ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТОНАЛЬНОЙ МОДУЛЯЦИИ В МУЗЫКАЛЬНЫХ ФРАЗАХ НА СПЕКТРАЛЬНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЭЭГ ЧЕЛОВЕКА

Аннотация:

В работе исследовано влияние тональной модуляции в музыкальных фрагментах на показатели ЭЭГ человека. Испытуемым предлагалось прослушать две серии модулирующих музыкальных фраз: серию из контролируемых гармонических последовательностей и серию из отрывков из классической музыки. Каждая серия включала в себя модуляции в субдоминанту, доминанту и малую сексту. Серии отличались по музыкальной выразительности: фрагменты из классических произведений включали различные аспекты выразительности, в то время как гармонические последовательности были намеренно однообразны. Показано, что прослушивание гармонических последовательностей и фрагментов классических музыкальных произведений вызывает событийно связанную синхронизацию колебаний биопотенциалов коры в частотном диапазоне а-ритма. При прослушивании фрагментов музыкальных произведений с модуляцией в доминанту отмечается меньший уровень синхронизации колебаний биопотенциалов в а-диапазоне по сравнению с другими модуляциями. По сравнению с гармоническими последовательностями, прослушивание отрывков из классической музыки приводит к меньшему снижению синхронизации колебаний биопотенциалов в а-диапазоне после прослушивания. Ключевые слова-, электроэнцефалограмма (ЭЭГ), музыка, тональная модуляция, а-ритм, тональное пространство. Музыка и музыкоподобные сигналы все активнее используются в программах развития и реабилитации когнитивных функций человека . В связи с этим, исследование влияния таких сигналов и их составляющих на человека позволит более точно подбирать музыкальные композиции и является актуальным. Эти исследования можно условно разделить на несколько направлений. Первое направление связано с изучением особенностей восприятия музыки, связанных с акустикой отдельных звуков и тонов. К нему можно отнести изучение особенностей восприятия музыкальных тонов, начало которому положил Г. Фех-нер в своей работе "Элементы психофизики" . В рамках данного направления предприняты попытки построения моделей "тембрального пространства" , а также активно изучаются особенности восприятия тембра и тембровых изменений при различных условиях прослушивания . Ко второму направлению можно отнести исследования, изучающие физиологические реакции организма при прослушивании музыки. Установлено, что в этих условиях происходят изменения ряда показателей автономной нервной системы, таких как ритмы сердца и дыхания , уровень электропроводности кожи и гормональный статус . Продемонстрировано также положительное влияние классической музыки на восстановление функционального состояния после учебных нагрузок у студентов и реабилитационное воздействие (по показателям изменений ЧСС и индекса напряжения) на вегетативный статус учащихся . Третье направление изучает влияние прослушивания и исполнения музыки на когнитивные способности. Этот вопрос рассматривается в контексте сравнения когнитивных функций (память, языковые навыки, способность к ориентации в пространстве и т.д.) и музыкальных способностей музыкантов и немузыкантов, а также влияния прослушивания музыки и занятий музыкой на когнитивные функции . Установлено, что музыканты лучше распознают транспонирование мелодий.причем успех распознавания таких мелодических преобразований, как транспонирование (перемещение всех нот мелодии на определенный мелодический интервал) и ракоход (проигрывание мелодии задом наперед), ассоциируется с большей активацией в межтеменной борозде . Тем не менее занятия музыкой являются лишь одним из факторов, влияющих на успешность распознавания мелодической трансформации . В качестве четвертого направления можно выделить исследования, изучающие терапевтическое применение музыки для коррекции различных патологических состояний и реабилитации. Обнаружено, что активное исполнение музыки представляет собой интенсивную мультисенсорную и моторную деятельность, которая благодаря механизмам пластичности мозга приводит к значимым клиническим эффектам при лечении речевых нарушений и болезни Альцгеймера . Отдельно стоит выделить использование музыки в процедурах тренингов по принципу биологической обратной связи. Отмечено, что музыкальные воздействия могут обладать повышенной эффективностью, если они согласуются с биоэлектрическими характеристиками нервной системы . Показано, что использование музыки в качестве информационного сигнала обратной связи способствует нормализации и коррекции стрессовых состояний . Относительно недавно возникла модификация этого метода, где предлагается использовать преобразование биопотенциалов человека в музыкальный сигнал в реальном времени в процессе процедуры . Перечисленные выше подходы, как правило, используют либо отдельные акустические тона, либо существующие музыкальные фразы или произведения целиком. Гораздо меньше внимания уделяется выявлению роли конкретных мелодических и ритмических элементов музыки. Музыку можно рассматривать как способ организации акустического сигнала по высоте и времени. Ключевым фактором для восприятия элементов мелодии является тональная система отсчета, которую обычно называют гаммой. В классической европейской музыке доминирует диатоническая гамма, ноты в которой отличаются по звуковысотности и по уровню притяжения к тональному центру — тонике (первой ноте гаммы). Переход из одной тональности в другую в пределах той же самой композиции называется тональной модуляцией . В европейской музыкальной культуре тональная модуляция является важным средством выразительности и одним из главных структурных аспектов музыкальных композиций. Исследования показывают, что различные степени тональной модуляции формируют характерные эмоциональные ответы . Расстояния между тональностями, отражающие степень их схожести, в теории музыки иллюстрируются квинтовым кругом. Переориентация тонального пространства с одной тоники на другую (тональная модуляция) приводит к замене определенного числа нот в конечной гамме по отношению к начальной (рис. 1). Ранее было показано, что эффекты, которые вызывают мажорные и минорные ладовые условия, зависят от степени тональной модуляции . Задачей настоящего исследования было определить, отличается ли воздействие наиболее часто встречающихся степеней модуляции на функциональное состояние головного мозга. В качестве стимулов были использованы короткие гармонические последовательности и отрывки из классических музыкальных произведений. Каждый из этих стимулов модулировал в одну из трех ступеней мажорной диатонической гаммы: субдоминанту , доминанту и пониженную сексту . По стандартной нумерации ступеней хроматической гаммы, тоника принимается за 0 ступень, а вводный тон за 11 ступень. Выбор трех целевых ступеней был сделан на основе анализа коротких модулирующих фраз из 132 классических музыкальных произведений, который показал, что субдоминанта (5), доминанта (7) и пониженная секста (8) являются наиболее часто встречающимися целями модуляций в мажорном ладу. В отличие от намеренно однообразных гармонических последовательностей, отрывки из классических произведений отличались богатством музыкальной выразительности, включая различия в темпе, метре, звуковой динамике и текстовой фактуре. Это позволило исследовать эффект модуляции в контексте наличия и отсутствия музыкальной выразительности. В качестве основного метода исследования мы использовали метод электроэнцефалографии, который обладает необходимым временным разрешением, что важно при работе с короткими музыкальными фрагментами и позволяет получить информацию онейрокогнитивных процессах, которые осуществляются при обработке музыкальных фрагментов. МЕТОДИКА. В исследовании приняло участие 15 человек (5 мужчин и 10 женщин) в возрасте от 17 до 28 лет. Ни один из них не являлся профессиональным музыкантом и не имел специального музыкального образования, за исключением общеобразовательной школьной программы. Перед участием в эксперименте каждый испытуемый ознакомился и подписал форму добровольного информированного согласия на участие. Эксперимент был организован и проводился в соответствии с этическими нормами, установленными Хельсинкской декларацией 1964 года. В ходе эксперимента испытуемым предлагалось прослушать 2 серии стимулов: 24 гармонические последовательности и 24 отрывка из музыкальных произведений. Каждая серия включала в себя модуляции в три ступени: ступень 5 (субдоминанта), ступень 7 (доминанта) и ступень 8 (малая секста), по 8 стимулов для каждой ступени. Доминанта и субдоминанта представляют собой близкие цели модуляции (каждая производит замену одной ноты в начальной гамме), тогда как ступень 8 — далекую цель (замена четырех нот). Все произведения были в мажорном ладу. Стимулы предъявлялись в случайном порядке. Серии стимулов были сбалансированы в отношении степеней модуляции. Стимулы предъявлялись через динамики Edifier М1300/М1500, в помещении прямоугольной формы объемом 26 м3 и временем реверберации 0.008 с (по данным собственных измерений). Неравномерность амплитудно-частотных характеристик звукоизлучателей в диапазоне 0.2—20 кГц не превышала ± 3 дБ. Гармонические последовательности были специально написаны для этого исследования одним из его авторов. Каждая последовательность состояла из 8 аккордов. Первые три-пять аккордов устанавливали начальную тональность, а следующие за ними переходные аккорды совершали модуляцию в заключительную тональность посредством обычной каденции доминанта-тоника. Последовательности были одинаковы по темпу, стилю, громкости, тембру и фактуре. Начальные тональности последовательностей были различны. В зависимости от степени модуляции некоторые из фраз потребовали меньшее количество переходных аккордов, чем другие; для плавности модуляции некоторые последовательности включали проходящие ноты. Каждая последовательность имела продолжительность 10 с и включала небольшое замедление в конце для более естественного звучания. Музыкальные отрывки были взяты из классических произведений Моцарта, Гайдна, Бетховена, Шуберта, Шопена и Брамса. Отрывки отличались по стилю, темпу, регистру и штриховому и динамическому разнообразию; их продолжительность была от 10 до 35 с. Запись электроэнцефалограммы осуществлялась при помощи электроэнцефалографа-анализа-тора ЭЭГА-21-26 "Энцефалан-131-03" компании "Медиком-МТД" (Таганрог, Россия). Запись велась от 8 электродов (Г3, С3, Cz, С4, Т4, Р3, Pz, Р4), расположенных по стандартной схеме "10—20" с референтными электродами на мочках ушей и электродом заземления в вертексе. Частота дискретизации — 250 Гц. Использовались следующие параметры фильтрации исходного сигнала: частота среза фильтра верхних частот — 0.5 Гц, частота среза фильтра нижних частот — 70 Гц, режекторный фильтр на частоте сети — 50 Гц. Для спектрального анализа ЭЭГ при прослушивании гармонических последовательностей использовались фрагменты записи за 10 с до предъявления аудио фрагмента (фон1), 10 с во время предъявления аудио фрагмента и 10 с после предъявления аудио фрагмента (фон2). Для спектрального анализа фрагментов ЭЭГ при прослушивании классических музыкальных произведений использовались данные ЭЭГ за 10 с до предъявления аудио фрагмента (фон1), полное время предъявления аудио фрагмента и 10 с после предъявления аудио фрагмента (фон2). Анализ проводился в следующих частотных диапазонах: 9 (4-8 Гц), а (8—13 Гц),бета1 (13-21 Гц) и бета2 (21-35 Гц). 9-диапазон (0.5-4 Гц) был исключен из анализа из-за большого количества артефактов, связанных с изменениями под-электродного импеданса, ближе к концу экспериментальной серии на основании визуального анализа полученных записей.Для вычисления спектральных характеристик энцефалографического сигнала использовалась периодограмма P.D. Welch 20 со следующими параметрами: длина ансамбля 1024 отсчета, величина перекрывания 512 отсчетов. Регистрация ЭЭГ осуществлялась в положении сидя, на кресле с возможностью регулировки высоты спинки, подлокотников и высоты кресла относительно пола. Во время записи испытуемые находились в полной тишине. Прослушивание музыкальных фрагментов осуществлялось с помощью динамиков, испытуемому давалась инструкция осуществлять прослушивание с закрытыми глазами и не открывать их до команды экспериментатора. Вслед за 10-секундным фоном после прослушивания испытуемые заполняли бланк анкеты семантического дифференциала , которая в данном исследовании предъявлялась для поддержания концентрации внимания в процессе обследования. Анкета была идентична анкете из поведенческого исследования одного из авторов статьи , анкеты обрабатывались и анализировались аналогичным образом, были отмечены схожие тенденции, но поскольку результаты не были статистически значимыми, авторы приняли решение не включать их в текст данной статьи. Схема эксперимента включала в себя следующие этапы: 1. Инструктаж испытуемого и выполнение тестового прослушивания стимула и заполнение анкеты; 2. Регистрация исходного общего фона ЭЭГ (продолжительность — 3 мин); 3. Первая экспериментальная серия: испытуемому в случайном порядке предъявлялся набор из 24 гармонических последовательностей, после каждого стимула предлагалось заполнить анкету семантического дифференциала; 4. Вторая экспериментальная серия: испытуемому в случайном порядке предъявлялся набор из 24 отрывков музыкальных произведений, после каждого стимула предлагалось заполнить анкету семантического дифференциала; 5. Регистрация конечного общего фона ЭЭГ (продолжительность — 3 мин). Статистическая обработка велась при помощи программ Microsoft Excel 2010 и Statistica 10. Для установления значимых факторов проводился многофакторный дисперсионный анализ с повторениями ANOVA со следующими факторами: Status (10-секундный фон до прослушивания стимула, прослушивание стимула, 10-секундный фон после прослушивания), Fragment (субдоминанта, доминанта, секста), Context (гармонические последовательности, отрывки музыкальных произведений), Rhythm (0, а, (32). Для оценки количественных изменений исследуемых показателей вычислялся -критерий Уилкоксона для зависимых выборок. После этого проводилась поправка на множественные сравнения с помощью метода Y. Benjamini, D. Yekutieli . Для анализа использовались показатели спектрального анализа, усредненные по всем отведениям, по отведениям для правого и левого полушария, и показатели для каждого отведения. При проведении дисперсионного анализа использовались только показатели каждого из отведений. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Результаты дисперсионного анализа выявили значимые эффекты для факторов "Fragment" (F (2, 236) - 138.85, р < 0.001) и"/Ihythm" (F(3, 354)=134.57; р < 0.001) и для взаимодействия факторов: "Context*Fragment" (F(2, 236) = 2398.1, р < 0.001); "Context* Rhythm" (F(3, 354) = 12.130, p < 0.001); "Fragment*Rhythm" (F(6, 708) - 2.8260, p< 0.05); "Status*Rhythm" (F(6, 708) = 176.76, p < 0.001); "Context*Fragment*Rhythm" (F(6, 708) = = 60.177, p < 0.001). Прослушивание как гармонических последовательностей, так и отрывков из музыкальных произведений увеличивало показатели мощности спектра ЭЭГ в а- {р < 0.05) и уменьшало в бета2- диапазонах по сравнению с 10-секундным фоном до прослушивания. Попарное сравнение спектров ЭЭГ при прослушивании гармонических последовательностей с модуляцией в субдоминанту, доминанту и сексту во время прослушивания не выявило статистически значимых различий. Но аналогичное сравнение отрывков из музыкальных произведений выявило достоверные различия при модуляции в доминанту по сравнению с модуляциями в субдоминанту и сексту. Отрывки с переориентацией в доминанту приводили к меньшему увеличению мощности в а-диапазоне (р < 0.01) по сравнению с субдоминантой и секстой, а также к большему увеличению мощности в бета2-диапазоне (р < 0.01) по сравнению субдоминантой . Проводилось попарное сравнение мощностей спектра ЭЭГ при прослушивании фрагментов музыкальных произведений и гармонических последовательностей, усредненных для левого и правого полушарий; сравнения проводились для каждого полушария отдельно. Для гармонических последовательностей статистически значимых результатов выявлено не было. При прослушивании фрагментов музыкальных произведений с модуляцией в доминанту отмечены достоверные отличия в 9- {р < 0.01), а- (р < 0.01) и бета2-диапазо-нах (р < 0.01) по сравнению с субдоминантой в обоих полушариях. Для доминанты отмечены также достоверные отличия в а- и бета1- (р < 0.01) диапазонах по сравнению с секстой в обоих полушариях. И в правом, и в левом полушариях прослушивание модуляций в доминанту имело меньший прирост мощности в а-диапазоне и больший — в бета1-диапазоне по сравнению с субдоминантой и секстой (рис. 3). Также проводилось сравнение мощности спектров ЭЭГ правого и левого полушарий между собой при прослушивании одних и тех же звуковых . При прослушивании гармонических последовательностей, содержащих все три тональные модуляции, отмечается достоверно большая мощность спектра ЭЭГ для правого полушария по сравнению с левым в а-диапазоне (р < 0.01) и достоверно меньшая мощность спектра ЭЭГ в 9-диапазоне (р < 0.01). При прослушивании фрагментов музыкальных произведений, содержащих все три тональные модуляции, наблюдалась достоверно большая мощность спектра ЭЭГ для правого полушария по сравнению с левым в а-диапазоне (р < 0.01) и меньшая мощность спектра в 9- (р < 0.01) и бета2- (р < 0.01) диапазонах. Попарное сравнение мощностей спектра ЭЭГ для ступеней модуляции в каждом отведении во время прослушивания отрывков музыкальных произведений выявило значимые отличия для фрагментов с модуляцией в доминанту. Для доминанты по сравнению с остальными ступенями отмечается меньший прирост мощности а-диапазона в височных и теменных отведениях и больший прирост мощности в 9-диапазоне в теменных отведениях . В центральных отведениях достоверных различий не выявлено. В то же время при попарном сравнении ступеней модуляции во время прослушивания между гармоническими последовательностями и фрагментами из музыкальных произведений не было выявлено значимых различий в спектральных характеристиках ЭЭГ. В сравнении спектральных характеристик ЭЭГ до прослушивания отрывков из музыкальных произведений и гармонических последовательностей (без учета фактора ступени переориентации) отмечаются достоверные различия в 9- (р < 0.01) и а- (р < 0.01) диапазонах. Для гармонических последовательностей отмечается меньший уровень мощности в 9-диапазоне и больший уровень мощности в а-диапазоне. Этот результат может быть связан с тем, что серия с прослушиванием фрагментов из музыкальных произведений проводилась после серии с прослушиванием гармонических последовательностей. После прослушивания отрывков из музыкальных произведений и гармонических последовательностей (без учета фактора ступени переориентации) при сравнении спектральных характеристик ЭЭГ отмечаются достоверные различия в О- (р< 0.01) и а- (р < 0.01) диапазонах (рис. 5). Для гармонических последовательностей отмечается меньший уровень мощности в а-диапазоне и больший уровень мощности в 0-диапазоне. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ. Таким образом, прослушивание как гармонических последовательностей, так и отрывков из музыкальных произведений приводит к увеличению мощности а-ритма и снижению бета2-ритма, свидетельствуя об усилении синхронизации биопотенциалов коры на частотах а-диапазона. Этот результат может трактоваться как возникновение событийно связанной синхронизации {event related synchronization) в процессе прослушивания. Данный феномен связывают с тормозным нисходящим ("top-down") контролем, который, по мнению ряда авторов, ингибирует не задействованные для текущей обработки области коры, способствуя тем самым более эффективной обработке текущего сигнала . Ряд авторов (W. Klimesch, P. Sauseng, S. Hanslmayr) связывают а-синхронизацию главным образом с сознательным контролем внимания, предполагая, что в случае удержания внимания за счет торможения областей коры, не задействованных в обработке текущего сигнала, обеспечивается более эффективная обработка информации. Замечено, что событийно связанная синхронизация наблюдается во время выполнения задач, использующих рабочую память, при этом показано, что мощность в а-диапазоне увеличивается в процессе запоминания и удержания в памяти целевых стимулов . С этих позиций можно связать терапевтический эффект от прослушивания музыки, наблюдаемый при коррекции различных патологических состояний , с синхронизацией корковых структур для обработки целевого сигнала и торможением незадействованных областей коры. Необходимо отметить, что в нашем эксперименте при индивидуальном анализе ЭЭГ у трех испытуемых наблюдалась обратная реакция - значимое снижение мощности в а-диапазоне при прослушивании стимулов. Анализируя исходный 3-минутный фон этих испытуемых, авторы обнаружили у них сниженную мощность в а-диапазоне и повышенную мощность в бета1- и бета2-диапазонах, что свидетельствует о более высоком исходном уровне активации коры. Можно предположить, что данный эффект связан со сниженным уровнем концентрации внимания у этих трех испытуемых. При сравнении спектральных характеристик ЭЭГ во время прослушивания гармонических последовательностей с переориентацией гаммы в субдоминанту, доминанту и сексты значимых различий выявлено не было. Однако при сравнении спектральных характеристик фрагментов ЭЭГ при прослушивании отрывков из музыкальных произведений было обнаружено, что при прослушивании композиций с модуляцией в доминанту отмечается достоверно меньший прирост в а-диапазоне и больший прирост в бета2-диапазоне по сравнению с другими ступенями. Авторы связывают различия между гармоническими последовательностями и отрывками из музыкальных произведений с дополнительными средствами музыкальной выразительности, присутствующими в этих музыкальных произведениях. Как было выявлено в психологических исследованиях, повышение выразительности исполнения одних и тех же музыкальных фраз улучшает распознавание степеней модуляции . В эксперименте модуляции в те же самые ступени предъявлялись и в "бедных" по выразительности последовательностях, и в "богатых" по выразительности музыкальных фразах из классической музыки. Полученные результаты согласуются с результатами, полученными в упомянутом ранее поведенческом исследовании . Результаты анализа ЭЭГ в эксперименте показали отличие модуляции в доминанту по сравнению с другими ступенями при прослушивании отрывков музыкальных произведений. Этот феномен можно объяснить с позиции классических положений музыкальной теории. Он может быть связан с наличием функциональных отношений в области тональной гармонии, а именно, с принадлежностью мажорного трезвучия на 8 ступени к субдоминантовой сфере (через аккорд гармонической субдоминанты) в данной мажорной тональности . Достоверно меньшая мощность в а-диапазоне для доминантной ступени в височных и теменных отведениях и большая мощность в 0-диапазоне в теменных отведениях при прослушивании фрагментов классических произведений позволяет предположить, что первичная сенсорная обработка данной ступени затрачивает больше ресурсов коры .Однако стоит заметить, что данный эффект проявляется только при наличии дополнительных средств музыкальной выразительности. Это соотносится с результатами, опубликованными в обзоре С.М. Krause , где отмечается, что кодирование акустической информации вызывает нарастание активности в а-диапазоне. Высказывается предположение о том, что степень а-синхронизации может свидетельствовать об эффективности процессов обработки информации. Отмечается, что большее увеличение мощности в 0-диапазоне во фронтально-центральных областях может наблюдаться при прослушивании приятных музыкальных фрагментов по сравнению с неприятными . В другом исследовании было показано, что усиление мощности в 0-диапазоне наблюдается при прослушивании эмоционально окрашенных звуков по сравнению с нейтральными, что позволяет предположить, что модуляция в доминанту вызывала более выраженную эмоциональную реакцию у испытуемых при ее прослушивании. При сравнении спектральных характеристик фрагментов ЭЭГ при прослушивании гармонических последовательностей и отрывков музыкальных произведений после прослушивания, без учета фактора степени модуляции, для гармонических последовательностей была отмечена меньшая мощность в а-диапазоне и большая — в 0-диапазоне. Таким образом, несмотря на то, что различий между гармоническими последовательностями и отрывками музыкальных произведений непосредственно во время прослушивания не было, эффект а-синхронизации корковых структур, который оказывали отрывки музыкальных произведений, сохранялся дольше после окончания прослушивания. Можно предположить, что дополнительные аспекты выразительности в музыкальных произведениях, которые были сведены к минимуму в гармонических последовательностях, способствовали этому эффекту. Данное предположение требует дальнейшей экспериментальной проверки. ВЫВОДЫ На основании полученных результатов можно сделать ряд выводов: 1. Прослушивание гармонических последовательностей и фрагментов классических музыкальных произведений вызывает событийно связанную синхронизацию потенциалов коры на частоте а-ритма, характеризующуюся приростом мощности. 2. Во время прослушивания модуляции в доминанту во фрагментах из музыкальных произведений проявляется меньший уровень прироста мощности в а-диапазоне по сравнению с другими модуляциями в обеих сериях стимулов. Возможно, на проявление этого эффекта оказывают влияние разнообразные аспекты музыкальной выразительности в этих произведениях. 3. Выявлен эффект последействия фрагментов классических музыкальных произведений, который заключается в том, что после прослушивания гармонических последовательностей и фрагментов музыкальных произведений наблюдается снижение мощности а-ритма, но для фрагментов музыкальных произведений характерно ее более медленное угасание.

Авторы:

Издание: Физиология человека
Год издания: 2018
Объем: 10с.
Дополнительная информация: 2018.-N 3.-С.43-52. Библ. 31 назв.
Просмотров: 131