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「研究：音樂訓練改變大腦神經網絡」專家意見
議題背景：
陽明交通大學生物科技學系講座教授謝仁俊與腦科學研究所陳麗芬教授研究團隊線上發表於期刊《Human Brain Mapping》（人腦圖譜）的研究，登上2023年1月的人腦圖譜期刊封面。
圖片來源：Cover Image of Human Brain Mapping, Volume44, Issue 1, January 2023.
研究包含年齡20-40歲右撇子的國內藝術相關大學的學生或畢業生，共35位聲樂家、27位鋼琴家，以及33位非音樂專業背景的大學生。研究團隊分析專門觀察大腦神經結構的大腦影像「擴散磁振造影（DWI）」（MRI的一種），比較聲樂家、鋼琴家與非音樂家的大腦中，包含特定腦區的神經網絡連結。
研究發現，鋼琴家和聲樂家的大腦中，與情緒相關區域（例如杏仁核）的連結，較一般非音樂家更多，顯示了長期的特定音樂訓練會加強大腦中以經驗為基礎的白質神經網絡連結。研究也顯示聲樂家與鋼琴家，左側杏仁核和其他腦區之間有較強的內部整合連結。
台灣科技媒體中心特邀本研究團隊舉辦線上記者會，以及邀請研究大腦影像、大腦結構與認知神經心理的專家短評此研究重要性。
研究原文：
- Cheng LK, Chiu YH, Lin YC, Li WC, Hong TY, Yang CJ, Shih CH, Yeh TC, Tseng WI, Yu HY, Hsieh JC, Chen LF. Long-term musical training induces white matter plasticity in emotion and language networks. Hum Brain Mapp. 2022 Aug 25. doi: 10.1002/hbm.26054. Epub ahead of print. PMID: 36005832.
線上記者會新聞稿：音樂訓練改變大腦網絡研究登《人腦圖譜》期刊封面記者會 新聞稿
專家怎麼說？
1. 這份研究為什麼重要？
若單純從MRI的研究來看，過去研究即有發現鋼琴家大腦中與手指連動有關的區域較一般人發達[1]，或是因為小提琴家左右手的靈敏需求度不同，他們大腦中與左右手的感覺與運動相關區域，差異較明顯[2]。甚至有研究發現倫敦計程車司機處理空間相關訊息的腦區「海馬迴」，較一般人體積大[3]，都是經驗會影響大區域「發達」程度的證據。
利用網路圖論來看大腦功能，也算是2010年後一個新興的趨勢[4]。有別於傳統比較單一腦區差異的方式，這種藉由數學圖論 （graph theory）探討大腦白質功能網路的研究，也算是從另一個角度剖析大腦的動態系統。
大腦灰質的研究是把大腦比喻成眾多功能（視覺、聽覺、語言、記憶、決策）腦區的組合，著重在大腦處理的訊息內容或產出的結果，而大腦白質的研究則是著重大腦中傳遞訊息的主幹道、關鍵樞紐、局部網絡的組成型態，以及傳輸效率等。此種由訊息傳輸的通道形容大腦白質網絡的概念，也是了解大腦組織及功能的重要面向。
2. 研究有哪些推論上的限制？
每個研究都有限制，這篇研究的最後也提到三點主要限制。首先，本研究只專注在圖論分析方法中的大腦白質網絡聯結整體強度與訊息傳遞效率，並未探討其他分析的面向。第二，此研究目前無法解釋觀察到的音樂家大腦白質差異是屬於先天基因或後天經驗影響，要倚靠長期的縱貫研究，才能提供較好的解答。第三，有性別差異，大多數音樂科系學生多半是以女性居多數。儘管有上述限制，本人認為此研究仍提供了一種嶄新的方法，是剖析後天經驗影響大腦的有趣研究。
3. 此研究結果可以幫助我們理解音樂如何影響大腦功能嗎？結果發現音樂訓練使情感相關腦區的連結較多，我們可以理解為「學音樂的人比較感性」嗎？
看要如何定義「感性」，如果是有較多的情緒面聯想，例如一首歌曲背後激發的情緒，還不能這樣推論。但若是一首曲目聯想到較多的相關作曲家軼事，背景、特定的個人回憶等，進而引發如歡樂或惆悵的情緒，倒是許多人都有的經驗。比較好的解釋是「正常情況下總是大腦兩半球的相互合作，藉由左右腦中間發達的胼胝體互相傳遞訊息來達成理性與感性思維」，文中提到的腦區大概也很難被歸類為偏理性或偏感性。文章強調的特點是聲樂訓練強化了一些跟發聲有關的腦區，如喉頭運動區、聯結腦區等的聯結。
1. 這份研究為什麼重要？
本篇論文第一作者鄭吏凱以及陽明交通大學謝仁俊講座教授團隊的研究成員，在此研究中想要討論的是長期的音樂訓練如何造成大腦結構性的改變，這個主題是在探討神經可塑性（Neural Plasticity）。
神經可塑性是神經科學中非常重要的領域。我們的大腦之所以可以學習、記憶、或是幫助我們適應新環境，都是因為我們的神經系統具有可塑性，可以根據經驗而改變結構或者是運作方式，讓我們得以用更有效率的方式來處理眼前的訊息或面對新的任務。過去許多研究神經可塑性的科學家對音樂家的大腦有很大的興趣，是因為音樂的訓練是長期而且持續的，從事音樂行為對大腦來說是全面性的活動，牽涉到聽覺、視覺、動作、記憶、情感等等不同層面，也因此針對音樂家大腦的研究，可以讓我們更清楚的看到經驗與訓練是如何透過神經可塑性來形塑我們的大腦。
然而，過去針對音樂家大腦的研究大部分都聚焦於器樂的演奏者（如鋼琴家、小提琴家、擊樂演奏家等），目前這個研究是少數同時比較了聲樂與器樂（鋼琴）這兩種不同的音樂訓練對大腦產生的影響。更重要的是，過去這方面的研究通常聚焦於比較大腦各個腦區在音樂家、與非音樂家之間有什麼差別，而謝教授團隊的這份研究是第一個以先進的大腦造影技術配合數學模型（Graph Theory）大規模的探索全腦的結構，比較大腦不同腦區之間白質的連結，也比較不同神經網路之間的互動。
這個研究發現音樂訓練會加強大腦掌管情緒相關的神經核，如杏仁核（Amygdala）與其他腦區的連結。此外，大腦掌管語言與動作控制的腦區白質也會因為音樂訓練的不同（聲樂vs. 鋼琴）而出現加強或修剪等不同的特化。例如鋼琴的訓練由於長年需要左右手的配合，使得鋼琴家控制左手的右半腦因而比一般人或是聲樂家建立了更有效率的網路，而聲樂的訓練需要更多語言的掌握，也讓聲樂家主要掌管語言功能的左半腦，擁有比起一般人及鋼琴家更有效率的連結。
有趣的是，參與研究的聲樂家其實之前都有相當程度的鋼琴訓練，也因此聲樂家的左腦較鋼琴家的左腦整體來看產生更有效率的連結，也可以視為聲樂家後續的聲樂訓練翻轉了原先鋼琴訓練的影響。
2. 研究有哪些推論上的限制？
一般來說，比較音樂家與非音樂家大腦差異的研究，最大限制是，我們很難證實兩者之間的神經結構差異，是不是真的因為音樂訓練造成，還是在音樂訓練之前就有的先天差異。通常要解決這樣的難題，最好的方式是長期追蹤的研究，觀察音樂訓練的不同時期對大腦的影響，比如說如果我們看到越早開始接受音樂訓練，大腦的改變越明顯，或者是音樂訓練的時間與大腦改變的程度成正比，那或許我們較能夠相信目前看到的大腦結構性改變，真的是因為音樂訓練而產生。
這個研究發現聲樂訓練的時間與左腦白質連結的效率大致上成正比，但如果要真正證明神經系統結構性的改變是否是由於音樂訓練造成的，那還是需要長期追蹤大腦在音樂訓練過程中發生的變化才比較有說服力。
此研究另外一個問題是，沒有辦法區分受試者的性別差異。參與這個研究的男性比率偏低，35個聲樂學生只有5個男性，27個鋼琴學生只有6個男性，性別比例的懸殊主要是因為在台灣學習西方古典音樂的學生大部分都是女生。但是我們從過去累積許多神經科學研究的結果已知，男性與女性的大腦結構上先天就有差異。
目前在本研究中看到的音樂家大腦的差異有多少與先天存在的性別差異有關？男性與女性在接受音樂訓練之後其神經可塑性改變的程度，是否也有受到性別的影響？這些都需要透過未來的研究才有助釐清問題。
3. 此研究結果可以幫助我們理解音樂如何影響大腦功能嗎？結果發現音樂訓練使情感相關腦區的連結較多，我們可以理解為「學音樂的人比較感性」嗎？
目前此研究呼應了過去許多神經科學針對音樂家大腦的研究，的確再次支持了「長期音樂訓練會影響大腦而產生結構性的改變」這個觀察。然而更重要的是，這個研究為不同音樂訓練所產生不一樣的音樂能力找到了大腦的生理證據，聲樂家比鋼琴家的專業更需要處理語言訊息，所以聲樂家主要處理語言訊息的左腦有比起鋼琴家有效率更好的連結；此外，都是右撇子的情況下，鋼琴家比聲樂家的左手使用量更大，因為鋼琴演奏更需要左右手相互搭配的能力，研究也顯示鋼琴家控制左手的右腦有效率更好的白質連結。
至於目前這個研究是否可以支持「學音樂的人比較感性」是個好問題！首先，「感性」這個詞可能需要更嚴謹的定義。可能必須考慮，什麼樣的人格特質我們會認為比較「感性」、「感性」的人行為特徵是什麼？「感性」的人是指情感豐沛的人嗎？那「感性」的人是否就會有比較強的情緒變化呢？「感性」比較會有「同理心」嗎？比較容易感受到別人的情緒？還是比較會表達情緒呢？以上的問題必須要先釐清我認為才能夠回答「音樂訓練是否會使人比較感性」這個題目。
但以目前的研究來說，我們看到音樂訓練會讓掌管大腦情緒網路最重要的杏仁核跟其他的腦區有比較全面性的連結，這個觀察仍然是非常有意義的！我認為這個觀察或許反映了音樂訓練過程中很重要的一環，音樂是一種與語言不同的聲音表達，其中很重要的是情緒表達。也因此即使是我們聽不懂歌詞的外語歌曲，仍然可以感受到其中情感，我們對恐怖片配樂的情緒感受也很一致。
音樂的訓練除了需要知道如何解讀音樂中的情緒訊息之外，還得學習演奏或演唱的技巧，利用音量的漸強、漸弱，音色的明暗變化來表達感受，模擬出情緒的變化。也因此音樂訓練，無論是聲樂或鋼琴訓練，可能就會讓音樂家大腦情緒網路中的杏仁核與其他腦區（聽覺、動作、記憶等）有更多、更有效率的連結，如同此篇研究的結果。
所以，比起「音樂訓練使人比較感性」，我認為這個研究結果較能支持「音樂訓練會使人比較容易解讀情緒訊息、比較懂得情緒表達」這個說法。
1. 這份研究為什麼重要？
歌手、鋼琴家等專家在相關領域有特殊的表現，都是經過千錘百鍊和多年長期的訓練。這些專家的訓練歷程雖明顯不同，但是歌手透過歌曲的演唱，鋼琴家透過鋼琴樂曲的演奏，都會誘發聽眾心靈情緒的波動或感動。這兩類專家在長期訓練下是否會改變大腦理解與觸發情緒？相信會是這兩類專家成功的一大要素。
這篇研究主要是透過大腦影像，探索歌手、鋼琴家的大腦結構與一般人的差異，結果指出這兩類音樂專家會顯著增加大腦情感相關區域的連結，特別是左腦部分的杏仁核。有趣的是歌手的左腦半球的腦區連結密度顯著高於鋼琴家與一般人，且在語言相關腦區的連結有特別的改變；而鋼琴家大腦顯示右腦半球有高度的連結。這些證據指出歌手與鋼琴家在情感相關腦區的神經網絡有顯著改變，我們可以推測這樣的大腦改變不僅可以讓歌曲與演奏的情感參與性增加，或許這可以成為訓練一位好歌手或好鋼琴師的重要指標。
2. 研究有哪些推論上的限制？
本研究透過腦影像，觀察到歌手與鋼琴師的情感、感覺/運動及語言相關大腦區域有顯著的改變，以及這兩類專家在左右腦半球的連結改變有差異，顯示養成專家的共通點與差異能反映在大腦的結構性連結改變上。目前本研究在這兩類專家大腦結構上觀察到一些改變，但是卻還沒有直接的大腦功能性網路證據實質的行為表現證據，以至於在推論本研究的重大應用或貢獻上有些許限制。
3. 此研究結果可以幫助我們理解音樂如何影響大腦功能嗎？結果發現音樂訓練使情感相關腦區的連結較多，我們可以理解為「學音樂的人比較感性」嗎？
本研究只能說是這兩類專家有大腦連結結構上的改變，應該是經過長時間的訓練而導致這樣的變化，至於音樂如何影響大腦這個問題尚無法直接推論。至於情感相關腦區的連結較多，本研究尚無法推論成「學音樂的人比較感性」，本研究的證據或許可解釋成，情感網路結構上的變化可以讓表演者在表演上有更豐富或更有效率的情感處理能力。
參考文獻：
[1] Amunts, K., Schlaug, G., Jäncke, L., Steinmetz, H., Schleicher, A., Dabringhaus, A., & Zilles, K. (1997). Motor cortex and hand motor skills: structural compliance in the human brain. Human Brain Mapping, 5(3), 206–215.
[2] Schwenkreis, P., El Tom, S., Ragert, P., Pleger, B., Tegenthoff, M., & Dinse, H. R. (2007). Assessment of sensorimotor cortical representation asymmetries and motor skills in violin players. The European Journal of Neuroscience, 26(11), 3291–3302.
[3] Maguire, E. A., Gadian, D. G., Johnsrude, I. S., Good, C. D., Ashburner, J., Frackowiak, R. S., & Frith, C. D. (2000). Navigation-related structural change in the hippocampi of taxi drivers. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 97(8), 4398–4403.
[4] Sporns, O. (2011). Networks of the Brain. MIT Press (MA).
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