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暴走的菠萝蜜 · 公众号 · · 2024-07-04 01:20

正文

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《 Cross-frequency coupling explains the preference for simple ratios in rhythmic behaviour and the relative stability across non-synchronous patterns》

分享者‍：刘雅雯

原文‍ 作者： Dobromir Dotov ，Laurel J. Trainor

发表来源：《Philosophical Transactions of the Royal Society B》（《英国皇家学会哲学汇刊 B-生物科学》生物学1区，2021年）

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/阅读疑问/

论文试图解决什么问题？

在节奏行为中，为什么人们更倾向于选择简单的比例，以及这些简单比例背后的动力学原理。通过研究双手配合过程中的相位稳定性与复杂性之间的关系，作者探讨了跨频率耦合振荡器模型是否能捕捉这些复杂性约束。

这是否是一个新的问题？

非全新的问题，因为之前已有研究关注过这一主题，但本论文提供了新的理论框架和实验证据，以解释这一现象。

这篇文章要验证一个什么科学假设？

双手协调的相位遵循隐性的交叉频率耦合动力学约束，即使行为是同频的。

有哪些相关研究？如何归类？

相关研究：

Cross-frequency coupling explains the preference for simple ratios in rhythmic behaviour and the relative stability across non-synchronous patterns
Discrimination and Generalization of Rhythmic and Arrhythmic Sound Patterns

归类方式：

节奏行为的复杂性与稳定性研究
节奏与非节奏声音模式的辨别与泛化研究

论文中提到的解决方案之关键是什么？

使用交叉频率耦合振荡器模型来捕捉这些复杂度约束，并将模型应用于不同任务，例如人们在与一只手重复三个间隔节奏同步时，他们的敲击行为会被吸引到与小整数关系相关的节奏中。

论文中的实验是如何设计的？

研究目的： 本研究旨在探讨双手协调的相位稳定性及其与比例复杂度之间的关系。通过实验，研究人员试图测量双手敲击的稳定性，并探讨跨频率耦合模型是否能捕捉这些复杂度约束。
实验对象：实验涉及的参与者是成年人，他们在远程环境下进行实验。
实验过程： 实验分为两部分：同步阶段和继续阶段。（1）同步阶段：参与者根据耳机中的声音指令，用主导手和次要手轮流敲击。声音指令包含两个音调，分别对应主导手和次要手。参与者需要在给定的相位偏移下完成敲击。（2）继续阶段：在这个阶段，次要音调不再响起，但参与者需要继续进行敲击。主导音调的节奏会逐渐加快，以破坏敲击模式。
结果： 实验1的结果显示，敲击相位的分布呈现出幂律关系，表明敲击更容易吸引到由简单比例描述的相位上。实验2的结果部分同意假设，检测阈值与比例复杂度呈负相关关系，而敏感度则与比例复杂度呈正相关关系。模拟结果表明，跨频率耦合模型可以解释双手敲击任务中观察到的结果，并捕捉到以前报道的音乐节奏任务中的特权简单比例关系。

用于定量评估的数据集是什么？

用于定量评估的数据集来自于两个实验。实验1涉及双手配合，每个手每周期敲击一次；实验2涉及单手重复敲击三次间隔节奏。

论文中的实验及结果有没有很好地支持需要验证的科学假设？

论文中的实验及结果在一定程度上支持了需要验证的科学假设。实验1的结果显示，与刺激比例复杂度相关的变异性增加，这与理论预测相符。然而，关于检测阈值与比例复杂度之间关系的简单线性回归分析没有发现显著关联。实验2的结果部分地支持了假设，因为检测阈值与复杂度水平之间存在显著关联，但关于敏感性参数与复杂度水平之间关系的效果则不显著。

这篇论文到底有什么贡献？

提出了一种理论假设，即双手协调的相位遵循隐式CFC动力学的约束，即使行为是同频的。
通过实验量化了双手拍击的稳定性，探讨了CFC振荡器模型是否能捕捉这些复杂性约束。
将模型方法应用于不同任务，即在被要求与一只手配合重复三个间隔节奏时，人们的拍击行为倾向于遵循小整数关系的节奏。
发现CFC模型可以解释实验中观察到的拍击相位的分布特性，并捕捉到具有低整数比的吸引状态。

下一步有什么工作可以继续深入？

研究不同动力学领域的CFC及其与各种行为现象之间的关系。
探讨神经动力学中的CFC现象与节律行为之间的关联，以及CFC是否作为神经动力学的低级先验。
对音乐节奏行为的多样性进行更深入的研究，以揭示经验和文化背景对节奏行为的影响。
探索其他可能影响节奏行为的因素，如音乐经验、文化背景和认知过程。

/研究关联/

领域关联

都关注的是音乐节奏和双手协调性，本文研究了节奏行为中的频率耦合，而个人研究则关注古筝演奏中的双手协调能力，这两者都是对复杂运动控制和时间感知的研究。

理论研究关联

本文提出了频率耦合（cross-frequency coupling）理论，解释了简单比例节奏的偏好。这一理论可以帮助理解古筝演奏中的节奏稳定性和双手协调性，例如为何某些节奏模式更容易掌握和保持稳定。本文与个人研究都涉及到时间感知（temporal perception）和运动控制（motor control）的研究。通过理解频率耦合在节奏中的作用，可以更好地设计古筝演奏中的协调训练方法，提高演奏者的节奏稳定性和双手协调能力。

判断方法关联

在本文中，通过测量参与者对不同节奏模式的反应来判断其节奏偏好和稳定性。这种方法可以借鉴到古筝演奏的研究中，通过测量演奏者在不同节奏和协调任务中的表现来判断其训练效果。通过设计合理的实验任务，可以更好地评估古筝演奏者的协调能力和训练效果。

训练方法关联

本文并没有涉及特定的训练方法，而是关注于理论模型和实验设计。然而，通过对双手协调性的研究，本文为进一步开发有针对性的训练方法提供了理论依据，提供了对节奏行为的深入理解，这可以应用到古筝演奏的协调训练中。例如，可以设计基于简单比例节奏的训练任务，帮助演奏者提高节奏感和双手协调性。同时，也可以将频率耦合理论应用到古筝演奏的训练中，通过训练演奏者在不同节奏模式下的频率耦合能力，提高其节奏稳定性和协调性。

实验设计关联

本论文与个人研究的实验设计都涉及到对参与者行为的测量、数据的收集与分析。例如，可以设计类似的实验任务，让古筝演奏者在不同节奏模式下进行演奏，测量其表现并分析其频率耦合情况。可以借鉴本文论文中的数据分析方法，对古筝演奏者的表现数据进行频率分析和耦合分析，了解其节奏稳定性和协调能力。

/基本介绍/

研究问题：

为什么在节奏行为和非同步模式中，人们更倾向于选择简单比率，以及这种偏好是否与跨频率耦合（CFC）动力学相关。通过进行双手敲击实验，作者发现了一个理论假设，即双手协调的相位遵循隐性CFC动力学约束，即使行为是同频的。实验结果表明，比率复杂度与敲击准确性和可变性相关，这与跨频率耦合理论相一致。

研究方法：

双手敲击实验：参与者按照指定的相位关系进行双手敲击。实验分为同步阶段和延续阶段。在同步阶段，参与者与导向音符保持一致；在延续阶段，参与者尽力保持所学习的相位关系。
跨频率耦合模型：本研究使用了跨频率同步的最小数学模型——相位吸引圆环映射。该模型与实验任务中的行为结果进行了对比，以检验其能否再现双手敲击相位任务中的结果。
迭代节奏实验：参与者按照给定的节奏敲击三个间隔。实验分为五个阶段，每个阶段包含十次重复的节奏。在实验过程中，参与者需要保持所学习的节奏。

研究结论：

实验结果表明，相位的复杂性与敲击的稳定性呈负相关。同时，通过阶段吸引圆圈图模型（phase-attractive circle map）对实验数据进行建模，发现该模型能够定性地再现实验中观察到的结果，即敲击相位的可变性随驱动频率Ω（Ω = p : q）的比率复杂性的增加而增加。此外，该模型还能捕捉到以前报道的在重复三个间隔节奏任务中，人们的敲击行为倾向于选择与小整数比关系的节奏。这些结论表明，跨频率耦合模型能够解释为什么简单比率在节奏行为中具有优先选择性。

/阅读分析 /

数据来源：

实验数据：文章中的实验涉及到的数据是由作者进行的两个实验（实验1和实验2）得到的，这些实验旨在研究双手敲击的稳定性以及小整数比例在节奏行为中的偏好。
模型数据：文章还提出了一个跨频率耦合模型，用于解释双手敲击任务中的稳定性以及小整数比例偏好。该模型的数据来自模拟实验，其参数空间通过改变耦合强度（K）和二次耦合项（A）进行探索。

方法借鉴：

跨频耦合模型：该模型用于解释节奏行为中的稳定性，以及为什么简单比率在节奏行为中更容易被选择。
分析双手协调任务中的相位稳定性：通过量化双手敲击任务中的相位稳定性，可以预测一系列相位的稳定性，而不仅仅是两个经典情况。
描述相位稳定性的理论驱动度量：这一度量基于比率（或相位）的复杂性，假设复杂性与双手敲击的稳定性呈负相关。
将模型应用于不同任务：在被要求与一只手敲击重复三段节奏时，人们的敲击行为受到小整数比关系的吸引。
相位吸引圆环图（Phase-attractive circle map）：这是一种最小的跨频耦合模型，用于研究节奏行为中的相位稳定性。

概念解析：

双手协调（Bimanual Coordination）：指的是两只手在进行节奏性动作时的协调。研究中通过让参与者在每个周期内轮流敲击一次左右手，观察双手协调的稳定性。
相位（Phase）：在节奏性行为中，相位是指两个周期性过程之间的时间差。在双手协调任务中，相位可以表示为领导手与次级手之间的时间差。
相位复杂度（Phase Complexity）：相位复杂度用于衡量相位的复杂程度，通常通过费尔里数（Farey Tree）来表示。费尔里数是一种树形结构，其中每个节点表示一个有理数，低级别的节点表示较简单的相位，高级别的节点表示较复杂的相位。
跨频率耦合（Cross-Frequency Coupling，CFC）：指的是在不同频率的过程之间的相互作用。在双手协调任务中，跨频率耦合可以解释为何简单的相位更容易被人们所执行。
费尔里树（Farey Tree）：费尔里树是一种树形结构，其中每个节点表示一个有理数。费尔里树常用于描述跨频率耦合振荡器模型，通过表示不同级别的相位复杂度。
重复节奏（Iterated Rhythms）：指的是在一个重复过程中的节奏。在本文中，研究者通过让参与者在每次试验中对一个具有三个时间间隔的节奏进行重复敲击，来观察人们对简单整数比的偏好。

技术路线图：

/研究启示 /

课题启示：

通过将相位表示为周期的比值，提出了一种度量复杂性的方法，揭示了非同步模式中的相对稳定性。
双手敲击任务中，发现了与比值复杂度相关的可变性增加，以及一系列隐性但可测量的模式。
提出了一种基于分级交叉频率耦合（CFC）的解释，使用相位吸引圆图对这些发现进行了解释。
还考虑了文献中报道的单手重复敲击三个间隔节奏的趋向于小整数吸引子的趋势。

作者证明效果：

在双手敲击任务中，发现了与比值复杂度相关的可变性增加。
观察到一系列隐性但可测量的模式，以及与比值复杂度的关系。
使用相位吸引圆图对这些发现进行了解释，揭示了交叉频率耦合（CFC）在这些现象中的作用。

研究参考：

实践参考

训练任务设计：基于该论文的研究结果，可以设计出有效的古筝双手协调训练任务。例如，采用简单比例的节奏模式，逐步增加复杂度，帮助演奏者逐步提高协调能力和节奏感。
反馈机制：论文中对节奏偏好和稳定性的研究可以帮助设计反馈机制，通过实时反馈演奏者的表现，帮助他们调整和优化自己的演奏，提高训练效果。

应用实例

节奏稳定性训练：利用频率耦合理论，设计一些特定的节奏练习，帮助古筝演奏者在演奏过程中保持节奏稳定性。这种练习可以包括单手和双手的不同节奏组合，逐步提高难度。
双手协调训练：设计基于简单比例节奏的双手协调练习，通过逐步增加复杂度，提高演奏者的双手协调能力。例如，可以从基本的2:1、3:2等简单比例开始，逐步过渡到更复杂的比例。

/讨论 /

实验设计和数据收集方面的局限性：在实验2A和2B中，为了在合理的时间内采样广泛的相位关系和偏差，每个刺激级别的样本数量较少。这导致在实验2A中无法为每个参与者拟合心理度量曲线，而只能计算总体正确率。此外，还剔除了低于90°的刺激相位的试验，因为在这些相位下响应具有不规律性。
结果部分的不一致性：实验2A和2B的结果部分验证了假设，但在一定程度上是不一致的。在实验2A中，简单线性回归未发现检测阈值与比率复杂度之间的关联，而敏感度幅度与复杂度呈负相关。实验2B中，线性混合效应模型表明阈值与复杂度水平之间存在关联，而正确检测与复杂度水平之间呈负相关。
对CFC模型的解释：尽管CFC模型在某种程度上可以解释实验结果，但它仍然有局限性。例如，实验结果表明，在高复杂度水平上，观察到的多模态现象与模型的预测不完全一致。更多的研究仍需要关注不同动态调制的CFC及其与各种行为现象的关系。
对神经动力学的探讨：虽然本研究提供了关于CFC在节奏行为中的作用的理解，但对于神经动力学的相关现象仍然需要进一步的探讨。例如，在神经动力学中，是否存在与CFC相关的低级先验以及它们如何影响节奏行为仍有待阐明。

/涉及其他文献 /

[1] HULSE StewartH, HUMPAL J, CYNX J. Discrimination and Generalization of Rhythmic and Arrhythmic Sound Patterns[J]. 2016.（有节奏和无节奏声音模式的辨别和归纳）

[2] LARGE E W, JONES M R. The dynamics of attending: How people track time-varying events.[J/OL]. Psychological Review, 2005, 106(1): 119-159. （参加活动的动力：人们如何追踪时变事件）

[3] VAN NOORDEN L, MOELANTS D. Resonance in the Perception of Musical Pulse[J/OL]. Journal of New Music Research, 1999, 28(1): 43-66. （音乐脉搏感知中的共振）