为了听音乐，人类把大脑逼出了新功能
2019/12/19 7:37:40 生物流BioStream
当你随着音乐思维跳动、翩翩起舞时，你应该感到庆幸。因为两千五百万年前，在进化道路上跟人类分道扬镳的猕猴就没有这么幸运，它们无法体会到泛音的美妙。近日发表在《自然神经科学》上一篇研究，通过功能核磁共振脑成像发现，猕猴并没有对泛音响应的脑区，而人类有。
泛音和基音
拿吉他举个例子。吉他弦振动时，它发出声音的不是纯音，即频率不是单一的，而是由基音和泛音构成的混合音。比如，吉他第5弦空弦振动时，它发出的声音是由一系列不同频率的振动产生的。这些频率分别为110Hz、220Hz、330Hz、440Hz、550Hz等等，其中110Hz是基音，是由整根弦振动产生的。而泛音频率则是基音的整数倍，是吉他弦分成几段振动形成的。其中220Hz为第一泛音，330Hz为第二泛音，以此类推。泛音决定了乐器的音色。
泛音是怎么产生的呢？
手指拨动琴弦后，弦的振动会向两端传递。当振动碰到弦两端的固定点时，振动便无法继续，但它会反射，反过来行走，形成反射波。反射波会跟原始波叠加，形成驻波。我们可以求解一个偏微分方程来得到一系列驻波的频率，这些频率便是基音和泛音的频率。形象一点，请看下图：
泛音形成示意图
当原始波和反射波叠加时，仔细看，你会发现原始波之外的频率波，它们就是泛音。
此外，我们说话的声音也富含泛音。声带是主要的发生器官，它利用自身振动和开合，将肺部呼出的连续气流变成疏密波，然后经过舌头，嘴唇等的复杂协同运作，最终发出我们想要的声音。
声带的振动和开合
我们的语音中的泛音主要来源于声带。声带振动会产生泛音，产生泛音的机制跟琴弦类似，只不过是声带是二维的，形成的驻波也是二维的。泛音决定了一个人声音的音色。
泛音和音高
音高(pitch)是我们对声音频率这种物理量的主观感知。音乐里音高的变化产生了旋律，说话时，音高的变化可以表达强调和意图。而泛音在音高的感知中起了重要作用。
对于单一频率的纯音来说，音高由该单一频率决定。对于一个由基音和泛音组成的复合声音来说，我们对音高的判定是由基音的频率决定的。相对于泛音，基音的频率低，响度最大，在复合声音中占主导。
反直觉的是，我们对复合音音高的判定比纯音更精准。其实仔细想想，也容易理解。打个比方，单独的基音或纯音好比人脸，泛音好比人的四肢躯干。根据人脸我们可以判断这个人是谁，但光线有时会影响判断。如果加上走路姿势等信息，判定自然会更准确。
进一步，对于一个缺失基音，只有泛音的声音来说，音高是由泛音中的最低频率决定的吗？
声音‘啊’的频谱，基音频率最高
答案是否定的。泛音的音高是由缺失的基音决定的。
这是因为大脑可以根据泛音推测出缺失的基音，进而判断音高。就好比王寡妇生了一个儿子，明眼人一看就知道是隔壁王叔叔的。这是因为，虽然王叔叔不在丈夫和父亲的位置上坐着，但儿子的大头，除了王叔叔，在村儿里没有第三个人能匹配的上。
一句话，人类的大脑可以处理和感知泛音。
那么，问题来了。大脑哪一部分负责泛音的感知？对泛音的感知是人类独有的能力吗？
人类大脑听觉皮层能感知泛音，而猕猴不能
科学家招募了4个被试和3个猕猴，让他们听泛音(第3到第6泛音，没有基音)和频谱范围一致的噪音。对于噪音，因为没有一个清晰的稳定的频率，人类无法确定噪音的音高。因此，噪音是一个很好的参照声音。
实验中泛音刺激的频谱图
几乎在听泛音和噪音的同时，科学家用功能核磁共振技术扫描了被试和猴子的大脑。结果表明，在人类的听觉皮层，存在大片对泛音反应显著高于噪音的区域，而在猕猴听觉皮层却没有这样的区域。猕猴的听觉皮层对泛音的反应跟噪音差不多，有些区域的反应甚至比噪音还弱。似乎对猕猴来说，泛音并不重要，没有更多的意思蕴含在泛音之中。
黄色代表对泛音反应的区域，猕猴听觉皮层没有
人工合成的泛音广泛存在于人类的音乐中，人类被试无比熟悉。是不是因为猕猴对人类社会的泛音比较陌生，才导致的上述结果呢？为了排除这种可能，科学家利用猕猴叫声的泛音重新做了上述实验。结果还是一样的。猕猴听觉皮层对它们叫声中的泛音视而不见，而人类听觉皮层对猕猴叫声中的泛音反应却很强烈。
综上，相比于噪音，人类听觉皮层对泛音反应强烈，而猕猴听觉皮层对泛音的反应较弱。因为人类可以根据泛音推测出音高，却无法感知噪音的音高，所以这些区域很可能就是负责音高判定的区域。
为什么人类会对泛音敏感？
人类为什么会进化出对泛音敏感的大脑呢？答案在于人类对音乐和语言的硬核需求。
音乐在人类进化中起了重要作用。达尔文在《物种起源》中说，音乐可能有助于人类吸引潜在的配偶。会唱歌会乐器的异性更有吸引力。还有一种理论认为，当人类祖先战斗时，他们会同时发出有节律的、响亮的呐喊声来震慑敌人或捕食者，音乐就从此进化而来。乐器和歌声里洋溢着各种各样的泛音。不同的泛音成分决定乐器的不同音色；技艺高超的歌唱家甚至能利用一种叫做泛音唱法的技巧，同时发出两个音高的声音(一个基音和一个特定频率的泛音)。试想一下，如果我们无法感知丰富多彩的泛音，音乐该有多么的干燥乏味。
音乐中泛音艺术图
语言对人类的重要性怎么说都不为过。从某种程度上说，语言成就了人类，语言将人类与动物区分开。而人类的语音中充满了泛音，泛音决定了一个人的音色，使我们很容易分辨声音是谁发出的。
正是基于对语言和音乐的硬核需求，进化才使人类大脑对泛音的处理水平一骑绝尘，甩了猕猴几百万条街。
总结
人类大脑充分利用泛音来感知音高、欣赏音乐、分辨音色等等。人类大脑的这种能力来源于进化中处理音乐和语言的压力。而人类的近亲猕猴，既没有对音乐的需求，大多时候又没有发声交流的必要，因此在进化过程中没有发展出对泛音的处理能力，以前的行为学实验也验证了这一点。
音乐和语言的需求，让人类进化出了处理泛音的能力。而这种能力反过来让人类的文明更加绚丽多彩。
参考文献：
Divergence in the functional organization of human and macaque auditory cortex revealed by fMRI responses to harmonic tones. Nature Neuroscience (2019)
源网页 http://weixin.100md.com
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