王小勤：人類是唯一能夠感知音階變化的生物嗎？
王小勤，約翰·霍普金斯大學(xué)終身教授，清華大學(xué)兼職教授,生物醫(yī)學(xué)工程系主任,國家“千人計(jì)劃”入選者。
前言：
3月19日，《知識(shí)分子》舉行了首期“科學(xué)+X”跨界對(duì)談公開課，主題為“音樂與大腦”。約翰·霍普金斯大學(xué)終身教授王小勤在主講報(bào)告中，從大腦如何處理音樂、大腦與音樂的關(guān)系等角度進(jìn)行專業(yè)解讀。以下為演講實(shí)錄，略有修訂。
演講 | 王小勤（約翰·霍普金斯大學(xué)終身教授、清華大學(xué)兼職教授）
整理 | 鄧志英
責(zé)編 | 徐可
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大家好！今天很高興有機(jī)會(huì)和大家分享神經(jīng)科學(xué)在音樂和音樂研究方面的基本知識(shí)。剛才大家聽到周老師的精彩演講，很重要的一點(diǎn)是音樂和人類感情的關(guān)系。音樂本質(zhì)上是一個(gè)聽覺現(xiàn)象，不是從圖畫上看到的，而是聽到的。我本人是研究聽覺系統(tǒng)的聲音科學(xué)家，研究興趣和音樂有關(guān)，我今天接著講活動(dòng)的第二部分，音樂與大腦的關(guān)系。
目前來看，科學(xué)研究對(duì)于大腦如何處理音樂還是剛剛才開始，還不很全面。有些觀眾問，為什么研究音樂和大腦的關(guān)系？周老師講得很好，音樂說到底是調(diào)整我們?nèi)说那榫w、內(nèi)心心理的問題。從神經(jīng)科學(xué)角度來講，這就是大腦在工作。
這個(gè)圖是桂林山水甲天下，我在國外很多地方做報(bào)告，把這個(gè)圖放給大家，大家都說很美。這跟周老師講的有一點(diǎn)相似，在音樂上也存在這種很廣泛的美。
從神經(jīng)科學(xué)角度講，我們?yōu)槭裁磿?huì)喜歡聽音樂？不光中國人，歐美、非洲、印度，全世界的人有一個(gè)共性，我們都喜歡聽音樂，為什么？不要音樂也能生存，為什么要聽音樂？音樂的美感是怎么產(chǎn)生的？從神經(jīng)科學(xué)角度去問，為什么有些聽了很美，有些不美呢？
圖中最左邊是人的大腦的輸入，就是耳朵。我們聽音樂或者馬路上的噪聲，都經(jīng)過耳朵的。所以從神經(jīng)科學(xué)角度講，第一步，在回答為什么音樂會(huì)引起感情之前，我們需要知道為什么大腦知道聽到的是音樂，而不是噪聲或者是雜亂無章的聲音？當(dāng)音樂信號(hào)和非音樂信號(hào)進(jìn)入聽覺系統(tǒng)時(shí)，聽覺系統(tǒng)應(yīng)該有一個(gè)處理方式，這是不需要后天學(xué)習(xí)的，可以自動(dòng)區(qū)分開。大腦把音樂送到負(fù)責(zé)感情的區(qū)域，使得我們產(chǎn)生相應(yīng)的感情。從這個(gè)角度來講，處理音樂的大腦系統(tǒng)，最終還會(huì)影響我們怎么“生產(chǎn)”音樂。作曲家作曲的時(shí)候是有一定規(guī)律的，能夠預(yù)期到聽眾會(huì)有什么感覺。從這個(gè)意義來講，大腦處理聽音樂的方式，最終和作曲家作曲的方式是連在一起的。
從科學(xué)角度講，為什么我們對(duì)音樂有愛好呢？這是幾年前的研究，研究者找了一群美國大學(xué)生，讓他們聽和諧音、不和諧音并打分。左邊的圖縱坐標(biāo)，高就是喜歡，低就是不喜歡。最后得出的結(jié)論很清晰，大學(xué)生們更喜歡和諧音。讓在座聽眾參與研究應(yīng)該能得到一樣的結(jié)果。
那為什么大家會(huì)喜歡這個(gè)東西呢？這就要回到音樂的聽覺本質(zhì)上。聽覺上最簡單的信號(hào)是純音，就是一個(gè)音叉發(fā)出的聲音一樣，正弦波，這還說不上音樂的。什么是音樂？我下一張圖給大家看。
這是一個(gè)音樂的三維圖，頻率、時(shí)間、強(qiáng)度。如果把音樂與純音相比，純音就是現(xiàn)在圖中的一條紅線，非常簡單。但是整個(gè)音樂包含著豐富的信息。那么從神經(jīng)科學(xué)角度講，我們的問題是大腦怎么把里面的信息提出來，以至于最終能夠產(chǎn)生感情？
要做這個(gè)問題，可以把音樂分得更細(xì)，這里用一段人類語言做例子，但和音樂是類似的。音樂里面由慢到快地過渡，現(xiàn)在給大家畫的最上面是比較慢的。同樣一段音樂和語言，最慢的是韻律，稍微快一點(diǎn)的是音調(diào)，再快一點(diǎn)是音色。從數(shù)學(xué)角度來講，音樂從快到慢是可以逐步描述的。
聽覺系統(tǒng)第一步能夠聽到聲音，是因?yàn)槎淅锩嬗幸粋€(gè)結(jié)構(gòu)，叫做耳蝸。耳蝸里有一些細(xì)胞，任何聲音能夠被聽見，首先都要經(jīng)過這一步。
這一步做什么？做兩件事情，第一個(gè)，把聲音轉(zhuǎn)換成神經(jīng)電信號(hào)。耳蝸里面有很多細(xì)胞，叫做內(nèi)毛細(xì)胞，這種細(xì)胞在有聲音刺激振動(dòng)的時(shí)候產(chǎn)生電活動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生細(xì)胞輸入、聲音電位，這就是所謂的動(dòng)作電位——沒有學(xué)過的，可以理解為電門沖撞——最終輸入大腦。所以能不能聽見聲音，是從耳蝸開始的。有些兒童失聰，就是因?yàn)榈谝徊竭@個(gè)地方壞掉了。
還有一步，怎么知道聽見的是低音還是高音呢？把耳蝸打開，會(huì)有頻率在里面響，人的聽覺系統(tǒng)就是在這個(gè)地方定音樂的高和低的。這里因?yàn)槠餍嫡駝?dòng)問題，從左到右，聲音從高到低一字排開，就像一個(gè)鋼琴鍵盤?？梢哉f，人的耳朵是大自然通過進(jìn)化產(chǎn)生的一個(gè)鋼琴鍵盤。
當(dāng)你在低音鍵上敲一個(gè)聲音的時(shí)候，是在右邊反映。如果在高音鍵上敲一個(gè)聲音，是在左邊反映。那么音樂是什么位置反映呢？音樂是很多鍵盤同時(shí)在敲的，所以音的高低是從這個(gè)地方開始的。但是這僅僅是第一步，而當(dāng)我們大家說大腦聽見聲音，聲音已經(jīng)從耳朵經(jīng)過5到7步處理。
左下角，就是耳朵后面的結(jié)構(gòu)，耳蝸，高音和低音由此分立，接下來經(jīng)過好幾級(jí)——這是一個(gè)解剖圖——由聽神經(jīng)、耳蝸神經(jīng)核逐漸走上去，走到一個(gè)位置叫做下丘，再由丘腦最終走到聽覺皮層，即通常講的大腦。在聽覺皮層接到聲音信號(hào)的時(shí)候，信號(hào)已經(jīng)了5到7級(jí)處理?？傮w來說，聽覺系統(tǒng)是一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng)。
具體怎么處理聲音呢？通俗化來講，大腦里面也有一個(gè)鋼琴鍵盤，也就是說每個(gè)人大腦里面，如果能看見神經(jīng)細(xì)胞，也是從高到低排布的。聲音的高低還有強(qiáng)度，聽覺系統(tǒng)都可以表達(dá)。在這以后，聲音會(huì)從聽覺皮層走到大腦其他的位置上去，大腦里面很多區(qū)域，整個(gè)區(qū)域合在一起，使得我們最后能夠聽清聲音、聽清音樂。
大腦結(jié)構(gòu)化，不是我們?nèi)瞬庞械模椰F(xiàn)在給大家看若干個(gè)靈長類動(dòng)物的大腦，比如這是人類大腦，這里面分區(qū)，剛才講聽覺皮層在這兒。這叫舊大陸猴類，他們大腦和我們很相似，這是新大陸猴類，生長在南美的猴子，他們大腦聽覺在這兒。
為什么做科學(xué)研究要關(guān)注這個(gè)問題呢？回到周老師給大家提出的問題，從音樂研究來講，如果音樂有超文化的現(xiàn)象，有這種普適的發(fā)現(xiàn)，那么我們就會(huì)問人的聽覺能力是從哪兒來的？其中一個(gè)方法就是研究和我們?nèi)撕芟嘟膭?dòng)物的大腦。
現(xiàn)在，繼續(xù)回答這個(gè)問題，音樂在大腦中是如何被處理的呢？如果放一個(gè)純音，試圖按一個(gè)鋼琴的鍵，大腦皮層記錄一個(gè)細(xì)胞，大腦里面有成千上萬的細(xì)胞，每一個(gè)細(xì)胞相當(dāng)于計(jì)算機(jī)小小處理器，這個(gè)細(xì)胞可以放電。怎么放電呢？這要看音樂里面有些什么成分。這是一段小提琴的音樂，大家看到音樂里不光是純音，還有很多諧波，動(dòng)物的叫聲里也有很多諧波。這是一種蝙蝠的叫聲，有很多諧波。這是一種猴子，這是他們的叫聲，這里面也有很多諧波；從廣泛應(yīng)用角度講，人能聽到音樂的結(jié)構(gòu)化，動(dòng)物界也能聽到。對(duì)人來講和音樂相關(guān)的是什么呢？是人的語言。每當(dāng)我們講話的時(shí)候，喉管振動(dòng)，產(chǎn)生一個(gè)音調(diào)。這個(gè)音調(diào)的高低最明顯的差異是男性和女性，女性聲音比較高一點(diǎn)，男性低一點(diǎn)。這在中文里很明顯，中文的四聲就是調(diào)這個(gè)音調(diào)。如果分析音樂，里面有很多結(jié)構(gòu)，其中最重要的就是音調(diào)。為什么音調(diào)很特別？如果給大家放一個(gè)純音，100個(gè)赫茲，你會(huì)聽見100。如果同時(shí)有另外一個(gè)純音， 200、300、400、500，你也會(huì)聽到100個(gè)赫茲，相當(dāng)于鋼琴上同時(shí)按幾個(gè)鍵一樣，得到的聲音還是一個(gè)100赫茲，也是一個(gè)音調(diào)。
這在聽覺里面是非常重要的現(xiàn)象，就是聽覺系統(tǒng)聽復(fù)雜信號(hào)，包括音樂，是要做一個(gè)計(jì)算、而不是直接聽進(jìn)來的，我們是算出來的。這些例子是把音調(diào)算出來的，這里并沒有100赫茲在那兒。
人是怎么聽這個(gè)音調(diào)呢？這個(gè)工作做了50多年了，研究得出人類對(duì)音調(diào)感知的三大特征。
一個(gè)耳蝸就像鋼琴鍵盤，從左是高頻，右是低頻。比如把三個(gè)純音組成的諧波放在低頻，因?yàn)榉诺帽容^開，因此每一個(gè)純音都是可以被聽覺系統(tǒng)分辨的；但同樣把三個(gè)諧波放在高頻的時(shí)候，會(huì)相對(duì)比較密，所以是不可分辨的。這第一個(gè)規(guī)律就是指我們?nèi)祟悓?duì)低頻諧波構(gòu)成的音頻的敏感度最高，高頻相對(duì)較低，即人類聽低頻時(shí)更清楚，聽高頻稍微弱一點(diǎn)。
第二，在低頻的諧波區(qū)間，頻率成分對(duì)人的音調(diào)感知起決定作用。如果把中間這個(gè)稍微挪動(dòng)一點(diǎn)點(diǎn)，你立馬能夠聽見，這是人的敏感性。（例如，在一組每次增加100赫茲的規(guī)律性音頻中，突然加入一個(gè)只增加95赫茲的頻率，人類能夠立刻注意到這個(gè)“突兀的不同”。）
對(duì)比之下，在高頻的時(shí)候，對(duì)距離不敏感，這時(shí)怎么聽音調(diào)呢？主要是取決于人們對(duì)聲波的時(shí)間調(diào)制函數(shù)的敏感性。任何一個(gè)信號(hào)、頻率對(duì)應(yīng)有一個(gè)聲波的成分，這是人可以聽的，和人聽音樂的敏感性是息息相關(guān)的。
要最終理解大腦怎么處理音樂的，首先要理解大腦是怎么處理音樂里面的關(guān)鍵成分的——其中一個(gè)就是音調(diào)。
十多年以前，我們做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，在狨猴這種南美洲猴子的大腦里發(fā)現(xiàn)有這么一個(gè)區(qū)域，藍(lán)色是高頻，紅色是低頻，低頻有這么多神經(jīng)元來負(fù)責(zé)檢測音調(diào)——有很多研究發(fā)現(xiàn)，在人的大腦里面也有這樣一個(gè)檢測音調(diào)的區(qū)域——這一次，是我們科學(xué)研究中第一次在人的大腦以外發(fā)現(xiàn)有音調(diào)的檢測區(qū)。這個(gè)工作很重要，因?yàn)榛卮鹆艘粋€(gè)一直沒有答案的問題：音調(diào)檢測是我們?nèi)祟愄厥鈨H有的，還是我們從進(jìn)化中逐漸得到的？這個(gè)研究告訴我們，至少在音調(diào)這個(gè)問題上，猴子和人是有共性的。十年以后我們又發(fā)現(xiàn)，在聽音調(diào)上，剛才講的人類三條最基本的原則，狨猴都有。
最新的研究表明絨猴具有和人類高度相似的音調(diào)感知。Song, Guo, Osmanski and Wang (PNAS, 2016)
這種相似情況能說明什么問題呢？我們回到音樂到底是怎么產(chǎn)生的這個(gè)問題。這是現(xiàn)在考古上發(fā)現(xiàn)的最早的音樂樂器，一個(gè)3.5萬年的笛子，這說明至少人在3.5萬年以前就開始有音樂了，現(xiàn)代音樂就更晚了。
3.5萬年是什么概念？我們再往回看一下地球，大概3000萬年的時(shí)候，大陸板塊分離，美洲和歐亞大陸分開了，而剛才給大家講的絨猴在美洲。什么意思呢？如果看進(jìn)化，我們?nèi)说倪M(jìn)化是在這個(gè)地方，3-4萬年前；離我們更近的是大猩猩，然后一直往前走，美洲的猴子什么時(shí)候分開呢？是3000萬年以前就分開了——如果發(fā)現(xiàn)大猩猩能夠聽音調(diào)不是那么驚奇，但一個(gè)猴子3000萬年前也能聽音調(diào)，說明人聽音調(diào)的能力可能早就存在了。而我們發(fā)現(xiàn)人最老的音樂樂器是3.5萬年，也就是說人類所知的有音樂樂器的歷史，和我們大腦的發(fā)育過程相比是非常微不足道的。
從神經(jīng)科學(xué)角度講，也許我們可以說之所以今天有音樂，不是我們?nèi)藨{空想出來的，而是我們的大腦已經(jīng)有這個(gè)音樂基礎(chǔ)了；不過直到現(xiàn)代以后，我們?nèi)瞬虐堰@個(gè)大腦功能發(fā)展為音樂。
剛才周老師講到，音樂一個(gè)很大的功能是產(chǎn)生感情。我們在人身上做過若干工作，圖中是人的大腦圖象，在聽見一個(gè)很愉快的音樂時(shí)候，這個(gè)腦區(qū)會(huì)活動(dòng)，甚至當(dāng)你期待聽音樂，還沒有聽到的時(shí)候，腦區(qū)也會(huì)有活動(dòng)。如果你第一次聽見一段音樂，類似的腦區(qū)還是會(huì)有活動(dòng)的。這些腦區(qū)和剛才講的聽覺大腦區(qū)域是有聯(lián)系的，大腦里面有很多區(qū)域在做音樂處理。
大腦對(duì)音樂產(chǎn)生情感反應(yīng)的神經(jīng)響應(yīng)。Robert J. Zatorre, and Valorie N. Salimpoor PNAS 2013
如果要問我們?yōu)槭裁磿?huì)喜歡聽音樂？從神經(jīng)科學(xué)角度來講，其實(shí)應(yīng)該是這樣講的：不是我們想聽，隨便想寫一個(gè)音樂，而是聽音樂起源于我們大腦。如果人要理解音樂和大腦的關(guān)系，還要通過音樂家和神經(jīng)科學(xué)合作，了解神經(jīng)機(jī)制。時(shí)間有限，我就講到這兒，謝謝大家！
本文圖片均來自王小勤演講PPT。
