編者按：
音調(diào)的研究與人類的語言和音樂直接相關(guān)。20年來，美國約翰·霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系教授王小勤研究團隊做出了一系列里程碑式的研究成果，相繼發(fā)現(xiàn)狨猴大腦中處理音調(diào)的區(qū)域以及具有高級音調(diào)感知能力的行為證據(jù)；接下來，王小勤研究團隊將尋找兩者因果相關(guān)的直接證據(jù)，完成音調(diào)研究的最后一塊拼圖。這項基礎(chǔ)研究的未來，有望揭示人類喜愛音樂的起源。
文｜郝俊 鄧志英
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“對牛彈琴”的典故所說埋頭吃草的牛兒對美妙的琴聲毫無感覺，其實還真有一定的神經(jīng)生物學(xué)依據(jù)。長久以來，人類被認(rèn)為是唯一具有音調(diào)（pitch）感知能力的物種。不過，最新的一項科學(xué)研究卻打破了人類的這一優(yōu)越感。
美國約翰·霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系教授王小勤研究團隊，在一種叫作“狨猴（Marmoset）”的靈長類動物上確定其音調(diào)加工感知的行為學(xué)證據(jù)。該研究相關(guān)論文發(fā)表于1月19日出版的《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）。
“音調(diào)的研究與我們?nèi)祟惖恼Z言和音樂直接相關(guān)，所以我們的論文發(fā)表后也引起了大眾媒體的廣泛關(guān)注。”王小勤在接受《知識分子》采訪時解釋說，“如果把音樂比喻為一座建筑，那么音調(diào)就是一塊磚，是一個基石，沒有音調(diào)就沒有音樂。另外，音調(diào)在人類語言中也至關(guān)重要，比如漢語普通話的四聲就是靠變化音調(diào)來產(chǎn)生?！畣帷⒙?、馬、罵’四個字發(fā)音的差別僅僅在音調(diào)上。”
在王小勤團隊的發(fā)現(xiàn)之前，科學(xué)家們認(rèn)為動物對音調(diào)只有粗略認(rèn)知，嚴(yán)格來講，并未發(fā)現(xiàn)哪種動物對音調(diào)的感知具有和人類音調(diào)感知相似的信息加工特征和屬性。
王小勤介紹，科學(xué)界公認(rèn)人類對音調(diào)的感知有三大特征。第一個特征是人類對由低頻諧波構(gòu)成的基頻音調(diào)的敏感度更高，而對高頻諧波構(gòu)成的基頻音調(diào)的敏感度相對較低。例如，在基頻同為100赫茲的兩組諧波構(gòu)成的音調(diào)感知中，人類對于由100赫茲、200赫茲、300赫茲、400赫茲四個低頻諧波組成的基頻音調(diào)的感知非常敏感，對于其中單個或幾個諧波成份的細微變化都能夠分辨。而如果播放的是由1100赫茲、1200赫茲、1300赫茲、1400赫茲高頻諧波構(gòu)成的音調(diào)，其中單個或幾個諧波成份的細微變化人類則很難分辨。決定人類對低頻諧波和高頻諧波構(gòu)成的兩基頻音調(diào)的感知的聲學(xué)特征參數(shù)并不一致。
第二個特征是，在低頻諧波區(qū)間，頻譜成分對人對音調(diào)感知起決定作用。人類對按規(guī)律變化的低頻諧波中能夠感知到非常細微的頻譜變化。例如，在一組每次增加100赫茲的規(guī)律性音頻中，突然加入一個只增加95赫茲的頻率，人類能夠立刻注意到這個“突兀的不同”。
第三個特征是， 在高頻諧波區(qū)間，音調(diào)感知的能力取決于人們對聲波的時間調(diào)制函數(shù)的敏感性，而不是頻譜成份的規(guī)律性。
王小勤告訴《知識分子》，此前從未有研究發(fā)現(xiàn)人類以外的動物滿足以上三條音調(diào)加工和感知的特征。而他們團隊的最新研究證實，狨猴的音調(diào)感知加工特征與人類的音調(diào)感知加工特征高度相似。
狨猴（Marmoset，學(xué)名 Callithrix jacchus）是起源于南美洲亞馬遜河流域的小型低等猿類，作為群居動物具有豐富的社交語言和嫻熟的發(fā)聲技巧。與從非洲大陸進化而來的舊世界猴（Old World monkey，學(xué)名Cercopithecidae）不同，狨猴屬于源自美洲大陸的新世界猴（New World monkey，學(xué)名Platyrrhini）。這兩類靈長類動物在3500萬年至4000萬年左右大陸板塊發(fā)生分裂后，獨立形成了兩大靈長類動物的進化分支。正因如此，王小勤團隊的這項新發(fā)現(xiàn)同樣引起了進化研究者的高度關(guān)注和濃厚興趣?？茖W(xué)家可以據(jù)此推測，也許早在4000多萬年以前，靈長類動物就已經(jīng)進化出音調(diào)感知的能力，并且可以由此通過聲音進行交流，甚至有了近似于歌唱的發(fā)聲能力。
早在1995年，王小勤就開始專注于靈長類聽覺的神經(jīng)生物學(xué)研究，他領(lǐng)導(dǎo)的實驗室以言語功能高度發(fā)展的狨猴作為主要研究對象，建立起一個獨特的全新實驗動物模型和一系列技術(shù)手段，以此探索其背后的神經(jīng)機制，為靈長類動物聽覺系統(tǒng)的研究打開了嶄新視野。
2005年，王小勤研究團隊在狨猴大腦中發(fā)現(xiàn)了能夠處理音調(diào)的一個特殊感知區(qū)域。這個被稱為“音調(diào)中心（pitch center）”的區(qū)域位于狨猴大腦初級聽覺皮層的邊緣。當(dāng)狨猴聽高低音調(diào)旋律變化時，大腦“音調(diào)中心”感知區(qū)域中的神經(jīng)細胞就會被“激活”，而在聽到噪音時，相應(yīng)的神經(jīng)細胞則并不會被激活。王小勤說，類似對音調(diào)進行專門加工的特定腦區(qū)也在人類大腦中相應(yīng)的區(qū)域被多個腦成像研究工作所證實。
王小勤團隊2005年發(fā)表于《自然》雜志的研究論文，為狨猴的音調(diào)感知能力提供了神經(jīng)生理證據(jù)，而十年之后發(fā)表于PNAS的研究工作則為狨猴的音調(diào)感知能力提供了行為證據(jù)，從神經(jīng)機制和行為特征兩個方面圓滿解答了聽覺研究領(lǐng)域最重要的“音調(diào)感知的聽覺信息加工及其機制”問題。
“2005年的論文發(fā)表后曾引起很大爭議，很多人認(rèn)為我們?nèi)狈π袨樽C據(jù)，質(zhì)疑我們?nèi)绾沃泪鹾锬芟袢艘粯痈兄粽{(diào)？”王小勤告訴《知識分子》，盡管十年前的發(fā)現(xiàn)具有重要的里程碑意義——第一次在非人類的動物大腦中找到了處理音調(diào)的神經(jīng)感知中心，但有關(guān)行為證據(jù)的問題的確急需得到明確回答。
此后便是一段長達十年的艱難而漫長的研究過程。王小勤的實驗室團隊花費數(shù)年時間發(fā)展了一套狨猴行為測試方法，以及能夠監(jiān)測狨猴神經(jīng)活動微妙變化的電生理實驗設(shè)備。其中包括讓一些狨猴只有在聽到音調(diào)的變化后，才會做出伸舌頭去舔水柱這一條件反射般動作的行為訓(xùn)練。
對于其研究團隊最終找到了狨猴具有與人類高度相似的音調(diào)感知能力的行為證據(jù)這一重要突破，王小勤評價道：“這篇文章所介紹的研究工作，是我們實驗室過去20年來，一系列工作的新的里程碑。”
十年前，王小勤團隊找到了狨猴大腦中處理音調(diào)的區(qū)域；十年后，他們又給出了狨猴具有高級音調(diào)感知能力的行為證據(jù)；接下來，王小勤認(rèn)為還需要通過深入研究給出一個直接證據(jù)，即“音調(diào)中心”這個腦區(qū)與其感知音調(diào)的行為是因果相關(guān)的?！叭绻@個問題能夠解決，我想整個拼圖就完整了?！蓖跣∏谡f。
除此，王小勤認(rèn)為后續(xù)研究的另一個核心問題，是關(guān)于狨猴大腦中“音調(diào)中心”的學(xué)習(xí)和發(fā)育問題，比如這個腦區(qū)究竟是怎樣通過學(xué)習(xí)完成音調(diào)的計算？它在狨猴的發(fā)育過程中是如何形成的？外界的環(huán)境變化對這個腦區(qū)的發(fā)育有什么影響？其分子和基因的機制是什么？
王小勤告訴《知識分子》，他認(rèn)為其團隊有望在未來若干年內(nèi)對上述問題給出答案，讓該方向的研究工作更加圓滿。至于音調(diào)感知研究更遙遠的未來，他則暢想到：“也許有一天，我們能夠完全理解大腦究竟是如何處理音樂的，或許通過音調(diào)研究這個窗口我們得以理解人類喜愛音樂的起源，我覺得這些是大家都關(guān)心的問題?！?/p>
參考文獻：
1.The neuronal representation of pitch in primate auditory cortex
DOI:10.1038/nature03867
http://www.nature.com/nature/journal/v436/n7054/full/nature03867.html
2.Complex pitch perception mechanisms are shared by humans and a New World monkey
DOI: 10.1073/pnas.1516120113
http://www.pnas.org/content/113/3/781
