互动科普

我们周围的音乐有着不可替代的作用：雄壮的管弦乐令人热泪盈眶；强烈的背景音乐增添了影视剧的感染力；球场上的号角声使大家团结又兴奋；父母的轻声哼唱给婴儿带来安宁。

我们对音乐的喜好有着深深的根源：早在人类的蒙昧时期，人们就创造了音乐。三万多年前，人们就已经会吹骨笛，敲打乐器，吹奏口琴。世界上所有已知的文明都有自己的音乐。实际上，人类表现出了对音乐天生的喜爱和欣赏。两个月大的婴儿就表现出对和谐优美旋律的亲近和对不和谐音符的排斥。当交响乐结尾的华彩乐章奏响时，人们大脑中的愉悦区域兴奋起来。这种情况同样还出现在我们吃巧克力、性交和吸食可卡因的时候。

在这里隐藏着一个非常有意思的生物学秘密：为什么音乐受到如此普遍的喜爱？为什么对情绪有着独特的影响？为什么对我们如此重要？也许就像来自美国新墨西哥大学的Geoffrey F. Miller所指出的那样，音乐的出现在某种程度上增强了人们的生存力，就比如在求爱过程中它给予人类的帮助。或者像英国利物浦大学的Robin M. Dunbar所指出的那样，是音乐最早帮助人类促进了群体内的社会凝聚力。从另一个角度来说，我们可以引用美国哈佛大学Steven Pinker教授的话，音乐就像“听觉奶酪”，它激发大脑的想象力，是进化过程中的一个快乐的意外插曲。

神经学家尚未就此问题得出定论。但是近几年人们开始对音乐在大脑中如何作用，以及在哪些部分发挥作用有了更确切的理解，弄懂这些是我们解开人类进化之谜的基础。同时研究大脑受伤者和正常人的大脑，我们出乎意料地发现，人的大脑对音乐并没有专门的“中枢”，更准确地说，是音乐对遍布大脑的许多区域都有影响，包括那些与其他意识有关的区域。兴奋的区域会因不同人所受的不同经历，和其所受的音乐训练而异。耳朵是人体所有感觉器官中拥有感觉细胞最少的，只有3500个毛细胞，而眼睛有1000万个感光细胞。然而大脑对音乐的反应却是最灵敏的，哪怕只是细微的学习都可以重新调整大脑对所接收到的音符的处理方式。

大脑对音乐的反应

在现代成像技术出现之前，科学家们主要通过研究具体的病例——包括那些由于受伤或患病造成脑部残疾的著名作曲家，来获取大脑内部音乐性运动的知识。比如在1933年，一名叫Maurice Ravel的法国作曲家开始表现出大脑局部退化症状，即离散无序的脑组织萎缩。然而他仍有完整的意识，有听觉，记得他的旧日作品并弹奏音阶，但是已经不能再作曲了。

谈到他计划谱写的歌剧《圣女贞德》（Jeanne d’Arc），Ravel先生曾对他的一个朋友这样倾诉“⋯⋯这部歌剧就在这里，在我的脑海中。我听得见，但我写不出来。一切都结束了。我再也不能谱写我的音乐。”神经外科治疗没能获得成功，Ravel四年后去世了。这一事例使人们更加相信，也许大脑中并没有专门的音乐中心。

另一个作曲家的经历进一步提示我们，大脑对音乐与语言的处理是各自独立的。俄罗斯作曲家舍巴林（Vissarion Shebalin）在1953年受到一次脑外伤后，失去了语言能力，但是他还能够继续作曲直到十年后逝世。所以这种“独立处理”的设想看上去是正确的，尽管音乐和语言存在两个方面的共同点：两者均为交流的手段，而且都有一套规定如何正确组合音符或字词的语法。最近的研究揭示了在这两个方面更细微的差别。根据美国圣地亚哥神经系统研究所（Neurosciences Institute in San Diego）Aniruddh D. Patel的研究，通过大脑成像手段发现了在大脑额叶的某个区域，使我们能按正确的音乐或语言的语法来构建乐句和语句。而大脑的其他部分则负责语言和音乐的其他相关处理。

成像研究也为我们精细地描绘了大脑对音乐做出反应的情形。这些成果解释了大多数情形下耳朵是如何把声音信号传到大脑的。正如其他的感官系统一样，听觉系统也分为多个层次。它由一系列从耳朵到最高级听觉皮层的神经中枢组成。对声音的处理（例如音调），是从内耳（耳蜗）开始的。例如小提琴发出的复杂声音，先在耳蜗里按基本频率初步分类。然后耳蜗将这些信息通过不同频率的听觉神经纤维组传送，最终传到颞叶的听觉皮层。大脑听觉系统中不同细胞对某一频率的信号特别敏感，相邻细胞的感受频率互相重叠覆盖保证了整个音阶上没有间隙和遗漏。事实上，正因为邻近细胞被调整到相近的频率，听觉皮层在其表面形成了一张“频率图”。

大脑实际对音乐的反应还要更复杂。音乐包含了一系列不同的调子，对它的感知取决于对不同声音之间关系的捕捉。大脑中许多部分参与了对多种音乐组成部分的处理。就拿音调来说，它包括了声音的频率和响度。研究人员曾经认为，当一种频率的声音被感知时，感知这种频率的细胞总是做出相同的反应。

但是在1980年代末，当我和Thomas M. McKenna一起，在位于Irvine的加利福尼亚大学我的实验室研究音调轮廓线期间，我们对这一观点产生了质疑。音调轮廓线反映了音调高低起伏的模式，它是所有旋律的基础。我们用相同的五个音符编写了不同音调轮廓线的音乐旋律，并且记录下猫在听到旋律时听觉皮质单个神经元对它们的反应。我们发现，细胞的反应（表现为释放的电量）随着音调轮廓线而不同。它取决于旋律中所给音调的位置，细胞可能会对其他音调之后的那个音调，而不是第一个音调特别兴奋。此外，同一音调作为上行音调轮廓线（从低音到高音）和下行或更复杂的音调轮廓线的一部分时，细胞对它的反应不同。这些旋律模式的发现表明：听觉系统的信息处理并不是像电话或立体声系统接收、传播声音那么简单。

虽然大多数的研究都集中在旋律和节奏（音符间的长短和停顿关系），和弦（同时出现的两种以上音调间的关系）和音质（演奏同一音调时两种乐器的不同声音特色）也同样受关注。对节奏的研究已经得出了大脑的某一半球是与此相关的，尽管对到底是左右哪个半球仍存争议。问题是不同的节奏信号需要不同的处理能力。比如说，相对大脑的右边颞叶，左边颞叶似乎更适合处理简短的信号，因此当听者听到简短的音乐声时，它更有可能起主要作用。

而对于和弦的旋律，情形就更明确了。大脑皮层的图像研究发现，当我们凝听和弦的时候，右脑的颞叶听觉区活动更加活跃。而且右脑颞叶还承担着优先感知音质的功能。一些颞叶摘除的病例表明，右脑组织被切除后我们就难以识别音质区别。另外，通常情况下，右脑颞叶在我们识别不同音质的声音时会变得异常兴奋。

大脑的反应还取决于听者的经历及其音乐修养。哪怕学习一点入门知识，都可以改变大脑的反应。例如，一直到大约十年前，科学家们始终相信听觉皮层的每个细胞都有固定的和谐频率。然而对音乐轮廓线的研究使我们怀疑，细胞的和谐频率会随着学习而改变，所以某个细胞会对引起注意的声音特别敏感，并将其保存在记忆里。

Jon S. Bakin、Jean-Marc Edeline和我在1990年代末期进行了一系列实验，探询听觉皮层基本的功能组织是否在听到某个重要声音时会发生改变。我们的小组先是给几只豚鼠播放几段不同音调的旋律，记录下听觉皮层中各种细胞的反应，找出反应最强的那一段旋律。接下来我们再确定某段并不引起最强反应的旋律，把它作为一个温和刺激信号。豚鼠们在几分钟之内就学会了将两者联系起来。我们在训练后立即再次测验细胞的和谐频率，两个月后又反复多次测试。结果表明，原来的神经和谐频率参数渐渐变成了信号频率。学习重新调整了我们的大脑，所以更多的细胞会对行为意义上的重要声音做出积极的反应。这种细胞调整过程发生在整个脑皮层中。对“频率图”的修改使脑皮层中更多的部分参与对重要声音的处理。所以我们只要找到某种动物的听觉频率组织，就可以轻松地找到哪个频率的声音对它最重要。

这种调整是持久的：不需要更多的训练就持续了数月之久而且影响越发强烈。这些发现引发了一系列新的课题，大脑通过让更多的脑细胞参与对某种剌激的处理，来保存学习后的重要刺激。虽然我们不可能记录下人体中单个神经元的学习活动，但是大脑图像研究可以发现遍布在大脑皮层各个区域不可计数的脑细胞反应的平均数量变化。1998年，Ray Dolan和他在伦敦大学的同事，做了一个类似的实验，用某一重要的旋律来训练受试者。实验小组发现相似的和弦频率转变也发生在人类身上。学习引起的大脑重新调整及其长期的影响就解释了为什么我们能在吵闹的环境中很快认出熟悉的旋律，也解释了为什么患了像阿尔茨海默（ Alzheimer’s )症这样的抑制神经病症而饱受失忆痛苦的病人，仍然还能回忆起以前学过的歌曲。

即使没有实际的音乐信号输入，我们依然能“听见”心中回忆的旋律，想象一首你学过的歌，并在头脑中歌唱。那么这些又发生在大脑的什么部位呢？来自美国布鲁克林大学的Andrea R. Halpern和来自麦吉尔（McGill）大学蒙特利尔神经学院的Robert J. Zatore于1999年对一个没有经受音乐训练的人进行测试时发现，大脑回忆一段音乐时，脑半球中许多原先参与听觉活动的区域，都会再次兴奋起来。

大脑在学习中变化

对音乐家的研究进一步发展了上述许多观点，并且发现大脑在音乐活动过程中的修改能力。正如初步的训练就能够增加对重要的声音产生反应的细胞数量，继续学习引起了更显著的大脑生理变化，及更强烈的反应。音乐家长年进行着每天数小时的音乐训练，使得他们对音乐表现出超乎常人的敏感，同时他们大脑的部分区域也特别发达。

1998年，当时在德国明斯特（Munster）大学的Christo Pantev指导了一次此类实验。他发现音乐家在听一段钢琴曲时，左脑听觉部分活跃的区域比常人多25%。同样数量的影响还出现在对音调而不是杂乱无章的音符组合的反应中。此外，他还发现越早开始学习音乐的音乐家，这一百分比还会上升。对儿童的研究表明，音乐启蒙教育将促进大脑的发育。2004年，Antoine Shahin、Larry E. Roberts和Laurel J. Trainor在位于加拿大安大略湖的麦克马斯德（McMaster）大学记录了4-5岁的儿童在听钢琴曲、小提琴曲和纯音符时的大脑反应。相比起从未接受过音乐教育的七、八岁儿童，那些在良好家庭音乐环境熏陶下成长的孩子，年纪虽小，却表现出了更强烈的脑部听觉活动。

音乐家之所以能对声音有更强烈的反应，部分是因为有更广阔的听觉皮层。Peter Schneider和他在德国海德尔堡大学的同事在2002年发现音乐家的脑皮层容量比普通人大130%。脑皮层容量的增长比例和所受的音乐训练水平有关。这说明音乐学习增加了参与处理音乐信号的神经元的数量。

另外，音乐家的大脑中有更多的区域用来控制演奏乐器的手指运动。来自德国康斯坦茨（Konstanz）大学的Thomas Elbert及其同事，于1995年在一份报告中指出，小提琴家的大脑中接收来自左手第二至第五指感觉的区域特别发达。而这几个手指正好是演奏时动作最快最复杂的。他们没有在处理来自右手信息的大脑皮层中发现类似的扩大。因为右手在演奏时控制琴弓，不需要特别的手指动作。而普通人的大脑中就没有这样的区别。现在工作于罗马研究所的Pantev于2001年在多伦多大学期间发表的一篇报告中，进一步指出，专业小号手的大脑表现出这样一种强化的习惯，那就是只对小号的声音敏感，而不对其他的声音比如小提琴的声音做出反应。

音乐家还必须培养一种同时使用双手的能力，特别是演奏键盘乐器。所以我们设想能在解剖上发现两个脑半球中运动区域之间增强的联系层。事实正是如此。在先前的解剖中发现，音乐家的大脑中两个运动区域的神经纤维带比普通人大。并且，这种增大在很早开始音乐学习的音乐家身上表现得更加明显。其他的研究也表明，音乐家的大脑运动皮层和小脑（位于脑后参与运动协调的脑组织）的实际大小要超出常人。

音乐的情感刺激

除了研究大脑如何处理对音乐的感知，研究人员还研究了音乐是如何唤起强烈的情绪反应的。早期的工作报告包括英国基尔（Keele）大学的John A. Sloboda于1991年发现超过80%的样本显示，成人对音乐的反应有战栗、大笑和哭泣。1995年来自美国保龄绿（Bowling Green）州立大学的Jaak Panksepp的研究指出，在对数百名青年男女的调查中，70%的人表示，他们喜欢听音乐是因为“它叫人感动”。来自康奈尔大学的Carol L.Krumhansl于1997的一项研究结果更突出了这一调查的重要性。她和她的同事记录下了实验对象在聆听各种喜悦、悲伤、恐惧和紧张的音乐时候的心跳、血压、呼吸和其他生理指标。每种不同的音乐都引起了实验对象不同的却又是和谐的生理变化。

直到最近，科学家们对大脑的内部机制仍然所知甚少。有一条线索来自一位称为I.R.的妇女（这样叫是为了保护隐私），她的大脑两侧颞叶部都受到破坏，包括听觉皮层部分。而她的智商和普通记忆都很正常，没有任何语言障碍。但她无法理解也辨认不出任何音乐，无论是原来就知道的旋律还是反复听到的新歌。不管两段旋律有多么明显的差别，她也无法分辨。然而对不同类型的音乐她却有着正常的情感反应。她对某一特殊的音乐片段的情感定义能力和常人无异。通过这个例子我们可以看出，颞叶对理解音乐来说是必须的，但同样是脑皮层下的活动，并都有额叶的参与，对音乐的情感反应就不需要它了。

麦吉尔大学的Blood和Zatorre在2001年的一项图像研究更详细地描绘了大脑中参与对音乐产生情感反应的区域。这项研究使用了温和的情感刺激，综合了人对和谐与不和谐音乐的反应。和谐的音乐间隔通常是在两种音调间有着简单的频率比率，比如中央C（大约是260赫兹）而中央G（大约390赫兹）。它们之间的比率是2：3，同时按下这两个音，就会形成悦耳的和弦，即一个“标准五度”间隔。相反，中央C和升C（约277赫兹）比率是8：9，就会发出刺耳的声音。

什么是大脑的潜在经验机制？PET（电子放射X线断层摄影术）图像记录下了实验对象在听到和谐与不和谐的旋律时大脑不同局部的情感反应。右半球圆形突起的前沿（反馈系统的一部分）同时也是胼胝质下部的区域对和谐的和弦反映敏锐。所以在大脑对音乐的情感反应中，至少有两个系统各自处理着两种不同的感情。但是不同的听觉系统活动模式是如何与两个脑半球中不同反应区域相联系的，依然是个谜。

同年Blood和Zatorre对关于音乐如何引起愉悦补充了一条线索。当他们仔细检查那些听音乐时会因为愉悦而战栗的音乐家的大脑时，他们发现音乐活动和食物、性交、毒品激发了相同的反馈系统。

总之，目前的发现都说明音乐具备有生物学要素，大脑中有专门处理音乐信号的功能性组织。事实非常清楚，哪怕只是目前初步研究的情况下，无论是感受音乐（比如欣赏一段旋律）还是引起某种情感反应，大脑中已经有很多区域参与了对音乐某一具体方面的处理。而音乐家在这一方面表现得更加明显。他们的大脑在这方面有着超凡的结构。这证明学习音乐能够重新调整我们的大脑，不仅从数量上还从质量上增强了脑细胞对某些重要的声音做出反应。随着对音乐和大脑联系的深入研究，我们期望不仅发现音乐存在的原因，还期望发现音乐更多其他方面的秘密。