[转载]诺曼·M·温伯格—音乐和大脑

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  诺曼·M·温伯格—音乐和大脑

    
原作-诺曼·M·温伯格；翻译-srqx


原载于Scitific American 网友翻译投稿 本站独家

音乐奇异力量的秘密是什么？经过努力，科学家们拼出一幅了音乐爱好者和音乐家脑中的图像。

音乐除了弥漫在周围，我们不能以任何方式拥有它。当优美的管弦乐响起的时候，我们会激动得浑身战抖，流下热泪。在电影和电视剧中，音乐用于营造背景，烘托气氛。风琴师在各种场合下把我们聚在一起狂欢。父母哼唱小曲哄着他们的婴儿。

人类的这种爱好有其深刻的基础：文化萌芽时期人们就开始演奏音乐了。3万年以前，早期的人类就吹奏骨笛、敲击器皿、弹奏颚骨竖琴自娱。这是世界性的。实际上，我们的乐感是天生的。2个月的婴儿会转向和谐、愉快的声音，而避开刺耳的噪音。当交响乐神妙的结尾使人高兴得颤抖，它在大脑快乐中心引起的反应，就如吃了巧克力、性交或者吸食了可卡因一样。

这里肯定有着一个有趣的生物学秘密。音乐如此广阔地被热爱，它具有深深地打动我们得独特力量，为什么它对人类是如此的普遍和重要？难道真如新墨西哥大学的杰弗瑞•F•米勒所说？音乐的出现提高了人类的某些生存能力，例如作为求爱的辅助手段。或者如利物浦大学的罗宾•M•邓巴所说？音乐在人类的群居时代有助于提高团体的凝聚力，可以使部落维持游牧所需的规模。另一方面，用哈佛大学的史蒂文•平克的话说，音乐只是“听觉上的奶酪蛋糕”，进化史上的邂逅恰好促进了大脑的想象？

对于这些疑问，神经学家尚无最终的答案。但是近几年我们对大脑在那里以及如何处理音乐有了深入的理解，它们将构成回答这一进化问题的基础。然而，对脑损伤病人和健康个体的脑成像研究却出乎意料地没有发现大脑里专门的“音乐中心”。更可能的情况是处理音乐的区域分布于全脑，这些区域同时会处理其他事务。这些活动区域随着个体的经验和音乐训练而变化。在感觉器官中耳朵具有最少的感觉细胞——3500个听觉细胞相对于眼睛的10亿个感光细胞简直是九牛一毛。然而人们对于音乐的反应却具有显著的适应性，稍加学习就可以重新调整大脑处理音乐的方式。

●脑子里的歌

在脑成像技术出现之前，科学家研究病人来认识大脑处理音乐的机制——包括著名的作曲家——他们都有因为损伤、击打或者其他疾病引起的脑损伤。例如，1933年法国作曲家Maurice Ravel出现脑部病变的征兆，由脑组织不规则萎缩引起行动紊乱。他的概念思维能力依然保留——他记得自己的旧作。但是他不能再作曲了。谈到计划中的歌剧Jeanne d'Arc，Ravel对一个朋友说：“…这部歌剧就在这儿，在我脑子里。它在我的脑子里奏响，但是我不能写它了。都结束了，我再也无法作曲了。” Ravel四年后死去，死于一次失败的神经外科手术。这个病例显示在大脑里也许没有一个专门的音乐中心。

另外音乐家的经历却又显示音乐和语言在大脑里是由独立的区域负责的。1953年俄国作曲家Vissarion Shebalin在经历一次的撞伤后，丧失了听说能力，但是他的作曲能力依然保留，直到10年后去世。因而，“音乐中心”的猜想看来更可信，尽管近来的研究出现了略有不同的理解，音乐和语言有其共性：它们都传达信息，各有其语法，一套用来组织要素的规则（分别对应于音符和单词）。圣迭戈神经科学研究所的Aniruddh D. Patel通过脑成像技术发现一个在脑叶前的区域，它能够正确处理音乐和语言的语法，大脑的其他部分处理语言和音乐的相关部分。

脑成像技术可以提供给我们一幅大脑响应音乐的清楚纹理图像。这些图像放在耳朵如何向大脑传递声音的背景下理解，会给我们更多的启发。像其他的感觉系统一样，听觉的传递是逐级进行的，神经冲动序列由耳朵到处理听觉的中心，大脑听觉皮层。处理声音的过程，如音乐，开始于内耳（耳蜗），它将复杂的声音，如小提琴声，分解为相应的频率单元。然后耳蜗经由不同的听觉神经分别传送这些信号序列。最后这些信号序列到达位于脑颞页的听觉皮层。听觉皮层中不同的细胞对特定的的频率具有最好的响应能力，相邻的细胞有解调同一频率的能力，这样听到的声音就不会有间断。就是因为相邻的细胞具有解调相同频率的能力，这就在颞叶的表面就形成了一幅“频率地图”。

然而，大脑响应音乐的本质，依然复杂难解。音乐是一个音的序列，理解它需要抓住各音的相互关系。大脑的很多区域参与处理音乐的各个成分。考虑一个乐音，它包括频率和响度。同时，研究者猜想听觉细胞一旦成功解码某一频率，下次遇到它会以同样的方式解码。

但是在上个世纪80年代末，在加利福尼亚欧文分校我的实验室工作的我和托马斯•M•麦肯纳对这一说法提出了疑问。当时我们正在研究各种乐曲的等高线，由曲调的上升和下降的轮廓画成的。我们用五个音的不同音高作了一首乐曲，然后记录每个音在猫的听觉皮层上引起的反应。我们发现这些听觉细胞的反应（电流数）随着音调的等高线变化。反应与音在曲调内的位置有关，当某个音前面有别的音符而不是头一个时，听觉细胞会更活跃。并且，当一个音处在轮廓线上升阶段（由低到高）而不是处在下降阶段或者更复杂的形态阶段时，听觉细胞有不同的反应。这些发现表明此乐曲在大脑听觉系统中的处理过程不同于电话或者立体声音响里的声音。

虽然更多的研究集中在音乐本身上，节奏（音符的长度和间隔）、和弦（两个或更多同时发出的音符的关系）和音色（两件不同的乐器演奏同一音符的差异）也是吸引人的。研究节奏的结果表明，大脑的一个半球更擅长于此，虽然结果有些不一致。问题是不同的任务甚至不同节奏要求不同的处理能力。例如，大脑左颞叶处理抽象问题要强于右颞叶，所以当倾听者想抓住一段音乐的主题时左颞叶的工作更多。
这一点在和弦上就更清楚了。脑皮层成像发现当乐曲是和弦的时候位于右颞叶的听觉皮层更活跃。音色也是由右颞叶听觉皮层负责的。那些脑脑颞叶改变的病人（如切除），如果病变在右侧，病人就会缺乏音色识别能力，而左颞叶切除的不会有这样的现象。他们的两个半球是隔离的。并且，脑右颞叶在听到平常的声音在辨别音色时也会兴奋。

脑反应与听音经历和训练相关。甚至稍微的训练就会显著改变脑反应。例如，直到10多年前，科学家一直相信听觉皮层中每个细胞的解码能力是不变的。我们对乐曲等高线的研究，使我们猜想细胞解码能力可能会随着学习的过程改变，特定的细胞会对引起注意的和记忆中的声音格外敏感。

在学习的过程中如果有一个极其重要的音，大脑听觉皮层的组织是否发生改变？为寻找答案，Jon S. Bakin，Jean-Marc Edeline和我在上个世纪90年代作了一系列试验。我们小组首先豚鼠听不同的音，记录其听觉皮层的不同细胞的反应，以确定那个音引起的反应最强烈。第二步，我们通过足电击使其明白一个特殊的、次要的音是重要的。豚鼠在极短的时间内就学会了这种联系。然后立即测定其脑听觉细胞的反应，在随后的2个月里多次进行。试验表明神经细胞确实发生了改变，对我们的信号音敏感了。因而，学习使大脑改变，使更多的听觉细胞来响应重要的声音。这种细胞调整过程存在于整个皮层，“编辑”频率地图使更大面积的细胞来处理重要的音。动物能够由听到重要的音来决定其听觉皮层的组织。

这种调整非常持久：它不需要强化训练而随着时间逐渐加强，持续数月。这些发现显示发育中的机体的大脑储存重要刺激的一种方式为同过调动更多的脑细胞来处理这些刺激。虽然记录人脑学习中神经细胞是不可能的，但脑成像技术可以发现大脑皮层中不同区域的数以千计细胞中的平均变化。1998年伦敦学院的Ray Dolan和他的同事在人身上做了一个相似的试验，他们用意个特殊的音训练受试者。这个小组发现学习过程中有与在动物身上同类的解码改变。长期调整学习的影响也许有助于解释为什么人们能够在嘈杂的房间里一下子听出熟悉的乐曲，以及那些因Alzheimer氏病引起脑退化的病人虽然丧失了记忆依然能够记起过去听过的音乐。

即使在没有音乐的，我们仍然可以通过记忆听到某首乐曲。想象一下那些你熟悉的乐曲并在脑子里演奏它吧。大脑在那里演奏乐曲呢？Bucknell大学的Andrea R. Halpern和蒙特利尔大学神经研究所的Robert J. Zatorre于1999年在McGill大学设计了一个试验，他们扫描音乐家的大脑，他们或者听音乐，或者想象在听同一首乐曲。结果发现，听音乐的时候脑颞叶的很多区域活动，而在头脑中想象乐曲，这些区域液同样活跃。

●促进大脑发育

对音乐家的研究扩展了很多上面的研究结论，特别是确定了大脑具有为适应处理音乐而会调整其内部连线的能力。就如某些训练会提高那些处理变得重要的声音细胞的数目一样，强化学习使大脑反应敏锐并且发生器质性改变。音乐家们多年来每天都要练习好几个小时，就显示出这种变化——他们的反应异于常人；他们脑中相关的区域超常发育。

德国Master大学的Christo Pantev在1998年就主持了这样一个试验，他发现在听钢琴演奏的时候，音乐家的左脑半球听觉区域的反应面积比常人多25%。这种情况液发生在听类似乐音时，蛋其他的声音无效。而且，作者进一步发现，那些更早学习音乐者此区域面积更大。对孩子的研究显示早期的音乐经历会促进大脑中此区域的发育。2004年安大略McMaster大学的Antoine Shahin，Larry E. Roberts和J. Trainor记录4-5岁孩子对钢琴、小提琴及纯粹音调的脑反应图像，那些在家里常听音乐的小孩的听音能力比那些听不到者要提早三年。

音乐家对声音更敏感，部分原因是因为他们大脑有更多的听觉皮层。德国海德堡大学的Peter Schneider和他的同事在2002年报告说，音乐家的听觉皮层的体积是常人的130%。音乐训练提高了此组织的百分比，这暗示出音乐学习适当提高了处理它的神经细胞的数量。

还有，音乐家的大脑中有更多的细胞用来指挥演奏乐器的手指。德国Konstanz大学的Thomas Elbert在1995年报告说小提琴家大脑中接收从第二到第五手指（食指到小指）信息区域的面积明显增大，因为这些手指在演奏小提琴时要做快速而复杂的动作。与此对照，脑皮层中相应右手的区域就不增大，它控制琴弓，没有特殊的手指动作。常人的大脑中就没有这样的现象。进而，现在多伦多大学Rotman研究所的Pantev在2001年报告说，这样的脑强化现象也存在于小号演员，但对其他的乐音没反应反应，例如，小提琴。
音乐家也可能两手都发达，如键盘手。因而可以推断其两个脑半球上动作控制区域有相同的增长，这应该有解剖学上的证据。这似乎是事实。如前所述，这两个通过神经纤维联系运动指挥区域，音乐家的比常人的大。再者，那些早年接受音乐教育者的此区域面积也更大。另外的研究发现了这驱动皮层的确切尺寸，大小与小脑相当——大脑后部起运动协调作用的区域——音乐家的亦较大。

●高兴而歌 悲伤亦歌

在研究大脑如何听到音乐之前，研究者们就在探寻音乐强烈的促情感机制了。开拓性的工作是英格兰Keele大学的John A. Sloboda做的，他发现80%的成年受试者听音乐时有身体反应，包括颤抖、欢笑或流泪。Bowling Green State大学的Jaak Panksepp调查几百名青年男女，70%的选择喜欢音乐，因为它能“宣泄感情，表达感受。”1997年Cornell大学的Carol L. Krumhansl的研究加强了这种看法。她和同事在给受试者听欢快、悲伤、恐惧或者紧张的曲子时测量他们的心率、血压、呼吸及其它生理指标。每种音乐刺激了不同的情绪，但其导致了生理变化这个结果是一样的。

直到最近，科学家才对脑的工作机制有所了解。其中的一个线索来自一个叫I•R的妇女（处于保护其个人隐私目的使用首字母），她的双侧脑颞叶受伤，其中包括听觉皮层区域。她的智力及常规记忆都正常，语言能力亦没有问题。然而她听不懂音乐了，不论是一首熟悉的乐曲还是反复听一首新的。她分不开无论多么不同的两首曲子。但是，对不同类型的乐曲她正常的情绪反应。她能够完全正常地随着一首特别的乐曲结束她的情绪反应！从这个例子上我们看到，脑颞叶是理解音乐所必需的，但不情绪反应，那与脑颞叶前突的内外均有关。

McGill大学的Anne Blood 和 Zatorre2001年的脑成像实验更好地说明了那些脑与音乐情绪相关的区域。这次研究采用温和的情绪刺激，和谐音和不和谐音。和谐音的频率之比通常有一个简单的值。例如中音C（大约260Hz）和中音G（大约390Hz），他们的比率是2:3，当同时演奏这两个音时产生悦耳的“完美第五”间隔。相反，中音C和高音C(频率大约277Hz)具有复杂的频率比8:9，是令人难受的，产生“粗糙”的声音。

为什么会这样？PET（正电子发射断层）成像技术发现，当听到和谐音或者者不和谐音时，大脑相关的区域会有情绪反应。乐音激活右脑半球的前缘区域（反馈系统的一部分），正是前文提到的皮层下面的一部分。与之对应噪音激活右脑回部海马体。就是说，有两个反馈系统，各自处理相应的情绪反应，在大脑处理情绪音乐时工作。不同的活动形态如何联系到不同的脑半球区域如此被发现。

同年，Blood 和 Zatorre为音乐如何使人高兴提供了进一步的线索。当他们扫描听音乐中高兴得颤抖的音乐家的大脑时，发现音乐激活的是由食物、性和致瘾药物刺激的同一反馈系统。

总之，迄今为止的发现证明音乐有其生理基础，大脑有处理音乐功能组织。相当清楚的是，甚至在研究的早期就发现，很多脑区域参与特殊的音乐处理过程，无论是理解乐曲还是情感反应。音乐家们看来具有某些额外的、超常的脑部结构。这表明学习从两个方面改变了大脑，一方面是单个细胞对那些对个体生物来说重要的声音反应敏锐了；另一方面增加了参与这一反应的细胞的数目。在音乐与脑研究的将来，我们不但能够深入理解音乐本身和它存在的理由，我们还会知道其最终的本质。