调性音乐对大脑警觉度的影响研究

作     者：田佳宜 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周鹏;杨建刚

授予年度：2022年

学科分类：0710[理学-生物学] 07[理学] 071006[理学-神经生物学] 

主      题：警觉度 调性音乐 脑电 

摘      要：警觉度(Vigilance)是大脑做出应急反应的速度以及注意力的集中程度,是一种对环境中可能发生的变化保持敏感的能力。在空间站的环境条件下,昼夜节律的改变,失重环境,空间磁场的变化以及繁重的实验任务,都会对航天员的身心产生负面影响,使得在轨航天员的睡眠时间明显减少,而长期的睡眠不足会导致警觉度下降进而影响工作绩效甚至可能引发重大事故。因此,研究适合在轨航天员的警觉度调节方法具有重要研究价值。本研究针对航天需求,提出了一种基于调性音乐来调控大脑警觉度的方法,并进行了地基实验研究。调性音乐一般指大调-小调系统音乐,有研究发现,调性音乐可以激发各类人群在学习过程中产生正性情绪并且具有缓解心理疲劳的作用。但多数音乐作品具有复杂调性难以产生一致的作用效果,因此本实验使用具有单一调性特征的音乐作为调控警觉度的方式。实验先构建了大脑警觉度下降模型,然后分别使用小调音乐和大调音乐对被试者的大脑警觉度状态进行调控。通过分析实验中采集的被试者的行为学和脑电数据,综合比较两种调性音乐对大脑警觉度的调控效果并找到可以有效调控警觉度的调性音乐类型,探究其作用的神经机制。在建模部分,实验采用了精神运动警觉度测试(Psychomotor Vigilance Test,PVT)的任务为实验范式,实验结果表明,在未施加的音乐刺激阶段中,被试群体在实验后期的平均反应时间明显高于初始状态,成功建立了诱导警觉度水平的下降模型。在经小调音乐调控后,被试者完成PVT任务的平均反应时间显著下降,警觉度水平明显提高。脑电信号的分析结果则反映在:全频域上,小调音乐刺激后被试者的全导联脑电信号的平均功率显著下降,低频成分减少,高频成分增加。和大调音乐比较,小调音乐刺激后,脑电中的β频段和α频段相对功率都更大,θ频段的相对功率则显著减小,/、(+)/和(+)/(+)的三种功率比值均降低。在时域方面,和刺激之前相比,小调音乐刺激后,在大脑的前额区、额区、中央区和颞区可以看到P300成分幅值显著增加;非线性特征中,小调音乐刺激使得全脑范围的复杂度更大,脑电信号中产生更多新模式,脑神经元的活跃度更高。在脑网络方面,分析结果发现,小调音乐可以增强左右脑间的脑网络的连接强度,促进大脑神经元之间的信息交流。被试者经过小调音乐刺激后,脑网络的平均路径距离缩短,网络利用率提高,大脑枕区与颞区神经元的活力提高,神经元之间的连接性增加,信息传导效能也增强。综上结果初步表明,在两种调性音乐中,小调音乐对于大脑警觉度具有更好的调控效果,能有效提高被试者的警觉度水平。本研究为在轨航天员的警觉度调节方法提供了新思路,奠定了理论和实验基础。