科學家將大腦活動轉化為音樂

科學家將大腦活動轉化為音樂

簡介By 百聯醫學編譯

科學家們已經成功將大腦活動轉化成音樂，這是一種令人驚嘆的方法!

這一項技術使用腦電圖(Electroencephalography, EEG)和功能性磁振造影(functional Magnetic Resonance Imaging, fMRI)等大腦監測工具，將大腦的電信號或活動轉換為聲音。這不僅提供了一種深入瞭解大腦運作的方法，還能夠產生具有藝術性和科學價值的音樂作品。

這種大腦活動轉化為音樂的過程通常包括將不同的大腦區域或神經元群的活動映射到音調、節奏和音量等音樂元素上。這樣的轉化過程有助於我們更直觀地理解大腦在不同活動、情感和狀態下的運作方式。

這些發現可以為將音樂元素納入腦機界面(Brain-Computer Interface，BCI)提供基礎。腦機界面是一種技術，它建立了一種直接的通信途徑，允許人類大腦和外部設備之間的互動。腦機界面技術的目標是解讀大腦活動並將其轉換為可控制電腦、機器或其他外部設備的指令，或者將外部設備的信息傳達回大腦。

腦機界面技術可以應用於多個領域，包括醫療、輔助技術、娛樂和科學研究。一些常見的應用包括腦機界面以幫助殘疾人士控制輪椅、機械手臂或電腦；腦機界面用於恢復視覺或聽覺功能；以及腦機界面的應用於研究大腦功能和認知過程。腦機界面使言語受損的患者能夠溝通。

將大腦活動轉化為音樂的技術可以應用於醫學和心理學領域，幫助醫生和研究人員更好地理解大腦與不同疾病、情感和行為之間的關聯，從而開發更有效的治療方法。

科學家將大腦活動轉化為音樂 (NIH)

By Brian Doctrow, Ph.D.

音樂是一種普遍的人類體驗。過去的研究已經識別出大腦對音樂的特定元素，如旋律、和聲及節奏作出反應的部分。音樂會啟動與語言相同的大腦區域，但這些區域如何相互作用來處理音樂的複雜性一直不清楚。

由加利福尼亞大學柏克萊分校的Ludovic Bellier博士和Robert Knight博士領導的一支由美國國家衛生研究院（NIH）資助的研究團隊，使用計算機模型試圖從聽眾的大腦活動中重建一首音樂作品。這項研究於2023年8月15日刊登在《PLoS Biology》上。

該團隊讓29名神經外科患者聆聽了Pink Floyd的歌曲《Another Brick in the Wall, Part 1》。為了進行癲癇評估，將電極直接放置在他們的大腦表面，以記錄大腦活動。研究人員尋找電極信號與歌曲聽覺特性之間的相關性，然後使用這些信息嘗試從大腦信號中重建歌曲。類似的方法曾用於從大腦活動中重建語音，但這是第一次使用這種方法重建音樂。

研究人員發現，在患者的2700個電極中，總共有347個電極對於檢測音樂編碼非常重要。在大腦右半球，有16.4％的電極對音樂產生活動反應，而在左半球，這一比例為13.5％。這與語言不同，語言會引發左半球更大的反應。在兩個半球中，大多數對音樂產生反應的電極位於一個稱為顳上回(Superior temporal gyrus, STG)的區域，該區域位於耳朵上方和後方。

基於所有347個重要電極的數據，重建的歌曲與原始歌曲相似，但細節較少。例如，重建的歌曲中的歌詞較不清楚。

特定的大腦活動模式與特定的音樂元素相匹配。一種模式包括在一系列頻率上的短暫活動，這些活動對應於主音吉他或合成器的主題音樂。另一種模式涉及到極高頻率的持續活動，這種活動發生在聽到人聲時。第三種模式對應於節奏吉他的音符。檢測到每種模式的電極在STG內被分組在一起。

為了縮小哪些大腦區域對準確重建音樂是最重要的範圍，研究人員刪除了信號來自不同電極的情況下的重建。刪除右STG的電極對於重建的準確性有最大的影響。該團隊還發現，可以在不使用完整的重要電極集合的情況下，準確重建音樂；其中近170個電極對準確性沒有影響。

這些發現可以為將音樂元素納入腦機界面(brain-computer interfaces)提供基礎。已經開發了這種界面，以使言語受損的殘疾人能夠溝通。但是由這些界面生成的言語聽起來有一種不自然的機器人質感，納入音樂元素可能會產生更自然的語音合成。

Knight博士表示：「對我來說，音樂有韻律和情感內容。」隨著腦機界面領域不斷發展，他解釋說，這項研究可以幫助那些言語受損的神經或發育障礙患者，為他們的腦部植入裝置增添音樂性。他補充說：「這讓你能夠解碼言語的語言內容、語調的內容，以及情感。我認為這是我們真正開始突破的領域。」

譯者:百聯醫學編譯

Translator: PI-Union Medical Science

Source:

Scientists translate brain activity into music | National Institutes of Health (NIH)

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