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腦,演化與學習_語言、音樂與腦
by 陳怡蓁, 2012-08-30 15:37, Views(1710)

語言、音樂與腦

謝豐舟

前言

這幾年在生物醫學,腦神經科學以及人文社會科學的領域中獨自摸索,逐漸體認到語言與音樂是探索人類腦神經系統的鑰匙。為此,我從20107月開始去上鋼琴課,每週一次,一次二小時,雖然是「臨老入花叢」學起來格外吃力,但半年下來對音樂總算有了初步的體認與了解。

今年我的通識課「從現代生物學看人類行為」,除了原來周泰立老師Brain & Language的課外,又增加了一堂音樂課。1119邀請台北愛樂電台主持人Zoe在文學院小劇場介紹The music of Chopin and its underlying emotionZoe用台大的Bosendorf鋼琴一邊演奏蕭邦的音樂,一邊向同學們講解蕭邦的生平及音樂中的情緖,今年恰是蕭邦誕生200年,這堂課顯得格外具有時代意義,希望同學從我的通識課增加對語言的音樂的認識。

我們這一班: 通識課從現代生物學看人類行為2010.12.30共同教室三棵老松下留影

 

 

近來看到Nature有兩篇關於Science & Music的文章:Neural roots of music以及Talk of the tone,前者討論人類對音樂感知的基本原則,後者在探討音樂與語言的關係,深覺有趣,因此將之翻譯,並參考“劍橋音樂入門 ”稍加闡述,以享同好,也希望藉此引起大家對「音學與語言」本質的省思。

 

 

 

 

關鍵字:音高(pitch)、節奏(rhythm)、音調(tone)、音階(scale)、音符(note)、旋律(melody)、和諧/不和諧(consonance and dissonance)

 

)音樂的神經學基礎

 

為了尋找原創的聲音,二十世紀中葉重要的作曲家如Arnold SchoenbergPierre Boulez和他們的學生摒棄了過去的節奏和音調格式(tonal and rhythm forms)。他們堅持嚴謹的作曲技巧,像是連續音列法(serial tone-row method——所有的半音音符平均地重複出現而捨棄音調(tonality)。作曲家會寫出這種風格的作品,但是現在却很少有人演奏。1999年,Boulez被問到為何有這種現象時,他說:「或許,我們沒有周詳考慮聽眾到底如何感受音樂(well, perhaps we did not take sufficiently into account the way music is perceived by the listener )。」

 

我們如果了解人類聽覺的結構和發育的過程以及經驗如何影響聽覺,也許有助於解釋為何有些音樂的實驗大獲成功而有些卻乏人問津。例如Gustav Mahler的音樂、Igor Stravinsky的交響樂,還有John Adamsdissonance(不和諧/或非共鳴)音樂當今很受歡迎,但是像Luigi DallapiccolaLuigi Nono的作品卻乏人問津。

 

音樂在我們的腦中創造,由身體演奏,透過感覺器官接收並且由大腦再次演繹。因此,它不但受到整個知覺神經系統的一般限制,也會受到我們聽覺處理能力的特殊制約。(Music is conceived by our brains, played through our bodies, perceived through our sensory organs and then interpreted by our brains. Thus it is subject both to general constraints of our neural system and to specific constraints of our auditory processing capacities.)

 

在孩提時代,人體數十億計的聽覺神經細胞構成了千萬條與其他神經細胞的連結,創造出神經網絡。基因控制了神經的迴路、組織的增生,最後再修剪出適當的連結,形成最有效率的聽覺處理迴路神經。生活的環境也深入影響著神經系統的形成。研究顯示,大鼠若從小豢養在只有白噪音(white noise)而全無音調和韻律的環境下,他們就無法判斷日常生活中的聲音,甚至連分辨音調的能力也嚴重受損。

 

某些聲音會引起人類特定而強烈的情緒,這可能是我們的聽覺系統歷經過演化過程的證據。較低、較大聲和不協調的聲音引起恐懼;快速、高亢和協調的聲音而且比較高引發友誼或歡樂。全世界的母親都會用比平常與人對話更輕柔的聲音對幼兒說話或唱歌,幼兒喜歡這種較高的聲音,母親也藉此穩定尚未學會說話的孩子們的情緒。另一個在世界各地常見的現象是,和小孩玩耍時所唱的歌曲都是比較快、比較高並且有加強的節奏重音;而搖籃曲就都是緩慢和輕柔的。

 

無論對任何年紀的人說話,當音高降低時表示舒適;較平板或高亢的音高表示恐懼;鐘型輪廓的音高則表示快樂和驚喜。在聽到不熟悉的音樂時,聽者大多會根據上述音樂的特性而展現產生情緒反應。

 

音樂是植基於人類在長遠演化過程中所發展出來的聲音處理通則,同時也包括了音調、旋律與和聲的結構(rhythmic, melodic and harmonic structures)。和語言一樣,音樂的結構和形式隨文化背景的不同而大相逕庭,不過其變化却仍需受到生物學的制約。

 

 

舞動節奏:

 

音樂的節奏可能源自控制動作、呼吸和心跳的運動神經。當父母輕輕搖晃嬰兒並唱著搖籃曲時,嬰兒同時接收到互相關聯的聲音和動作;許多像這種在幼兒時期感受到的經驗,會讓聽覺和動作在腦中有更多的連結。

 

儘管音樂會讓我們想要跟著節拍動作,其實是動作先行演化出來,接下來大腦中的運動神經和聽覺神經會產生許多連結。因此,動作確實會影響我們對節拍的解讀。且讓我們用一個重複六拍子而沒有重音的音樂來做實驗,聽者會產生兩種結果:一種聽到的是兩組三拍子的組合(如同華爾滋),另一種聽到的是三組兩拍子的組合(如同進行曲)。不過受測者的身體若是每兩拍起伏擺動一下,他會表示聽到的是進行曲,身體若是每三拍起伏起擺動一下則聽到會是華爾滋。

 

在人類演化過程中,內耳前庭(vestibular system)不只可以保持人體的平衡,更在節奏感受和人體動作的互動中扮著重要的角色,這表示音樂和舞蹈可能是同時演化出來的。若對內耳的感覺神經進行左右交替的刺激,則會令人產生頭部左右揺動的感覺;這種實驗若與上述六拍子的實驗同時進行就會影響聽者聽到的是進行曲或是華爾滋的判斷。

 

西方的音樂不論流行或古典,都傾向使用簡單的節奏結構(rhythmic structure)做為基礎,然而許多其他文化背景下的民俗音樂則使用複雜的節奏,例如7拍與11拍互相結合。幼兒可以理解複雜的節奏,但是若不是長期處於這樣的環境下,在一歲前就會失去這項能力。

 

人體對於複雜節奏的處理能力也許可以回答為何20世紀以來節奏性的實驗音樂會比音高性的實驗音樂來得相對成功。這說明了世界上許多傳統文明所使用的各種節奏結構已經融入於各種音樂之中的現象,而我們也就不難理解爵士樂作曲家George Gershwin和大受歡迎作曲家如Stravinsky, Bela Bartok, Jennifer Higdon以及電影配樂作曲家Danny Elfman的豐富韻律為何如此感人。

 

 

音高的入侵

 

在音樂中音高的使用,反映出人體的辨認物體與分辨聲音來源的聽覺機制的限制,此一限制從各種不同音樂中幾乎無所不在的和諧/不和諧(consonance and dissonance)規則中可以明顯看得出來。此外,音樂中以八度音階為單位重複使用不同的音調組合,減少了聽者必須記住的音符數量;以及在音階中使用至少兩種不同長短的音程,而形成西方全音階(diatonic)中所謂「主音」(tonic)和「屬音」(dominant)的誕生,在在都是此一聽覺機制限制的表現。

 

感覺上的不協調是源自於內耳耳蝸中基底膜(basilar membrane)的震動,以及這種震動導致的神經細胞激發形式。鼓膜就像是一個傅立葉分析儀,它會對一個聲音的每個組成頻率產生反應,最高與最低頻率各在基底膜的一端,當同時傳來的兩個聲音其頻率的間距若小於某一臨界頻寛,兩個聲波就會在基底膜上產生交互作用。這也是為什麼我們在聽和弦時,會因為許多不同音調夾雜其中,而無法聽清楚每個音(critical bandwidth)。

內耳耳蝸中基底膜(basilar membrane)

 

一個聲音讓人感受到的音高等於某一個基本頻率的整數倍數亦即harmonics的能量總和。同時間傳來的兩個聲音其harmonics若是小於critical bandwidth就會產生不和諧的感受。

 

情緒也會隨著音樂而有高低起伏。協調與不協調聲音之間的交替在這方面有很大的影響力。不協調的聲音也可以很美妙,特別是從不協調轉換到協調時,效果更加濃烈。作曲家大可不必使用這種特殊的感覺效果,以及忽略人腦辨別音調和音階的資訊處理能力,但是這會使得他們創作的音樂變得更艱深難懂,因為這樣的作品違反了和人類神經系統的基本生理原則。

 

對音樂的感受會受到經驗的影響。幼兒在成長過程中會自然學習到其文化的音樂環境中音高的組合,並以此作為處理音樂的依據。即使未受過音樂相關訓練的西方民眾,也可以不自覺地知道西洋的大調音階,他們可以很輕易的指出一個位於旋律所根據的音階之外的音符,但對音階之內的錯誤則較難發現,因為這未違反他們下意識的認知。此外,一歲以下的幼童因為不會根據音階來處理音樂,因此也不會指出違反大調音階結構的錯誤。

 

經驗法則

 

和聲結構(harmonic structures)(依據音樂語法排列好的和弦)是西洋音樂的主流,但是在其他音樂的體系中並非如此。若沒有經過特殊訓練,孩童對和聲結構的感受要到五歲之後才會出現。

 

音階和和聲結構都需要學習。相較於對和諧/不和諧聲音的音感,音階和和聲結構在解讀上更有彈性,也在各國不同的音樂中展現出豐富的多樣性。例如,西方的大調和小調使用不同的音程,而印度的傳統音樂則使用五聲音階和其他許多的音律。像是ragas,裡面包含許多即興創作,低沉的吟唱或是單音調,這在西方完全遵守音樂規律演奏的音樂中是很少見的。由於我們具備著對於不同音階體系和和聲結構的學習能力,可以讓作曲家有更多創作空間來寫出讓聽眾可以感受而且喜愛的作品。

 

謹將本文要點整理如下:音樂中頻率與時間的組合——即音調和音高(rhythm and pitch——源起於我們的生物本能。神經系統的限制使有些音樂結構比較易懂易學,促成了某些音樂的通則。當音樂的協調與不協調不能配合旋律的起伏與張力,或是所有音高都相同時;這樣的音樂難以解讀,大部份聽者也不敢領教。不過同樣的,過於簡單和好猜測的樂曲又會顯得無趣。

 

聽覺系統的彈性和其對後天學習的依賴性讓我們可以發明更多新的音樂結構,也讓品味隨著經驗和熟悉的程度有所改變。許多過去不被看好的作品在現代卻獲得了高度評價,歷史上不乏初演時引起暴動但後來却被聽眾接受的作品,例如Stravinsky作品《春之祭》,還有樂評家認為艱澀難懂的貝多芬第三號交響曲《英雄》。長久以來沒有改變的,是我們的演化傳承、感覺器官的構造,對於聲音資訊的編碼方式以及對音樂的生理反應,這些因素得以使音樂在我們的生活中發揮極大的情緒影響力

 

)音樂與語言

 

欣賞及演奏音樂需要大量的腦部活動,也需要同時運用許多不同的腦內機制。我們會直覺地將對音樂的知覺能力和人類其他複雜的知覺能力聯想在一起,而其中最接近的當然就是語言,因為語言和音樂一樣,都必須解讀一連串的聽覺訊息。

 

音樂和語言的基本解讀方式是否相同,雖然在實證上的研究才剛開始,不過已有令人興奮的進展。不論是知覺上對聲音如何編碼,或是如何將聲音整合成有系統的文字或音符,從這兩大領域——音樂和語言的基本理論中,將來可望找到更多共通點。音樂和語言的比較性研究也將對此兩大領域的探索提供新方向,所產生的貢獻可能只比研究單一領域來得更加深入。

 

過去此一領域的研究,幾乎全部集中在探討西方語言和音樂的相關性。由於兩者在理論和實務上已經都有相當豐富的文獻可供參考,很適合做為比較性研究的基石;不過現在是將之延伸到更廣泛的文化範疇的時候了。

 

全世界共通音樂原理是八度音程(Octave):相隔八度的音聽起來似乎是同音再現

 

從西方的文化背景來看音樂和語言的關係時,常會引發許多有趣的研究問題。例如,音階(像是do-re-me-fa-so-la-ti-do’)和語言有何關聯?乍看之下,答案似乎是「幾乎無關」。人類的語言中,即使像漢文中不同音調(如:平上去入)可以代表不同的意義,但也無法找到像do-re-me-fa-so-la-ti-do這種音階的語言。

 

西方人傾向於將音階的結構視為自然的產物,它反映了聽覺法則(laws of acoustics)和聽覺生理學(auditory physiology)。這一點最早的例子就是畢達哥拉斯依據線繩震動實驗提出「萬物皆數」的觀點,也就是音階和其音高的差距就像是「可聽見的數」(mathematics made audible)。

然而,爪哇部落使用的甘美朗音階系統(Javanese pelog and syendro scales)就無法對應西方的音階,而每一個甘美朗樂器之間亦有非常多種各不相同的音調。這些細微的音符差異所演奏出的原住民音樂,在當地人聽來如癡如醉,西方人卻可能覺得五音不全。

 

因此,西方的音階並不能通用於全世界。真正可以通用並且跨文化的音階系統,其實是八度音程(Octave)在八度音階中使用一組小而固定的音高與間隔做為演奏與欣賞的架構(What is universal across cultures is the use of a small and consistent set of pitches and intervals within the octave as a framework for performance and perception.)。即便在不同文化背景下,也聽者可以直接透過接觸以及潛意識地從連續而音高不斷變化的聲音訊號中以八度音階為依據擷取特色的音高類別。著名的數學家畢達哥拉斯(Pythagoras),可能是第一個發現關於音程的人。最基本的音程是八度(Octave):相隔八度的音聽起來似乎是同音再現。當演唱或演奏音階時,聽者會感覺到第八個音就是第一個音的「同一個」音,只是比較高。當男人與女人一起歌唱時,男人很自然地比女人低一個八度。

 

畢達哥拉斯發現相隔八度的兩音之間存在著2:1的自然比率。一條兩英尺的弦振動時,會產生一定的音高,當弦的長度減半成一英尺而保持同樣的張力時,產生的音高會增高一個八度。若保持兩英尺的長度而使其張力增加一倍,其音高也會增高一個八度。

 

 

音樂和語言在將聲音分類的過程中,是有著概念上的相似。每種語言都有自己獨特的一套發音方式,該種語言的使用者則是以潛意識的學習方式學會將這些聲波辨識為可聽懂的聲音。音樂使用音高(pitch)來區分音符(notes)和音階,語言則大量使用不同的音色(timbre)來區分發音的不同。

 

最重要的是,當面對複雜而且隨時變動的聲波時,兩者主要都是依靠心智能力來創造並維持將聲音分類、分段(rely on the mind to creat and maintain discrete sound categories)。即使語言和音樂在最後的「產出」並不相同,但是在它們在大腦內運作的過程中,卻可能使用了一些相同的機制。

 

節拍之詩:

 

在音樂和語言的關聯性研究中,來自西方國家以外的文化引發了一個新的議題:節奏感知的基本面在(The basic aspects of rhythm perception)世界上的共通性究竟可以高到什麼程度?西歐的研究長期以來始終認為在節奏感知方面有一個共通的現象:聽者有將聽到的聲音自行分組的傾向。例如,若是發出一段「長-短-長-短-長-短……」的聲音,西歐的研究指出聽者最後聽到的是長音,亦即在聽覺上聽到的是「短-長-短」的組合,而非另外一種可能的「長-短-長-短」。但是最近針對非西方文化的節奏感受研究則顯示,節奏解讀的共通性也會因為文化而有差異,例如許多日本成年人在實驗中聽到的就是「長-短」的組合。

 

上述的差異不可能是天生(innate),而可能和日本文化中的聽覺形式(auditory pattern)有關;也許你會認為造成這種差異的應該是日本文化中為人熟悉的音樂節奏,但在與日本的合作研究發現,導致這種差異的關鍵因素其實是語言。英語和西歐語系會將發音較短的冠詞置於發音較長的名詞之前(例如"the book"),因此累積了大量的「短-長」單字組合。日本語則會將名詞放在冠詞之前(例如"hon-wo",hon表示書本,wo是冠詞),較常見的反而是「長-短」的字組。

 

語言的文法結構對於聽者感受環境周圍的聲音、節奏有極大的影響,甚至也會影響對於語言以外的聲音解讀。接著我們將用更多跨文化的研究來驗證這個假設。

 

擊鼓聲與口哨:

 

有些聲音並不完全符合音樂或語言的歸類,而是與兩者都有相關。例如在非洲中西部的「說話鼓」(talking drums),鼓手可以透過模仿非洲語言發音的音調和節奏,來傳遞如同說話一般的訊息。在這種情況下,每個不一樣的音高形式就像它的母音和子音,改變一個字的音調的,也會改變一個字原本的意思­­——例如從"wing"變成"bag"。

 

奈及利亞的約魯巴人會演奏一種沙漏狀的鼓,名為dundun。在表演過程中,指揮者甚至可以透過鼓聲來和其他團員「說話」。中非的剛果北部,一個叫Lokele的地區會用切開的空心樹幹當作大鼓,和叢林的另一端互相傳遞像語言一樣的訊息,彼此聯繫的範圍遠大於人聲可以傳達的區域。熟悉鼓聲的人就可以聽懂其中的語言,但是對不懂鼓聲的人而言卻無法辨識。這種鼓聲並不限於既有的語句也可以用來傳遞新的語句,但會因為相同的音調形式代表著不同的字彙而降低溝通的效率,不過他們將字彙放置在更綿長和有規則可循的詩句中,來解決上述的缺點。

 

另一個可以代替說話的則是口哨語(whistled language)。口哨可用來傳達有音節的節奏和音調形式(tonal pattern)。其中,口哨聲的大小表示節奏變化,而聲音的高低則可區分音調。在非洲、亞洲及中美洲都可見到口哨構成的語言系統。例如,分布於亞洲東南方的苗族人就根據他們語言中的七個音階發展出口哨語。除了一些母音和子音的細微差異,當地人可以輕易的辨識出這種語言。如同鼓語,口哨語也可以將原本看似音樂的聲音變成傳遞訊息的語言。一般的語言甚至聽不懂人也知道它是一種語言;但像口哨這樣的語言對聽不懂的人就只是口哨聲而絕對不會認為它是某一種語言。

 

關於人腦如何解讀鼓語和口哨語的認知過程,至今尚未有明確答案,現代的神經科學幾乎也沒有相關的研究,不過其中可能隱藏著語言與音樂兩者共通的生物學基本建構單位的線索。

 

這些非西方文化的音樂研究顯示,音樂在大腦中的分布並非像一座獨立島嶼(Music is not an island in the brain),音樂和語言系統間的緊密連結可追溯到柏拉圖、達爾文和Ludwig Wittgenstein等人的哲學思想;現代的認知科學以研究代替臆測,並且找出許多將語言和音樂連結在一起,進而形成感覺系統的線索。這些研究結果引起了許多的辯論,包括語言的模組化過程(modularity)或音樂的演化起源。人類不僅是有語言的物種,更是有音樂性的物種(We are a musical species as much as a linguistic one);透過對此兩大領域的深入研究,我們將可以更加了解,是哪些人腦的機制讓我們擁有這種獨特的聲音辨識能力(remarkable power to make sense of sound)。

 

取材文獻:

 

1.L. Trainor: Science and music: The neural roots of music Nature 453.598,2008

2.AD. Patel: Science and music: Talk of the tone, Nature 453,726

3.劍橋音樂入門 The Cambridge Illustrated Guide of Music

果實出版 2004