王小勤，约翰·霍普金斯大学终身教授，清华大学兼职教授,生物医学工程系主任,国家“千人计划”入选者。

演讲 | 王小勤（约翰·霍普金斯大学终身教授、清华大学兼职教授）

整理 | 邓志英

责编 | 徐可

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大家好！今天很高兴有机会和大家分享神经科学在音乐和音乐研究方面的基本知识。刚才大家听到周老师的精彩演讲，很重要的一点是音乐和人类感情的关系。音乐本质上是一个听觉现象，不是从图画上看到的，而是听到的。我本人是研究听觉系统的声音科学家，研究兴趣和音乐有关，我今天接着讲活动的第二部分，音乐与大脑的关系。

目前来看，科学研究对于大脑如何处理音乐还是刚刚才开始，还不很全面。有些观众问，为什么研究音乐和大脑的关系？周老师讲得很好，音乐说到底是调整我们人的情绪、内心心理的问题。从神经科学角度来讲，这就是大脑在工作。

这个图是桂林山水甲天下，我在国外很多地方做报告，把这个图放给大家，大家都说很美。这跟周老师讲的有一点相似，在音乐上也存在这种很广泛的美。

从神经科学角度讲，我们为什么会喜欢听音乐？不光中国人，欧美、非洲、印度，全世界的人有一个共性，我们都喜欢听音乐，为什么？不要音乐也能生存，为什么要听音乐？音乐的美感是怎么产生的？从神经科学角度去问，为什么有些听了很美，有些不美呢？

图中最左边是人的大脑的输入，就是耳朵。我们听音乐或者马路上的噪声，都经过耳朵的。所以从神经科学角度讲，第一步，在回答为什么音乐会引起感情之前，我们需要知道为什么大脑知道听到的是音乐，而不是噪声或者是杂乱无章的声音？当音乐信号和非音乐信号进入听觉系统时，听觉系统应该有一个处理方式，这是不需要后天学习的，可以自动区分开。大脑把音乐送到负责感情的区域，使得我们产生相应的感情。从这个角度来讲，处理音乐的大脑系统，最终还会影响我们怎么“生产”音乐。作曲家作曲的时候是有一定规律的，能够预期到听众会有什么感觉。从这个意义来讲，大脑处理听音乐的方式，最终和作曲家作曲的方式是连在一起的。

从科学角度讲，为什么我们对音乐有爱好呢？这是几年前的研究，研究者找了一群美国大学生，让他们听和谐音、不和谐音并打分。左边的图纵坐标，高就是喜欢，低就是不喜欢。最后得出的结论很清晰，大学生们更喜欢和谐音。让在座听众参与研究应该能得到一样的结果。

那为什么大家会喜欢这个东西呢？这就要回到音乐的听觉本质上。听觉上最简单的信号是纯音，就是一个音叉发出的声音一样，正弦波，这还说不上音乐的。什么是音乐？我下一张图给大家看。

这是一个音乐的三维图，频率、时间、强度。如果把音乐与纯音相比，纯音就是现在图中的一条红线，非常简单。但是整个音乐包含着丰富的信息。那么从神经科学角度讲，我们的问题是大脑怎么把里面的信息提出来，以至于最终能够产生感情？

要做这个问题，可以把音乐分得更细，这里用一段人类语言做例子，但和音乐是类似的。音乐里面由慢到快地过渡，现在给大家画的最上面是比较慢的。同样一段音乐和语言，最慢的是韵律，稍微快一点的是音调，再快一点是音色。从数学角度来讲，音乐从快到慢是可以逐步描述的。

听觉系统第一步能够听到声音，是因为耳朵里面有一个结构，叫做耳蜗。耳蜗里有一些细胞，任何声音能够被听见，首先都要经过这一步。

这一步做什么？做两件事情，第一个，把声音转换成神经电信号。耳蜗里面有很多细胞，叫做内毛细胞，这种细胞在有声音刺激振动的时候产生电活动，就会产生细胞输入、声音电位，这就是所谓的动作电位——没有学过的，可以理解为电门冲撞——最终输入大脑。所以能不能听见声音，是从耳蜗开始的。有些儿童失聪，就是因为第一步这个地方坏掉了。

还有一步，怎么知道听见的是低音还是高音呢？把耳蜗打开，会有频率在里面响，人的听觉系统就是在这个地方定音乐的高和低的。这里因为器械振动问题，从左到右，声音从高到低一字排开，就像一个钢琴键盘。可以说，人的耳朵是大自然通过进化产生的一个钢琴键盘。

当你在低音键上敲一个声音的时候，是在右边反映。如果在高音键上敲一个声音，是在左边反映。那么音乐是什么位置反映呢？音乐是很多键盘同时在敲的，所以音的高低是从这个地方开始的。但是这仅仅是第一步，而当我们大家说大脑听见声音，声音已经从耳朵经过5到7步处理。

左下角，就是耳朵后面的结构，耳蜗，高音和低音由此分立，接下来经过好几级——这是一个解剖图——由听神经、耳蜗神经核逐渐走上去，走到一个位置叫做下丘，再由丘脑最终走到听觉皮层，即通常讲的大脑。在听觉皮层接到声音信号的时候，信号已经了5到7级处理。总体来说，听觉系统是一个比较复杂的系统。

具体怎么处理声音呢？通俗化来讲，大脑里面也有一个钢琴键盘，也就是说每个人大脑里面，如果能看见神经细胞，也是从高到低排布的。声音的高低还有强度，听觉系统都可以表达。在这以后，声音会从听觉皮层走到大脑其他的位置上去，大脑里面很多区域，整个区域合在一起，使得我们最后能够听清声音、听清音乐。

大脑结构化，不是我们人才有的，我现在给大家看若干个灵长类动物的大脑，比如这是人类大脑，这里面分区，刚才讲听觉皮层在这儿。这叫旧大陆猴类，他们大脑和我们很相似，这是新大陆猴类，生长在南美的猴子，他们大脑听觉在这儿。

为什么做科学研究要关注这个问题呢？回到周老师给大家提出的问题，从音乐研究来讲，如果音乐有超文化的现象，有这种普适的发现，那么我们就会问人的听觉能力是从哪儿来的？其中一个方法就是研究和我们人很相近的动物的大脑。

现在，继续回答这个问题，音乐在大脑中是如何被处理的呢？如果放一个纯音，试图按一个钢琴的键，大脑皮层记录一个细胞，大脑里面有成千上万的细胞，每一个细胞相当于计算机小小处理器，这个细胞可以放电。怎么放电呢？这要看音乐里面有些什么成分。这是一段小提琴的音乐，大家看到音乐里不光是纯音，还有很多谐波，动物的叫声里也有很多谐波。这是一种蝙蝠的叫声，有很多谐波。这是一种猴子，这是他们的叫声，这里面也有很多谐波；从广泛应用角度讲，人能听到音乐的结构化，动物界也能听到。对人来讲和音乐相关的是什么呢？是人的语言。每当我们讲话的时候，喉管振动，产生一个音调。这个音调的高低最明显的差异是男性和女性，女性声音比较高一点，男性低一点。这在中文里很明显，中文的四声就是调这个音调。如果分析音乐，里面有很多结构，其中最重要的就是音调。为什么音调很特别？如果给大家放一个纯音，100个赫兹，你会听见100。如果同时有另外一个纯音， 200、300、400、500，你也会听到100个赫兹，相当于钢琴上同时按几个键一样，得到的声音还是一个100赫兹，也是一个音调。

这在听觉里面是非常重要的现象，就是听觉系统听复杂信号，包括音乐，是要做一个计算、而不是直接听进来的，我们是算出来的。这些例子是把音调算出来的，这里并没有100赫兹在那儿。

人是怎么听这个音调呢？这个工作做了50多年了，研究得出人类对音调感知的三大特征。

一个耳蜗就像钢琴键盘，从左是高频，右是低频。比如把三个纯音组成的谐波放在低频，因为放得比较开，因此每一个纯音都是可以被听觉系统分辨的；但同样把三个谐波放在高频的时候，会相对比较密，所以是不可分辨的。这第一个规律就是指我们人类对低频谐波构成的音频的敏感度最高，高频相对较低，即人类听低频时更清楚，听高频稍微弱一点。

第二，在低频的谐波区间，频率成分对人的音调感知起决定作用。如果把中间这个稍微挪动一点点，你立马能够听见，这是人的敏感性。（例如，在一组每次增加100赫兹的规律性音频中，突然加入一个只增加95赫兹的频率，人类能够立刻注意到这个“突兀的不同”。）

对比之下，在高频的时候，对距离不敏感，这时怎么听音调呢？主要是取决于人们对声波的时间调制函数的敏感性。任何一个信号、频率对应有一个声波的成分，这是人可以听的，和人听音乐的敏感性是息息相关的。

要最终理解大脑怎么处理音乐的，首先要理解大脑是怎么处理音乐里面的关键成分的——其中一个就是音调。

十多年以前，我们做了一个实验，在狨猴这种南美洲猴子的大脑里发现有这么一个区域，蓝色是高频，红色是低频，低频有这么多神经元来负责检测音调——有很多研究发现，在人的大脑里面也有这样一个检测音调的区域——这一次，是我们科学研究中第一次在人的大脑以外发现有音调的检测区。这个工作很重要，因为回答了一个一直没有答案的问题：音调检测是我们人类特殊仅有的，还是我们从进化中逐渐得到的？这个研究告诉我们，至少在音调这个问题上，猴子和人是有共性的。十年以后我们又发现，在听音调上，刚才讲的人类三条最基本的原则，狨猴都有。

最新的研究表明绒猴具有和人类高度相似的音调感知。Song, Guo, Osmanski and Wang (PNAS, 2016)

这种相似情况能说明什么问题呢？我们回到音乐到底是怎么产生的这个问题。这是现在考古上发现的最早的音乐乐器，一个3.5万年的笛子，这说明至少人在3.5万年以前就开始有音乐了，现代音乐就更晚了。

3.5万年是什么概念？我们再往回看一下地球，大概3000万年的时候，大陆板块分离，美洲和欧亚大陆分开了，而刚才给大家讲的绒猴在美洲。什么意思呢？如果看进化，我们人的进化是在这个地方，3-4万年前；离我们更近的是大猩猩，然后一直往前走，美洲的猴子什么时候分开呢？是3000万年以前就分开了——如果发现大猩猩能够听音调不是那么惊奇，但一个猴子3000万年前也能听音调，说明人听音调的能力可能早就存在了。而我们发现人最老的音乐乐器是3.5万年，也就是说人类所知的有音乐乐器的历史，和我们大脑的发育过程相比是非常微不足道的。

从神经科学角度讲，也许我们可以说之所以今天有音乐，不是我们人凭空想出来的，而是我们的大脑已经有这个音乐基础了；不过直到现代以后，我们人才把这个大脑功能发展为音乐。

刚才周老师讲到，音乐一个很大的功能是产生感情。我们在人身上做过若干工作，图中是人的大脑图象，在听见一个很愉快的音乐时候，这个脑区会活动，甚至当你期待听音乐，还没有听到的时候，脑区也会有活动。如果你第一次听见一段音乐，类似的脑区还是会有活动的。这些脑区和刚才讲的听觉大脑区域是有联系的，大脑里面有很多区域在做音乐处理。

大脑对音乐产生情感反应的神经响应。Robert J. Zatorre, and Valorie N. Salimpoor PNAS 2013

如果要问我们为什么会喜欢听音乐？从神经科学角度来讲，其实应该是这样讲的：不是我们想听，随便想写一个音乐，而是听音乐起源于我们大脑。如果人要理解音乐和大脑的关系，还要通过音乐家和神经科学合作，了解神经机制。时间有限，我就讲到这儿，谢谢大家！

本文图片均来自王小勤演讲PPT。