钢琴家的大脑有何不同？
源自腾讯视频
#引言#
人类大脑由左脑和右脑两个部分组成，称为大脑左、右半球（图1），两半球前后完全分开，中间由白质纤维束胼胝体连接。看上去左右半球长得很对称，像是互相在照镜子。然而，它们实际上并非对称的，在结构和功能上有着诸多不同。
图1. 大脑半球示意图
大脑功能、结构不对称性会随着年龄变化而发生改变。例如，儿童发育时期大脑对语言加工的不对称性逐渐增加，即左侧对语言加工的优势越加明显，而右侧功能逐渐减弱 (Olulade,et al. 2020)（图2）。同样的，大脑中央沟的结构因与惯用手的使用密切相关，在青年时期表现出明显的不对称性。
图2. 每个年龄段的个体语言加工大脑激活示例图
图片来源：Olulade, et al.2020
然而，有研究表明，成年后随着年龄的增长，大脑半球的不对称性逐渐减弱或者表现为相反的不对称性（图3），其原因是在衰老过程中，神经元死亡和神经元之间突触连接减少等原因导致皮层逐渐变薄，而20岁时表现为较厚的半球往往皮层变薄速度更快，这种变化过程在阿尔兹海默病人中尤其明显 (Roe, et al. 2021)。
图3. 大脑皮层厚度不对称性变化示意图
高于0点大脑左半脑皮层更厚，低于0点大脑右半球皮层更厚
图片来源：Roe, et al. 2021
因此，大脑功能、结构的不对称性变化可能是衰老或疾病的标识，而减缓这种不对称性变化的发生可能对延缓衰老、预防疾病起到一定作用。
虽然目前的研究还未能证实人类在成年以后大脑皮层的神经元是否能够再生，但是大脑的可塑性在成人中确有发生。例如，神经元间突触连接的数量可通过后天的认知、音乐、运动训练等而增加。钢琴家这一特殊人群，由于长期双手弹奏钢琴，对非惯用手进行了大量运动训练，因此是研究后天训练对大脑可塑性的绝佳人选。
过去的研究发现，人类大脑中央沟这一结构与惯用手的使用密切相关，其不对称性随着年龄增加而增加，但随着长期双手使用和训练而减少。尸检及MRI影像研究均证实了中央沟的不对称性在左、右利手人群中的存在显著差异，左利手人群表现为右侧优势，而右利手人群表现为左侧优势。钢琴家因长期双手弹奏钢琴，对非惯用手进行了大量的运动训练，对这一人群的研究，可以进一步探索后天长期使用非惯用手是否会改变中央沟的不对称性。因此本研究旨在利用钢琴家这一特殊人群，来探讨非惯用手的使用与大脑中央沟形态学的可塑性和不对称性之间的联系。
#方法#
本研究招募了15名常年接受钢琴训练的钢琴家，和14名不擅长使用乐器的健康对照，所有参与者均为右利手，两组人群在年龄、性别和利手量表评分上没有显著统计学差异。采集了受试者3D-T1磁共振结构图像，并运用BrainVISA工具包分析受试者左右大脑中央沟深度（depth），长度（length），表面积（surface area）以及相邻脑回的平均厚度（thickness）等4种指标，并计算4种指标的不对称指数。采用单因素多元方差分析（one-way MANCOVA）探索4种指标不对称指数的组间差异，其中不同分组为被试间因素，大脑左、右半球为被试内因素。协方差分析（ANCOVA）和T检验作为事后检验确定统计差异的来源，Bonferroni校正后P < 0.05视为具有统计显著性。
#结果#
中央沟4种形态学指标的不对称指数存在显著组间差异，且组间差异主要来自于中央沟表面积，而其他指标没有显著差异，并且钢琴家的大脑中央沟表面积更倾向于呈现两侧对称的模式，而普通人中央沟表面积则呈现左侧优势的不对称性（图4）。
图4. 四种形态学指标的不对称指数组间比较
*代表存在显著的组间差异
中央沟表面积具有显著的组间×左右半球交互效应，其原因是普通人左侧中央沟表面积显著大于右侧，而钢琴家的双侧中央沟具有相似的表面积，且钢琴家的右侧中央沟表面积显著大于普通人，两组人左侧中央沟表面积无显著差异（图5）。
图5. 左右大脑半球中央沟深度、长度、表面积和皮层厚度在钢琴家和对照中的分布
*P<0.05，***P<0.001，误差条代表标准差
#讨论#
本研究发现与大脑结构具有不对称性的结论一致，然而钢琴家因为长期的双手弹琴练习导致大脑中央沟的结构不对称性消失。结果支持大脑结构具有可塑性，即通过后天训练的大脑结构可发现改变，这一发现有希望在运动康复科学领域的研究和临床应用中推广。
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Mansky, R., et al. (2020) Playing a musical instrument is associated with slower cognitive decline in community-dwelling older adults. Aging Clin Exp Res 32(8):1577-1584.
Olulade, O. A., et al. (2020) The neural basis of language development: Changes in lateralization over age. Proc Natl Acad Sci U S A 117(38):23477-23483.
Roe, J. M., et al. (2021) Asymmetric thinning of the cerebral cortex across the adult lifespan is accelerated in Alzheimer's disease. Nat Commun 12(1):721.
Romeiser, J. L., D. M. Smith, and S. A. P. Clouston (2021) Musical instrument engagement across the life course and episodic memory in late life: An analysis of 60 years of longitudinal data from the Wisconsin Longitudinal Study. PLoS One 16(6):e0253053.
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