第二章 文獻探討
第四節 音感與大腦聽覺、腦波之相關研究
一、腦波之理論與研究
大腦是人類思考與動作的中樞，它不僅掌管人類學習的認知運作，更涵蓋情緒 的控制與各種粗大及精細動作間的協調運用。人腦中有許多的神經細胞在活動著，
因此不時的會產生電流脈衝。也就是說，人腦中有電氣性的擺動存在，而這種擺動 呈現在科學儀器上，看起來就像波動一樣，而腦中的電氣性震動則稱之為腦波。
一般認為，從頭皮上所測量到的腦波來源，即發生在神經連接點，因神經訊息 傳遞所產生的後突觸電位（陳珮昀，2004）。以下分別探討腦波定義與來源、腦波 之性質、腦波之量測與紀錄以及腦波分析方法，作為腦波實驗測量之理論依據。
（一）腦波之定義與來源
腦波早在1875年，英國利物浦的生理學教授 Richard Caton 首度從兔子的大腦 皮質表面紀錄到記錄到一種電波，並記錄其腦部生理的變化，進而探討大腦皮質 區之功能，成為後來神經診斷學中誘發電位（Evoked Potential）發展的基礎。直至 1929年，一位德國精神科醫師 Hans Berger，發現在人類完整的頭蓋骨上紀錄 到 相 同 電 氣 活 動 ， 這 是 首 次 發 表 人 類 的 腦 波 記 錄 ， 並 命 名 為 腦 電 波 圖
（Electroencephalogram），簡稱EEG，此後腦波即開始被應用在醫學的領域（林 威志，2005）。
腦波是測量大腦皮質的電流，大腦皮質的電流是發生在細胞外的電流，是細 胞群與其細胞群之間的電位差形成的。大腦皮質由密集的神經元（Neuron）組成，
人類的大腦皮質每一立方公釐（mm3）約有一萬個神經元，估計整個大腦有一百多 億個神經元，另一個電極在頭皮上或大腦的表面，電極之偵測範圍約可涵蓋數億 個細胞，電極記錄到的電波就是這些細胞的活動表現在細胞外之電流（陳美香，
2005）。
腦電波可由 EEG 或 MEG 來測量，大腦由神經元（Neuron）所組成，上億個 神經元組成龐大的網絡，主宰著人的記憶、人格、感情、思想、五觀觸覺、活動 能力等，網絡中不同的部位有不同的功能，如前額（Frontal Cortex）主宰感情和集 中力。神經元以電流傳遞信息（Nerve Impulse），但電流太弱時，隔著頭骨不能被 測量，使用腦的時候，神經元就會以同一頻率傳遞信息，例如集中精神時，前額 的神經元就會以同一頻率傳遞信息（Synchronised Activity），此時形成的電流較強 而能夠被機器所測量，此即 EEG 與 MEG 運作之原理。而經由 EEG 與 MEG 測 量所得的腦部活動便稱為腦電波，簡單來說，腦電波就是腦部活動的副產品，是 腦部活動所產生的電流（〈人腦,第四章-腦電波〉，2009）。
（二）腦波之性質
腦波主要反映出大腦皮質的電位反應，一般腦波研究者所關心的頻率範圍約 在 30Hz 之內，依照一般腦波頻帶定義範圍，由低頻至高頻排列可分為四種，分別 為 Delta 波、Theta 波、Alpha 波、Beta 波及 Gamma 波等（Wikipedia, 2010；陳威 宏，2004；張麗瓊譯，2005；林威志，2005）。每種腦波各具有不同的意義與特性。
頻段 （頻率Hz） 波型 狀態
2. 國際10-20 制電極位置標定法
大腦的區域很大，須使用很多的電極才能涵蓋整個頭顱，為了使電極能均勻 分佈在頭皮上，通常都是依據國際 10-20 制系統定位（International 10-20 System）， 如圖 2-4-1。
圖 2-4-1 腦部電極位置俯視圖（N. Schaul, 1998）
國際10-20黏貼電極的方法使用了21個電極，19個電極均勻的分佈在頭皮上，
再加上兩側的耳電極。電極位置的代碼用英文字母與數字組合而成，如表2-4-2。
表 2-4-2 國際 10-20 制電極位置之中英文名稱
電極數字 國際化之代號 名稱
左 右 左 右
1 2 FP1 FP2 額極 Frontal Pole
3 4 F4 F3 額 Frontal
5 6 C3 C4 中間部 Center
7 8 P3 P4 頂葉部 Parietal
9 10 O1 O2 枕葉部 Occipital
11 14 F7 F8 前顳 Anterior Temporal
電極數字 國際化之代號 名稱
13 16 T3 T4 中顳 Middle Temporal
17 18 T5 T6 後顳 Posterior Temporal
19 Fz 額中央 Midline Frontal
24 Cz 中央點 Midline Central
20 Rz 頂中央 Midline Parietal
11 12 A1 A2 耳 Auricular
資料來源：陳美香（2005）
電極點的距離是依照頭的結構來標記定位，這些標記有鼻根（Nasion）以及頭 後部的枕骨隆突（Inion），頭的兩側標記則有耳前乳突（Mastoid），由鼻根到枕 骨隆突的中線和兩側耳前乳突的線的垂直交點即為Cz 點，每個電極點的距離都是 依據頭圍縱橫長度10%或20%的比例做分隔距離，其比例的計算及電極點可由圖 2-4-2表示（圖2-4-2是由美國腦電學會Sharbrough 重畫，1991）。
每個電極點都用字母與數字組合來表示，第一個字代表意思為A＝耳垂，C＝
額葉中央溝，P＝頂葉，F＝額葉，Fp=額前葉，T＝顳葉，O＝枕葉。第二字如果 是數字，則偶數代表位於右大腦，奇數代表位於左大腦；如果是Z，則表示點極點 位於鼻根到後枕凸隆的中線上。此法要點說明如下：
1. 頭部縱線，以鼻跟（Nasion）和枕骨隆突（Inion）之間作為基點，將兩位 置間的全部距離分為 10%、20%、20%、20%、20%與 10%等 6 部分（5 個電極配置點），名稱依序為 Fpz、Fz、Cz、Pz、和 Oz。
2. 頭部周線以鼻跟（Nasion）和枕骨隆突（Inion）之間作為基點，分為左半 部與右半部周線（如圖2-4-2）。將兩點位置間的全部距離分為10%、20%、
20%、20%、20%與10%等6個部分（5個電極配置點），以右半部來看從鼻 跟至枕骨隆突間的5個電極配置點依序為 Fp2、F8、T4、T6 和O2，左半
部則依序為 Fp1、F7、T3、T5 和O1。
3. 頭部橫線，以左右兩耳的耳前點（Pre-Auricular）之間作為基點，兩位置 間的全部距離分為 10%、20%、20%、20%、20%與 10%等6個部分，由 左而右名稱依序為T3、C3、Cz、C4 和T4。
圖 2-4-2 國際 10-20 制系統定位（由美國腦電學會 Sharbrough 重畫，1991）
美國腦電學會（America Electroencephalographic Society）在 1991 年對國際 10-20 制系統定位加以擴充，公布命名新的電極點系統標準位置（圖 2-4-3），此項 修訂對於多頻道的腦波記錄、量化研究的標準，產生很大的助益（American EEG Society, 1991）。
圖 2-4-3 美國腦電學會修訂命名之新電極系統標準
3. 電極連接與組合範式
電極連接與組合有兩種方式即單極（Monopolar）誘導與雙極（Bipolar）誘導 法，一般典型的參考電極點都是以耳垂或耳後隆突做為基準電極的黏貼部位。說 明如下：
（1） 單極誘導又稱為參考極之連接組合（Referential Montage），即對基準電極部 位導出活性電極的方法，其使用一個探查電極（C3 或 C4）和一個參考電極 黏貼固定於頭皮表面，使用探查電極與參考電極之相對值作為比較，故能 獲得最大的腦波振幅。
（2） 雙極誘導又稱為差異法之連接組合（Differential Montage），及把頭皮上兩 個活性電極部位間腦波的電位差經腦波計增幅後記錄下來的方法其使用兩 個探查電極（C3 與 F3 或 P3）和一個參考電極黏貼固定於頭皮表面，兩探 查電極皆能反應腦波訊號，故腦波振幅較小（阮致維，2005）
（四）腦波分析方法
目 前 較 普 遍 的 腦 波 分 析 方 式 可 以 分 為 頻 率 域 分 析 （ Frequency Domain Analysis）和時間域分析（Time Domain Analysis）兩種。頻率面分析以頻譜分析
（ SpectralAnalysis ）為 代表 。頻譜 分析 是利 用快速 傅立葉 轉換 （Fast Fourior Transformation, FFT）將去除雜訊後的腦波轉換，分解成以頻率為橫軸，功率為縱 軸的頻率功率圖（Spectral-Power Plot），並以絕對或相對功率表現出。絕對功率
（Absolute Power）代表的是所選的每一頻率帶的平均功率（Mean Power）；而相 對功率（Relative Power）代表的是所選的頻率帶與總功率（Total Power）的關係。
因為不同的頻率代表著不同的心理狀態，比較某段頻率功率差異將可以推測其腦 部活動差異（陳美香，2005）。
時間域的分析則是以時間為橫軸，振幅為縱軸的分析，其中又以事件相關電 位（Event-Related Potential, ERP）為代表。ERP 是腦波的一種，它是經由內在事 件或外在事件刺激所誘發（Evoked）的腦電位波形變化，ERP 一般是用來研究大 腦處理刺激至反應認知過程的活動狀況（Cacioppo & Tassinary, 1990）。通常 ERP 是藉由測量某一段的波峰（Peak）的振幅高度（Amplitude）和潛伏時間（Latency）
以推測大腦處理該刺激的流程（引自陳美香，2005）。
三、音感與聽音能力、大腦相關研究
（一）音感聽音能力發展之相關研究
對大部分的兒童而言，聽音能力的建立是源自有順序的、前後連貫的方式作漸 進且連續改變的過程，來自於個體年齡生理與心理的發展及經驗的累積（Hargreaves, 1986）。因為音高、音程為曲調旋律結構之元素，因此研究者依據曲調結構基本特徵 及感知特徵，探討有關聽音能力發展之相關研究，共分為三個部分；首先探討「音高」
聽音能力發展之相關研究，再來探究曲調線條輪廓中「音程」聽音能力發展之相關研 究，最後再探究相關影響聽音能力發展之相關因素，以作為測驗工具內容之參考。
1. 「音高」聽音能力發展之相關研究
許多學者（e.g., Bower & Hilgard, Espinoza-Varas & Watson）皆認為，對曲調 的感知能力是依據曲調基礎的組織原則 （例如音的方向、單一音高等），而Holahan
（2000）基礎的組織原則是建立在「音高」的認知結構上（引自李君儀，2004）。
大部分學者透過研究後指出，嬰兒很早便能對音的頻率高低作出反應（Kessen, 1979），且嬰兒期後，聽覺系統逐漸朝向低頻率發展。其次，亦有許多學者進一 步針對「音高」聽音能力發展的年齡階段提出說明。Taylor（1987）提出辨別「音 高」的最佳發展時期在六至九歲之間；Sims（1995）的研究則指出兒童在七至九 歲達到此項能力發展的高原期；Shuter-Dyson （1981）的觀點與Sims 相同，並認 為此時期能力的發展是九歲至十九歲的兩倍，而十二歲前是發展此項音樂能力的 最好時機，之後的發展會隨年齡增加而逐漸減緩，發展的最好時機正是我國國小 的音樂教育階段。程緯華（1997）透過圖片法的輔助後得知，兒童辨別音高的能 力發展甚早，並推測應該是在學前階段就已開始，並在國小一至五年級的階段中 緩慢發展，但直至六年級才與一年級達到顯著差異。
Drexler (1938) 指出在辨別不同「音高」時，兩個音之間的音程越寬，對兒童 而言較容易，年齡越小的兒童，應選用越寬的音程來引導辨別「音高」的聽音能 力發展，且隨著年齡的增加，再逐漸使用較窄的音程。參考歸納後的結果顯示，
國小高年級兒童約能分辨1/10音左右的相異音高（引自李君儀，2004）。
參考Dowling (1982)、Campbell 和 Scott-Kassner （引自吳世玲，2000：13-14）
等人的感知曲調特徵發展階段後亦說明，「音高」聽音能力發展的起點最早。
Sergeant 與 Boyle (引自Hargreaves, 1986：84-85) 針對辨別「音高」中因測驗結構
Sergeant 與 Boyle (引自Hargreaves, 1986：84-85) 針對辨別「音高」中因測驗結構