大腦如何感知音樂中節奏與結構——從拍子到小節
我們對節奏這個概念並不陌生，生活中我們經常說生活有節奏，做事有節奏，睡覺有節奏~~閑著無聊抖抖腿，也有節奏。而且不光我們，自然界的萬物也有著各種各樣的節奏，比如小貓走路，蝴蝶飛舞；還有日夜交替，潮水漲落。而且節奏分為不同的層次，比如音樂中有拍子、小節、樂句等不同層級的結構，這些結構都有自己的節奏。
雖然節奏普遍存在，但是感知節奏併產生與之同步的運動卻是一種稀缺的能力。在這方面，人類的表現是最好的，即使沒有受過音樂訓練的人也可以跟著音樂打拍子或者翩翩起舞。動物中，鸚鵡、大象也可以感知節奏並跟著聽到的節奏同步運動；相反與人類關係更近的獼猴等靈長類動物則對節奏不敏感，它們不喜歡、似乎也不能跟著聽到的節奏同步運動[1]。那麼，人類究竟是如何感知節奏的？之前的一篇文章已經討論過拍子(beat)的感知（音樂的節奏與腦中的節奏），現在我們來談談大腦如何感知音樂中小節(meter)。什麼是小節？一個小節由強拍、弱拍組合而成。比如對於4/4拍的節奏，一個小節就包含4拍（強-弱-次強-弱）；對於3/4拍的節奏，一個小節就包含3拍（強-弱-弱）。
節奏感知的共振理論（Resonance theory）認為，聽音樂時，大腦中的神經振蕩會與音樂節奏共振，而且這種共振是節奏感知的基礎。這就好像大腦內部有一個『鐘擺』，音樂的節奏將引起『鐘擺』的共振，而『鐘擺』的振動頻率決定了人所感知到的節奏。人類的大腦內部是否真的存在一個這樣的『鐘擺』呢？Sylvie Nozaradan等人設計了一個實驗，對這個假說進行驗證[2]。
Sylvie Nozaradan等人在實驗中採用EEG（腦電圖）實時記錄大腦的神經活動。這個實驗採集了8位志願者的數據，為了確保志願者能夠準確地感知節奏，實驗的志願者或者受到過專門音樂訓練或者經常聽音樂。實驗利用固定頻率的純音（純音的頻率是333.3Hz）組成2.4Hz的拍子，也就是每隔大約0.417s播放一拍，兩拍之間用一些較弱的聲音作為填充。
上圖黑色波形是志願者聽到的聲音波形圖，波形的幅值（豎直方向的長度）代表聲強的強弱。每隔約0.417s出現一次較強的聲音（紅色方框內），即較強聲音出現的頻率是2.4Hz。兩次較強的聲音中間有許多較弱的聲音。由於志願者們都經常與音樂接觸，所以可以清楚的識別這個2.4Hz的節奏。藍線表示了理想情況下大腦中跟蹤節拍落點的神經響應。
實驗先讓志願者認真的聽10段上述聲音，在聽聲音的時候，採用EEG記錄下了他們大腦的神經響應。對記錄的信號做頻譜分析（傅里葉變換）後，得到下圖的結果：
橫坐標是神經振蕩的頻率；縱坐標是神經振蕩的強度。可以看到在2.4Hz處存在明顯的峰。這說明志願者在聽2.4Hz的節奏時，大腦中確實產生了2.4Hz的神經振蕩。
在聽接下來的10段上述聲音時，他們要求志願者把相鄰的2個拍子想像成1個小節，類似進行曲中的2/4拍。簡單來講，就是人為地把聽到的2個相鄰的拍子想像成一個組合，然後把聽到的聲音想像成是這個組合的不斷重複。在聽最後的10段上述聲音時，要求志願者把相鄰的3個拍子想像成1個小節，類似華爾茲中的3/4拍。
藍線代表了理想情況下大腦中跟蹤2.4Hz節拍落點的神經響應。紅線代表了理想情況下，當志願者把相鄰的2個拍子想像成1個小節時，大腦中跟蹤小節節奏的神經響應。因為每個小節的長度是0.833s，它的節奏是1.2Hz。綠線代表了理想情況下，當志願者把相鄰的3個拍子想像成1個小節時，大腦中跟蹤小節節奏的神經響應。因為每個小節的長度是1.25s，它的節奏是0.8Hz。
實驗使用EEG記錄了志願者想像這兩種小節結構時的神經響應。對記錄的信號做頻譜分析（傅里葉變換）後，得到下圖的結果：
圖中紅線和綠線分別是志願者把2拍和3拍整合為一個小節時的響應。紅線中可以看到在1.2Hz和2.4Hz處存在明顯的峰。這說明志願者大腦中不僅產生了2.4Hz的跟蹤節拍的神經振蕩，還產生了1.2Hz的跟蹤小節節奏的神經振蕩。與此類似，綠線中可以看到在0.8Hz和2.4Hz處存在明顯的峰。這說明志願者把3拍整合到一起之後就產生了0.8Hz的跟蹤小節節奏的神經振蕩。
總結一下，這個實驗的發現：
1、大腦中的神經振蕩可以跟蹤樂曲中的拍子；換句話說，大腦中可以產生與拍子節奏共振的神經振蕩。這個現象是人腦感知節奏的原因？還是人腦感知節奏的結果？這些問題還需要進一步研究。
2、通過聽覺想像，人們可以在所聽到節拍的基礎上構建更大的音樂結構（比如小節），而且大腦中也產生了與所想像的小節結構的同頻共振。這種與小節結構同步的神經振蕩可能是人類感知多個時間尺度的複雜節奏的神經基礎；而且這一結果也表明「虛擬」的想像確實在大腦中真真切切地存在。
回到本文開頭的比喻，如果大腦裡面有一個『鐘擺』，『鐘擺』的振動就是大腦中的神經振蕩。這裡的實驗證實，不僅聲音的強弱變化（比如節拍）可以引起大腦『鐘擺』的共振，人所感知到的更大的音樂結構（比如小節）也表現為『鐘擺』的共振。所以，一種可能是這個『鐘擺』上演奏的不僅僅是一個單音而是一個和弦（多個節律的振動）；當然另一種可能是大腦裡面其實有多個單一頻率『鐘擺』，多個『鐘擺』的一起振蕩從而交織成複雜的節奏。這兩個假說究竟哪個正確還是需要研究的問題。
此外，與音樂類似，語音也具有節奏和結構，研究表明語音同樣可以引起大腦中『鐘擺』的共振，而且語音引起的共振同樣在多個頻率上被觀測到，既包括音節的頻率也包括更大的語言單元的頻率[3]。而且在語音研究中發現，不同大小的語言單元在大腦中引發不同的共振腦網路，例如大腦中與音節節奏共振的腦網路和與短語以及與語句共振的腦網路不同。換而言之，就是說在語音加工中，大腦中有多個『鐘擺』，不同的『鐘擺』與不同大小的語言單元同步。
綜上，大腦中的神經振蕩可以敏感地反映聽者所感受到的節奏，節奏有不同的層級，而大腦中的神經振蕩也表現出對應於不同層級節奏的共振頻率。這種神經振蕩與聲音節奏的共振可能是節奏感知的神經基礎。
本文作者：金培清，浙江大學在讀博士生，關注大腦如何加工言語和音樂。
編輯：丁鼐
參考文獻
[1]Patel, A. D. (2014). The evolutionary biology of musical rhythm: was Darwin wrong?. PLoS Biology, 12(3), e1001821.
[2]Nozaradan, S., Peretz, I., Missal, M., & Mouraux, A. (2011). Tagging the neuronal entrainment to beat and meter. Journal of Neuroscience, 31(28), 10234-10240.
[3]Ding, N., Melloni, L., Zhang, H., Tian, X., & Poeppel, D. (2016). Cortical tracking of hierarchical linguistic structures in connected speech. Nature Neuroscience, 19(1), 158.
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