蔡振家（2021）〈能動者的認知控制：大腦輔助運動區在音樂活動中的重要性〉，《音樂研究》第34期，頁1-28

摘　要

2018年有一篇腦造影研究指出，人們在聆聽音樂時某個腦區的活化，可以預測其未來學習樂器的成效，這個關鍵的腦區即為額葉上方中央的輔助運動區。本文根據腦科學文獻，釐清輔助運動區的多元功能，重新檢視音樂演奏、聆聽、創作，以及音樂治療之間的關係。音樂活動不僅可以強化運動功能，也能強化許多執行控制功能，包括注意力控制、抑制控制、工作記憶、序列處理，以及認知靈活性。在即興演出時，這些功能特別會跟自我意志緊密結合，讓音樂演出者成為能動者，以極具創意又妥善組織的音樂，來表達個人意圖。在這種音樂活動中，輔助運動區扮演著關鍵角色。

關鍵詞：認知科學、音樂與大腦、即興、意志、動作控制

一、前　言

[...]

人類的大腦皮質分為幾個腦葉，包括額葉、頂葉、顳葉、枕葉，在額葉後上方的正中間，接近頭頂心的腦區，即為輔助運動區（supplementary motor area，以下簡寫為SMA）。SMA可以分為兩個部分，後區稱為輔助運動區本體（以下簡寫為SMA-proper），前區稱為前輔助運動區（以下簡寫為pre-SMA）。雖然目前已知SMA掌管許多認知功能，有些功能跟運動並沒有直接的關係，但是在1950至1970年代，神經科學家把SMA視為腦中運動區的一部分，因為它在動作的執行、計畫、控制中，皆扮演關鍵角色（Orgogozo & Larsen, 1979; Penfield & Welch, 1951）。另外，當前輔助運動區活化時，緊鄰於其下方的喙部扣帶區（rostral cingulate zone以下簡寫為RCZ）也經常同時活化（參見【圖1】），故在本文中也一併探討。

【圖1】人類大腦的正中矢狀切面（midsagittal plane），圖的左方為前額。輔助運動區（SMA）分為輔助運動區本體（SMA-proper）與前輔助運動區（pre-SMA），其下為喙部扣帶區（RCZ）。本文作者根據以下網址之圖片修改重製：http://www.clker.com/clipart-brain-31.html。

[...]

二、感覺動作處理

[...]

三、聽覺想像

[...]

四、序列處理

[...]

五、認知控制

「學音樂的孩子不會變壞」是一句流傳多年的廣告詞，其真偽不得而知，但筆者認為，如果把這句話改成「學音樂可以增進大腦的認知控制」，其可信度就提高許多，因為認知神經科學的一些研究結果都指出，許多音樂活動都能夠訓練大腦中跟認知控制有關的神經迴路。所謂的認知控制，是指控制自己的行為、注意力、思想，以符合當前的任務目標。認知控制也被稱為執行控制或執行功能，有心理學家指出執行功能的內涵如下：

執行功能使心智能夠操弄想法；在行動之前能夠花點時間思考；能夠應付新穎的、無法預料的挑戰；能夠抵制誘惑，保持專注。執行功能的核心是抑制（inhibition）、工作記憶（working memory），以及認知靈活性（cognitive flexibility）。[3]（Diamond, 2013, p. 135）

這段話首先指出，執行功能可以讓我們想像與計畫行為，預測行為的後果，這部分跟SMA的感覺運動處理與聽覺想像有關。接下來，這段話所談到的驚奇訊息（跟預期衝突的訊息）之處理、注意力控制、抑制控制、工作記憶、認知靈活性，則是更複雜的執行功能，本節將指出，這些功能可以讓我們適應複雜多變的環境，面對音樂活動中的種種挑戰，進而樂在其中。

SMA與RCZ在注意力控制中扮演重要角色，這方面的部分證據，來自史楚普作業（Stroop task）的相關實驗。在史楚普作業中，受試者會看到一些色彩詞彙，這些文字以各種顏色呈現，受試者的任務是要能不受字義的干擾，念出文字的顏色。當詞彙所指的顏色與該文字本身的顏色不一致時，受試者為了抑制字義的干擾，把注意力集中在文字的顏色，通常要花費較多的時間與認知資源來念出字體顏色。有一項研究探討音樂訓練對於史楚普作業的影響，結果發現，跟沒有接受音樂訓練的兒童相比，曾接受音樂訓練的兒童在進行史楚普作業時，SMA/RCZ的活性較強（Sachs, Kaplan, Der Sarkissian, & Habibi, 2017）。在參與許多音樂活動時，都需要運用注意力控制與抑制控制。例如在聆聽多聲部音樂時，有時為了專心聽某個聲部，便要調控自己的注意力。在視譜演奏時，有時要特別注意升降記號。這些控制都能讓自己參與音樂活動時，符合當前的任務目標。

工作記憶是執行功能的一環，它包括我們為了某項任務所暫存的短期記憶，以及所提取的長期記憶，這些訊息在工作記憶的平台上可以做整合與操弄。有研究指出，進行工作記憶任務時pre-SMA的活性與一般智力（general intelligence）呈現顯著的正相關，這可能是因為聰明的受試者能夠善用該腦區，以減輕認知負擔（Takeuchi et al, 2018）。

序列處理跟工作記憶之所以密切相關，是因為當我們要整合不同時間點的訊息時，必須把它們暫存起來。此外，由於工作記憶的容量有限，故經常要運用集組的技巧，進一步組織序列訊息，以便完成複雜的認知作業（如：理解一段文字或一段和聲進行）。有不少證據指出，腦中的額下回（inferior frontal gyrus）和pre-SMA協同處理工作記憶與集組，以支持序列處理（Wiener, Turkeltaub, & Coslett, 2010）；有趣的是，不具絕對音感的音樂家在聽到幾個音高接連出現時，額下回與pre-SMA的活性比具絕對音感的音樂家更高（Leipold, Brauchli, Greber, & Jäncke, 2019）。不具絕對音感的音樂家可能有較佳的相對音感，而相對音感的一大特質就是能掌握音高之間的關係，忽略個別音符的絕對音高資訊。筆者認為，具良好相對音感的音樂家在聆聽一連串的音高時，額下回與pre-SMA可能將這些資訊暫存在工作記憶的平台上，分析其階層關係，因此這些腦區的活性較高（跟只有絕對音感的音樂家相比）。

除了額下回之外，背外側前額葉（dorsolateral prefrontal cortex）也經常跟pre-SMA協同運作，在不確定性較高的情況中，運用認知控制（Taren, Venkatraman, & Huettel, 2011）。不確定性伴隨著可預測性的降低，pre-SMA跟RCZ具有偵錯功能，它可以跟背外側前額葉協同處理預測失準（prediction error）。舉例而言，當我們聆聽調性不穩定的和聲時，pre-SMA跟RCZ可以偵測到調性外的音，因此其活化增加（Alluri et al., 2012; Cheung et al., 2019; Seger et al., 2013）；這些變化音雖然有點出乎預期，但pre-SMA與背外側前額葉可以靈活更新調性訊息，以經過音、臨時轉調等概念，去理解這些和弦。

即興演出（improvisation）也充滿了不確定性，例如在爵士樂合奏中，時時要面對新穎的、無法預料的挑戰，這些挑戰可導致SMA/RCZ活化增加。針對專業鋼琴家的一項腦造影研究指出，背外側前額葉與SMA的功能連結（functional connectivity），跟即興訓練的時間成正相關（Pinho, de Manzano, Fransson, Eriksson, & Ullén, 2014）。在另一項腦造影實驗中，主修古典鋼琴的音樂學院學生分別在節奏與旋律上做即興，這些受試者的額下回與RCZ在這兩種即興活動中皆活化增加（Berkowitz & Ansari, 2008）。此外，饒舌歌手在進行歌詞即興時，中央前額葉（medial prefrontal cortex）跟額下回、SMA/RCZ之間的功能連結增加（Liu et al., 2012）。另有研究發現，音樂家在進行節奏即興演奏時，SMA/RCZ、背外側前額葉、腦島的活化比非音樂家高（de Aquino, Verdejo-Román, Pérez-García, & Pérez-García, 2019）。

綜合本節所述，筆者認為台灣的音樂教育應該加強創作與即興訓練，例如戲曲音樂、傳統絲竹合奏、爵士樂、嘻哈音樂，以及巴洛克數字低音的實踐，因為這些有創意且蘊含不確定性的活動，比較能鍛鍊學生的認知靈活性。長久下來，這些學生或許會更擅長以認知控制來應付環境變化與挑戰，對於任務目標的本質與實踐目標的步驟，也會有更深刻的理解。近年有項研究指出，若想藉由學習音樂來增進認知控制，即興訓練相當關鍵（Norgaard, Stambaugh, & McCranie, 2019）。該研究將學生分為兩組，兩組都接受了為期兩個月的爵士樂基本訓練，但只有實驗組被教導即興演奏。兩個月之後，實驗組的八年級學生在認知靈活性方面的得分變高，實驗組的七年級學生在抑制控制方面的得分變高。該文作者強調，學習音樂對於認知功能的增益效果，跟教學的性質與內涵密切相關。

六、自我意志

[...]

七、結　論

本文藉由探討腦中SMA與RCZ的功能，重新認識音樂活動的本質，並且對於音樂教育提出一些建議。音樂活動可以強化SMA與RCZ的功能，讓個體的運動、感覺、認知，跟情緒表達與自我意志緊密結合。為了達到這樣的效果，音樂教學中應加強演奏（演唱）的想像、音樂聲響的想像，訓練相對音感，讓學習者在拍節與和聲中掌握音樂的句法與呼吸，另外最重要的一點，就是讓學習者在音樂即興中運用注意力控制、抑制控制、工作記憶，鍛鍊認知靈活性，以便有創意地表達自我。
瞭解以上鍛鍊SMA與RCZ的要領之後，我們可以重新思考本文開頭所提到的腦造影研究（Wollman et al., 2018）。學習演奏大提琴之前，pre-SMA對於音樂的反應固然預言了未來的學習成效，但是預言並非無法動搖的宿命。由於大腦具有可塑性，因此教育可以改變腦部的活化型態，從而提升學習效率。具體而言，音樂老師可以教導學生，聆聽音樂時應以內在哼唱的方式去模仿旋律，藉此掌握音符之間的關係。一旦學生能夠善用序列處理與執行控制，往後再聆聽音樂時，pre-SMA的活化可能會增加，演奏樂器時也會更有音樂性。
有關音樂的認知神經科學研究，在教育與臨床上深具應用潛力，期待未來能有更多的跨領域交流，讓音樂活動更符合人性，同時也讓認知神經科學研究更貼近生活。

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[1] 這些音樂也是這些受試者將要學習的音樂，總共有四段，每一段有五個音。

[2] 引文中譯出自本文作者。

[3] 引文中譯出自本文作者。