。矩阵和图包含了相似的节点和顶点信息，但表示方式不同。真实EEG数据的连接矩阵如图1所示，由于FC是无向的，矩阵关于对角线总是镜像的，且对角线总是1。使用以下方程计算配对电极的数量:

图1： 大脑连接矩阵

        矩阵中的每个元素表示由相干性等测度确定的电极间连接的权重。可以使用不同的图参数来代替相干性，如网络密度、节点度、节点强度等。网络密度是指图中边的数量与可能存在的边总数的比值。网络密度可以通过使用以下方程来计算，其中L是链接的数量，N是节点的总数。

       给定节点的连接数称为节点度。寻找网络枢纽是一种直观的方法。利用以下方程计算节点度，其中ki为节点i的度，a( i , j)为节点i和j之间的节点状态，N为网络中所有节点的集合。

        在这项研究中，使用图论表示节点作为头戴式耳机的电极，使用ISPC生成的连接矩阵计算边。然后将大平均方法应用于每个组的连接矩阵，以达到总体的效果。同时，将FC的分析分解到不同的频段从而更好地理解音乐聆听对人脑的影响。进一步分析时，计算网络密度和节点度，使用统计检验，如方差分析和t检验，来验证之前生成结果的显著性。

三、实验与结果

       1.数据集

       此项研究招募非音乐家志愿者采集脑电信号，对于短时间的研究，共有32名被试，27名男性和5名女性，平均年龄为24.1 ± 7.63岁。被试在听到自己喜欢的音乐和放松音乐的同时记录脑电信号。

       对于长时间的研究，共有10名受试者，8名男性和2名女性。被试被分为音乐聆听组和对照组，对照组不聆听音乐。对照组的平均年龄为34.6±17.05岁，音乐聆听组的平均年龄为33.3±14.47岁。音乐聆听组连续两周每天至少听半小时轻松的音乐。在实验开始前收集脑电图记录，作为基线;实验一周后收集一次，两周后实验结束时再收集一次。

        2.实验结果

        2.1短时间研究

        聆听喜爱的音乐可以显著增加alpha和beta的FC，降低theta 的FC。在聆听喜爱的音乐后，alpha、beta和theta频段的额叶连接也发生了显著变化。短时间研究的地形图和连通性矩阵如图2所示。

图2： 短时间研究的地形图和连通性矩阵

        2.2长时间研究

        聆听放松音乐显著增加了alpha和theta频段内额叶的FC，同时降低了beta频段内额叶、顶叶和枕叶的FC。这种alpha的增加和beta的FC的减少表明在受试者中诱导了一种放松状态。用统计检验方法分析上述结果的显著性。长时间研究的统计分析结果如表1。

表1: 长时间研究的统计分析结果

 四、结论

       此项研究的目的是评估音乐对人脑功能连接的短时间和长时间影响。短时间的研究发现即使是短时距的聆听音乐也能显著改变大脑上的FC。无论是聆听喜爱的音乐还是放松的音乐，都有助于诱发放松；但在聆听放松音乐的情况下，效果更为显著。另一方面，对音乐长时间脑功能连接、网络密度和脑连接数量的研究发现，聆听轻松的音乐可以提高受试者额叶的功能连接性和连接强度。