动物能“听懂”音乐吗?

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  利维坦按:我观察了多次,不论播放摇滚乐还是钢琴曲,家里的三只猫明显是毫无反应的,也就是说,基本等于没有听到任何声音的那种状态。于是我很好奇,猫明显是听到了某种“声响”,但这种响动对于它们而言究竟意味着什么呢?

  文/Henkjan Honing

  译/antusen

  校对/Rachel

  原文/nautil.us/issue/70/variables/what-makes-music-special-to-us

  本文基于创作共同协议(BY-NC),由antusen在利维坦发布

  文章仅为作者观点,未必代表利维坦立场

  我们天生就有乐感,乐感与生俱来,同时又能借助听音乐得以强化。几乎人人都有体验、鉴赏音乐所必需的音乐技能。相对音感”能力使我们能借助音高或节奏辨认出旋律;“节奏感知”能力使我们得以在千变万化的节奏中找到规律。连婴儿都对身边的声调、旋律、节奏或噪音异常敏感。所有迹象都表明,人体早在诞生之初,就做好了感知与享受音乐的准备。

  人类的乐感显然很特殊。乐感基于且受限于认知能力(注意力、记忆力、预期能力)及生物本能,是自发形成的一系列自然特征。但它为何如此特别呢?是因为似乎只有人类才拥有乐感吗?它像语言能力那样为人类所独有吗?亦或是所有生物长期进化过程中的产物?

  《我和狗狗一起弹钢琴》:

  

  研究音乐的亨詹·霍尼(Henkjan Honing)怀疑这个病毒视频里的狗狗并没有绝对音感(一种超越听觉的认知能力),它只是在按主人凝视的琴键。

  达尔文认为,脊椎动物都能感知、欣赏节奏与旋律,因为它们有相似的神经系统。他确信人类的乐感是有生物学基础的。此外,他还认为,对音乐敏感肯定是一种非常古老的特质,比对语言敏感还要古老许多。事实上,他认为乐感是音乐与语言的起源,是性选择进化机制使人类和动物拥有了这一特质。

  那么和人类相比,动物的乐感好到什么程度呢?乐感是人类独有的吗?亦或如达尔文所怀疑的那样,人类和动物)“神经系统的生理特性相同”,因而都具有乐感?想了解音乐与乐感的演化过程,我们必须先确定音乐的组成部分是什么,及它们如何在动物和人类身上体现出来。或许我们能借此判断是否只有人类才有乐感。

  20世纪初,伊万·巴甫洛夫(Ivan Pavlov)发现,狗能记住某个音调并将其与食物联系起来。狼、老鼠、椋鸟和恒河猴都能通过叫声的绝对音高识别同类,也能辨别音调。

  相对音感是一种听音技巧。大多数人听的不是一段旋律里的个别音调及其频率,而是整首旋律。无论对方用高音还是低音唱《玛丽有只小羊羔》,你都能听出那首歌。即便在嘈杂的咖啡馆里听到扩音器里传出的曲调,你仍然能够立即辨认出是哪首歌。

  但是谁唱的呢?你绞尽脑汁,想记起歌手的名字或歌曲的名字,然而大脑却一片空白,于是你打开听歌识曲软件,把智能手机对着扬声器,几秒钟内就找到了歌名、歌手和所属专辑。

  

  图源:National Geographic

  “鸣鸟拥有某种听音模式,这使得现代作曲家在作品中赋予音色以重要地位。”

  为了使听音识曲成为可能,软件开发者系统分析并高效保存了大部分可商用的歌曲录音。每首歌都有可以体现其特定声音品质的独特“声学指纹”,这些指纹被储藏在存量浩大的档案中。因此,计算机程序会比对智能手机所接收音乐与存档音乐的“指纹”,进而快速有效地听音识曲。对计算机而言,这简直是小菜一碟,但人类却几乎无法做到这点。

  然而,如果把智能手机靠向正在唱同一首歌的人,软件要么会表示自己无法识别,要么会乱猜一通。因为数据库中只有有限的经过分析的音乐版本,没有这种随意唱出的音乐,所以软件无法找到对应的“指纹”。而在这种情况下,人类却能立即识别出歌曲,那首歌甚至可能会在他们的脑海中循环播放好几天。

  可以说,计算机会惊讶地发现,无论演唱者音调是高是低,节奏是快是慢,跑调还是不跑调,人类只需要听半首歌就能识别出歌手或歌曲。对人类而言,听音乐的部分乐趣源于聆听音调之间的关系(包括旋律和和声)。

  

  图源:Bored Panda

  长期以来,科学家一直认为鸣鸟拥有绝对乐感,能根据音高或基频识别并记住旋律。40多年前,美国鸟类研究学家斯图尔特·赫尔斯(Stewart Hulse)以欧洲椋鸟为研究对象,进行了一系列听音实验,进而得出了这一结论。他指出,椋鸟能区分出逐渐升高或降低的音调序列,但却识别不了振动频率略升高或降低的音调序列。赫尔斯的结论是,鸟类关注的是绝对频率。和多数哺乳动物一样,欧洲椋鸟拥有绝对音感能力,而非相对音感。

  谈及相对音感,或者说识别移调乐曲的能力,以人类为观察对象的研究已经比较深入了。神经科学研究表明,使用相对音感能力时,需要调用由不同神经机制构成的复杂网络,其中包括听觉与顶叶皮层之间的交互网。鸣禽似乎没有这类网络,鉴于此点,当我们研究人类乐感的生物学起源时,其他动物是否也拥有相对音感这个问题就更加令人着迷了。

  据我们所知,大多数动物没有相对音感。人类似乎是个例外。但有人可能会猜测相对音感是否仅与音高相关。就声音而言,也许在某些方面,不是绝对生理特质,而是特质之间的关系造就了乐感。

  2016年,加州大学圣地亚哥分校的研究人员提供了解答这一问题的方向。他们让椋鸟听了音色、音高都经过处理的不同旋律。刺激条件即所谓的音色旋律——每种音调都有不同音色的音调序列。一系列声学实验研究了这些鸟类分类新旋律的模式。

  (www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5101281/)

  “鱼能够分辨出约翰·李·胡克(John Lee Hooker)和约翰·塞巴斯蒂安·巴赫(Johann Sebastian Bach)的作品。”

  

  图源:Pinterest

  令人惊讶的是,研究人员发现椋鸟并不像预料的那样借助音高区分刺激条件,它们借助的是音色音色变化(频谱轮廓)。鸟类会对某首特定的歌曲做出反应,即便这首歌经过处理,且已用“噪声编码”技术去除了所有音高信息。由此产生的旋律类似嘈杂之音,即一个音符变化为另一个音符,但音高却难以察觉的音色旋律。只有当信息极少时(在赫尔斯以欧洲椋鸟为研究对象的实验中,刺激条件由纯音组成,没有任何频谱信息),鸣禽才会注意音高。

  鸣禽主要靠频谱信息及其随时间的变化,更确切地说,靠音符转变时,频谱能量的变化来感知旋律。而人类关注的是音调,基本不会注意音色。

  可以说,鸣禽听旋律的方式就像人类听讲话一样。听讲话时,人类主要关注的是频谱信息,这让我们能够区分单词“bath”和“bed”。在乐曲中,旋律节奏是需要关注的重点。说话时,音高是次要的——它可以表明说话者的身份或话语的情感意义,但谈及音乐,它便成了首要因素。这就是听音乐与听讲话之间一个有趣的区别,不过人们目前还很难理解它。

  

  图源:Five Thirty Eight

  大脑皮层为语言而生,同时也会被音乐超常刺激,乐感也可能是大脑皮层的副产品。不过,乐感也可能优先于语言和音乐。在这种情况下,乐感可以被解读为人类及许多非人类物种所共有的敏感性,只不过在人类身上,这种敏感性已进化成了两个重合的认知系统:音乐与语言。

  2014年,在奥地利召开的一场国际会议上,笔者偶然发现了支持这一观点的实验证据。在某次讲座中,维也纳大学(University of Vienna)的博士后研究员米歇尔·施皮林斯(Michelle Spierings)曾揭示过斑胸草雀(zebra finches)识别声音序列(她称之为音节)差异的学习过程。这些声音由“mo”、“ca”、“pu”等人类的话语组成。在一系列不同的行为实验中,这些语音的顺序(句法)、音高、持续时间及动态范围(频谱曲线)都发生了变化。

  斑胸草雀首先学会了Xyxy和xxyY序列的区别,其中x和y代表不同的语音,大写字母代表乐调重音:即更高、更长或音量更大的重音。举个例子:“MO-ca-mo-ca”不同于“mo-mo-ca-CA”。

  然后,斑胸草雀会听见一段重音、结构都有所变化的、不熟悉的序列。该测试目的在于确定鸟类是用乐调重音还是语音顺序来区分差异。

  如米歇尔所示,人类主要基于语音顺序来区分差异:譬如abab与aabb不同,而cdcd与abab相似。人类会将abab结构概括化,并推演到尚未听到的cdcd序列。这表明人类聆听序列时,主要关注的是句法或语音顺序。句法(一种语序,如“人咬狗”)是语言的一个重要特征。

  相比之下,斑胸草雀主要把注意力放在序列的音乐特质之上,但这并不意味着它们对语序不敏感(其实在某种程度上,它们能理解语序),只不过它们主要靠音高(语调)、持续时间和力度重音(音韵)来区分序列。

  如果没有解读错的话,研究结果将表明人类的听音模式可能与斑胸草雀一样,这种听音模式关注的是声音的音乐特质(音韵),而非倾听话语时密切关注的句法与语义。

  笔者又想起了达尔文。人类和斑胸草雀的听音过程是否密切相关?

  针对椋鸟和斑胸草雀的研究表明,鸣禽会利用完整的声谱收集信息。它们具有相对音感,能根据音色曲线、语调及声音的动态范围听音。这种音乐理论家早就发现的听音模式使埃德加·瓦雷兹(Edgard Varese)、 捷尔吉·利盖蒂(Gyorgy Ligeti)、卡佳·萨丽亚诺(Kaija Saariaho)等现代作曲家,在作品中尤为着重体现音色。

  

  捷尔吉·利盖蒂,当代古典音乐先锋派作曲家。 原籍匈牙利,1956年离开匈牙利,先在科隆作电子音乐实验,1967年入奥地利籍。图源:Oxingale Records

  有相对音感能力的人不仅仅能听出音高之间的关系。即便无法辨认音高,他们也能借助其他声音轮廓辨认出常见旋律。但人们对频谱轮廓不怎么感兴趣。

  一个有趣的问题由此产生:人类需要什么样的特质才能像鸣禽一样听音?或者,反过来说,鸣禽有可能像人类那样听音乐吗?

  人类和鸣禽听音时都有自己的策略和偏好。笔者研究斑胸草雀时,发现韵律结构并非此鸟最关注的因素。有证据表明,斑胸草雀最关注语调、音色和动态变化,最不关注声音的时长。事实上,对斑胸草雀而言,与乐曲的时间结构相比,韵律蕴含的信息可能更多。

  针对斑胸草雀的研究结果迫使笔者意识到,对人类显而易见的东西,对动物未必如此。当我们情不自禁被节奏的规律性吸引时,斑胸草雀似乎更关注“局部”,如单音或时间间隔。这解释了美国心理学家詹姆斯·吉布森(James J. Gibson)的一句话:“事件是可感知的,但时间不是”,我很喜欢这句话。只有事件发生时,才能感知时间。在斑胸草雀的例子中,这种“事件”似乎是被它们赋予某些特定特征的单个声音,而非声音序列的时间结构(声音承前启后的节奏)。

  从这个意义上说,人类的听音模式更具全面性与抽象性,更关注整体。我们太擅长观察与聆听关系,虽说这些关系通常并不存在,但却源于个人经历与期望。所以我们惊奇地发现,其他动物解决问题的方式似乎比人类复杂许多。不过,我们眼中最简单的解决方案并不总是动物眼中最简单的解决方案。

  举个轻而易举解决视觉领域难题的事例:我们要开发一个可以在互联网上找到飞机照片的搜索算法。这是一项艰巨的任务,因为所摄物体(比如鸟、蓝色背景下的白色或金属物体)与飞机某些特征相符的照片数不胜数。

  经典的人工智能方案会这样解决问题:创建一个知识导向型系统,该系统可将飞机的典型特征编成的精确规则(可由计算机解释)。这个特征清单可以很长:细长的对称物体、两个机翼、一个机头和一个机尾、两边的小窗户、机头或机尾上的螺旋桨等。编写一份涵盖所有飞机特征的清单虽不容易,但却能将飞机和鸟类及类似飞机的物体区分开。

  “如果把智能手机靠向正在唱同一首歌的人,软件无法识别对方在唱什么。”

  最新的计算机模拟系统强有力地证明,知识导向型的系统不是判断照片中是否有飞机的最有效方法。所有复杂的推理都是多余的。是否有飞机只需简单关注一个细节:照片中是否有前轮?

  斑胸草雀和其他经常参加分类实验的动物可能只会关注一个声音细节。可以说,它们倾听的是音乐的“前轮”:一个与音乐本质无关的细节。鸟能记住并辨认出某个独特的细节,这个细节往往能带鸟找到足够的食物,进而让鸟继续专注于它。

  可以肯定的是,人类、鸣禽、鸽子、老鼠和某些鱼(如金鱼和鲤鱼)可以轻易分辨出不同的旋律。但它们是否会像人类那样倾听音乐的结构特征仍然存疑。

  

  在曲调中畅游:鲤鱼在实验中是如何区分巴赫和约翰·李·胡克的?人类凭借音乐结构特征区分,而它们凭借的是某个独特的细节。图源:Tiger Stock’s/Shutterstock

  在北美,某项针对锦鲤(类似金鱼的鱼,听力比大多数鱼好)的研究提供了一个不同寻常的例子。因为听力好,锦鲤常被叫作“听力专家”。它们的听觉灵敏到仿若在通过电话线收听声音:虽然音质可能比较差,但它们仍能非常清晰地听见大部分声音。

  (www.picovolt.com/ava/fish/music-carp.pdf)

  三条锦鲤——小美女(Beauty)、奥罗(Oro)和佩皮(Pepi)——生活在哈佛大学罗兰研究所的水族馆内,它们在那里参加过各种各样的听力实验。在早期实验里,它们就已知道按下水箱底部的按钮就会得到食物,但前提是要同时听见音乐。目前,实验主要在研究鲤鱼的音乐识别能力。研究人员不仅会教它们区分两首音乐(辨别能力),还会观察它们是否能识别出不熟悉的音乐是否与某首乐曲类似(分类能力)。

  进行辨别实验时,研究人员会播放约翰·塞巴斯蒂安·巴赫和蓝调歌手约翰·李·胡克的作品,并观察锦鲤能否加以区分。在分类实验中,研究人员会测试锦鲤是否能将某乐曲归类为蓝调或古典风格。在后一种实验中,锦鲤会交替聆听到不同蓝调歌手及古典作曲家的作品,从维瓦尔第(Vivaldi)到舒伯特(Schubert)应有尽有。

  实验的结果令人惊讶,这三只锦鲤不仅能区分约翰·李·胡克和巴赫的作品,还能区分蓝调及一般古典音乐流派。这些鱼似乎能依据先前学到的音乐区别,正确归类一首从未听过的新乐曲。

  但锦鲤是如何做出决定的?为何它们能区分乐曲?它们到底听到了什么?研究表明,锦鲤并不是根据乐曲的音色来加以区分的,即便用同一乐器的不同音色演奏古典和蓝调旋律,锦鲤仍然能够做出区分。

  锦鲤实验的灵感来自于1984年一项针对岩鸽音乐辨别能力的研究。事实证明,岩鸽也能区分巴赫和斯特拉文斯基(Stravinsky)的作品。而且,和锦鲤一样,岩鸽也能把从两首乐曲中学到的东西应用到其他不熟悉的曲子上。它们甚至能区分与巴赫及斯特拉文斯基同时代之人的作品。

  岩鸽和锦鲤能做某些对普通人类听众而言相当困难的事:判断一段音乐是巴赫时代(18世纪)的作品,还是斯特拉文斯基时代(20世纪)的作品。它们无需积累听音经验,无需大量收集音乐,无需定期听音乐会就能做到这点。笔者怀疑它们是靠某个独特的细节(一种特殊的特性)区分乐曲。这个细节很可能能帮助它们成功获取食物。然而,我们仍无法借此深入了解音乐“若非享受,则为感知”的内涵。这或许是独属于人类的乐感的某方面表现。

  有关作者:亨詹·霍尼是阿姆斯特丹大学音乐认知学教授,著有《进化中的动物管弦乐队:探索是什么让我们拥有乐感及音乐认知学:听音科学》(The Evolving Animal Orchestra: In Search of What Makes Us Musical and Musical Cognition: A Science of Listening)。

  

  “利维坦”(微信号liweitan2014),神经基础研究、脑科学、哲学……乱七八糟的什么都有。反清新,反心灵鸡汤,反一般二逼文艺,反基础,反本质。

  投稿邮箱:wumiaotrends@163.com

  合作联系:微信号liweitan2018

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