音乐包围着我们──我们可不愿没有音乐。激昂的交响乐逐渐推向高潮，令人热泪盈眶，脊梁骨好像通了电流，身子震颤不已；渐次增强的背景音乐，为电影与电视图象添加了情绪感染力；球赛中，管风琴演奏者让我们一齐起立、欢呼；父母轻声吟唱，安抚婴儿。
我们对音乐的喜爱源远流长，自文明草创，我们就会创作音乐。人类最晚在三万年前，就会演奏骨笛、打击乐器与单簧口琴。世上每个社会都有音乐。此外，我们似乎天生就能欣赏音乐。两个月大的婴儿就爱听令人愉悦的协和音，不爱听不协和音（见98页〈天生爱乐？〉）。交响乐终曲让人生成感动的震颤，那时大脑里最活跃的区域，我们吃巧克力、做爱或吸食可卡因都会兴奋，全是同样的快乐中枢。
人人爱音乐；音乐有独特的魅力，专门搅和情绪。为什么到处都有音乐？为什么音乐对我们这么重要？这是个有趣的生物学谜团。难道音乐能增进人类的生存或生殖机会？美国新墨西哥大学的心理学家米勒（Geoffrey
F. Miller）就主张，音乐能协助求偶。或者，像英国利物浦大学灵长类行为学家邓巴（Robin M. Dunbar）所说的，音乐当初发展出来，是为了促进社会凝聚力，因为人类社群大到一个程度之后，传统的「理毛」（grooming）手段就不灵光了。另一方面，说不定音乐原先是演化的意外产物，不过碰巧能挑逗我们脑子的幻觉，才造成皆大欢喜的结果，以美国哈佛大学心理学教授平克（Steven
Pinker）的话来说，音乐只是「听觉的乳酪蛋糕」。是耶？非耶？
对这个演化问题，神经科学家还不能拍板下结论。但是最近几年，我们开始对音乐的神经基础有比较明确的知识，例如大脑处理音乐讯息的中枢，以及处理的方式。这些知识是回答演化问题的基础。对脑伤病人的研究，以及利用神经图象学技术研究正常人的大脑，已经生成了一个令人意外的结论：我们的脑子里没有专门处理音乐的中枢。音乐涉及许多区域，分布在整个脑子里，有些区域通常涉及其他种类的认知活动。而参与处理音乐的区域，也会因个人的经验与音乐训练而异。在我们的感官中，耳朵的感觉细胞最少，内耳只有3500个毛细胞，而眼睛有一亿个感光细胞。不过，我们对音乐的心理反应却能与时变化，极为灵活；甚至只要花一点工夫，就能令大脑调整处理音乐讯息的方式。
心灵之歌
现代神经图象学技术问世之前，科学家研究大脑处理音乐的机制，主要的线索来自脑伤病人（包括著名的作曲家），他们因为受伤、中风或是其他疾病，大脑运作出了毛病。举例来说，法国作曲家拉威尔（Maurice
Ravel）自1933年开始出现一些症状，显示他的脑子可能正在局部退化（就是脑子某些区域萎缩了）。他的思考能力仍然完整，听到自己作的曲子都记得，也还能练钢琴指法，但就是无法作曲。他对友人说起他想写的歌剧《圣女贞德》：「……这出歌剧就在这儿，在我的脑子里。我听得见它，但是我没法写。我完了。我再也不能作曲了。」四年后，拉威尔就过世了。他死前脑子动过手术，但显然并不成功。拉威尔的病例显示，大脑也许真的没有一个专门负责音乐的中枢
。
另一位作曲家的遭遇则进一步指出，音乐与语言在大脑中是分别处理的。1953年，俄国作曲家谢巴林（Vissarion
Shebalin）中风了，不能说话也听不懂别人说的话，可是他还能作曲，10年后才过世。这个病例看来证实了音乐与语言各有各的神经基础。不过，最近的研究结论丰富了我们的理解，这涉及音乐与语言所共有的两个特征：两者皆是传讯媒介，以及每个都有语法（支配乐音与字词组合的一套规则）。美国加州圣地牙哥神经科学研究所（NSI）的巴特尔（Aniruddh
D. Patel）博士利用神经图象技术，发现大脑额叶有个区域与音乐及语言的语法都有关，大脑其他区域则处理两者其他的相关面相。
以神经图象技术做的研究，也让我们更细致地了解大脑对于音乐的反应。要是我们对耳朵的传声机制有些了解（见右页〈大脑处理音乐的机制〉），更能掌握这些研究结果的意义。听觉系统与其他的感觉系统一样，也有个层级组织，由一串神经处理站组成，将声音从耳朵一直送到最高层的听觉皮质。内耳的耳蜗是神经系统处理声音讯息（例如乐音）的起点。耳蜗接收到复杂的声音，例如小提琴的琴声，就会将其中的基础频率分析出来，然后将这些信息送入听神经。听神经中有许多神经纤维，不同频率的声音刺激由不同的纤维传送。这些神经纤维的神经冲动最后会传入大脑颞叶的听觉皮质。大脑听觉系统的神经元，各有各的最宜反应频率，相邻神经元的反应曲线有重叠之处，因此不会有「漏接」的情事。由于听觉皮质上邻近的神经元有相近的最宜反应频率，于是我们能在听觉皮质表面找出一张频率分布图（见下方〈将脑子重新定调〉）。
不过，大脑对音乐的反应更复杂些。音乐包括一串乐音，知觉音乐，必须抓住声音之间的关系。大脑有许多区域分别处理音乐的不同要素。就拿乐音来说吧，它包括频率与响度两个要素。有一度学者怀疑，已经针对特定频率调出最宜反应模式的神经元，只要检测到那个频率，就会以同样的方式反应，不会改变。
但是到了1980年代末，麦肯纳（Thomas M. McKenna）在我的实验室（美国加州大学尔湾分校）与我一齐研究「轮廓」，我们开始质疑这个传统看法。所谓轮廓是指音高（pitch）起伏的模式，那是所有旋律的基础。我们以五个乐音创作轮廓不同的旋律，然后观察猫听觉皮质上某个神经元的反应。我们发现，神经元的反应随旋律的轮廓而变化：神经元对特定乐音的反应，随那个乐音在旋律中的位置而变。同样的乐音，要是前面有其他乐音，神经元也许反应得特别热烈；如果它是第一个乐音，反应就颇为冷淡。还有，同样的乐音要是出现在上升轮廓中，神经元的反应与它出现在下降轮廓中或其他复杂轮廓中也不同。这些发现证明，旋律的组成模式大有关系：听觉系统处理声音的方式，与电话或音响系统不同，它们只是单纯地传送声音罢了。
大多数的研究以旋律为主，但是研究节奏（乐音的相对长度与间距）、和声（同时出现的乐音间的关系）以及音色（两个乐器演奏同一个乐音时的声音差异）都得到了有意思的结果。科学家研究节奏，发现两个大脑半球涉入的程度不同，至于哪个半球涉入较深，不同的研究团队得出不同的结论。因为不同的作业（甚至不同的节奏刺激）可能必须动用不同的处理模式。举例来说，左颞叶似乎处理的是比较短的刺激，因此让受试者收听比较短的音乐，要求他分辨节奏，就会发现他的左颞叶比较活跃。
在和声方面，情况就比较清晰。科学家让受试者专注于和声，以神经图象技术观察他们的大脑皮质，发现右颞叶的听觉区比较活跃。右颞叶也偏重处理音色。动过右颞叶切除手术的病人，会难以分辨音色，切除左颞叶的病人就不会。此外，正常人在分辨音色的时候，右颞叶就会活跃。
大脑的反应也与听者的经验与训练有关。即使一点点训练都能很快改变大脑的反应。举例来说，直到10年前，科学家还相信听觉皮质的每个神经元一旦「定音」，就不再变了。不过，我们研究轮廓的结果，使我们怀疑神经元即使「定音」之后，也许还能改变。也就是说，在学习过程中，有些神经元会对它们注意到而且记住的声音变得格外敏感。
为了证实这个想法，巴金（Jon S. Bakin）、埃德林（Jean-Marc Edeline）与我在1990年代做了一系列实验。我们想知道，要是受试者经过学习而知道某个乐音非常重要，听觉皮质的基本组织会不会变化？我们以天竺鼠做实验，先让它们听许多不同的乐音，并记录听觉皮质不同神经元的反应，找出最能激发强烈反应的乐音。然后，我们选一个不会激发强烈反应的乐音，让它成为脚遭到轻微电击的前兆。只消几分钟，天竺鼠就学会了这个「乐音—电击」关联。接着，我们再度观察听觉皮质神经元的反应──训练之后立即就做，隔些时候再做，直到训练后两个月为止。结果，神经元的「定音」改变了，前兆乐音才会引发热烈的反应，与原先的最宜频率不同。可见学习会令大脑重新定音，使更多神经元对必须采取行动的声音做出最宜反应。这个细胞调整的过程会向外延伸，「编辑」皮质的频率分布图，让更大的皮质区域处理重要的乐音。想知道哪些频率对动物很重要，只消找出它听觉皮质的频率组织就成了（见左页〈将脑子重新定调〉）。
重新定音的效果相当持久，毋需更多训练就会增强，几个月都不消褪。这些发现开创了一个研究方向，更多研究团队加入之后，发现大脑保存学习结果的方式之一，是投入更多神经元处理那个学得的刺激。我们不能以人做同样的实验，但是利用神经图象技术做研究，能在大脑皮质各个区域检测到几千个神经元平均反应幅度的变化。英国伦敦大学神经心理学教授杜兰（Ray
Dolan）的团队，训练人类受试者从事类似的作业，让他们学会某个特定乐音是重要的。1998年，他们发表报告指出，学习也能在人类大脑造成同样的定音变化。我们在嘈杂的房间里，很快就能辨认一个熟悉的旋律；罹患神经退化疾病的人，例如阿兹海默症患者，即使记忆丧失得厉害，仍然记得过去学过的音乐。这些现象也许都可以用「学习（重新定音）的长期效果」来解释。
即使我们没有听见声音，仍然可以回忆一首音乐，像是正在聆听似的。挑一首你知道的曲子，在脑袋里放出来，任何一首都成。这首音乐正在脑子的哪个地方播放？美国巴克内尔大学心理学教授郝普恩（Andrea
R. Halpern）与加拿大马吉尔大学蒙特娄神经学研究所教授扎佗（Robert J. Zatorre）研究过这个问题。他们找来做实验的人都不是音乐家。在受试者聆听音乐或想像自己正在听同一首曲子的时候，以正子断层扫描仪观察他们大脑的活动。1999年，他们发表报告指出，颞叶有许多区域不但在聆听音乐的时候活动得热烈，想像音乐时也会热烈活动。
音乐家的大脑
对音乐家做的研究，将前面报导的许多结论扩张了，以令人印象深刻的方式证实：大脑为了处理音乐讯息，能够更改自己的布线模式。前面提过，轻微的训练就能增加反应神经元的数量，长期训练能使大脑更为热烈地反应，甚至发生实质上的改变。音乐家就是证据。通常他们每天都要练上许多小时，数年不断，结果他们对音乐的反应与一般人不同；而他们大脑的某些区域，变得特别发达。
1998年，潘特夫（Christo Pantev）还在德国的蒙斯特大学，他的团队发表了一篇报告，指出音乐家聆听钢琴演奏的时候，左半球听觉区热烈活动的区域比一般人大了25%；但只有音乐乐音才能引起这种反应，非音乐的声音就不成。他们还发现，越早学音乐的人，对音乐反应的区域越大。对儿童做的研究显示，早期的音乐经验也许能促进大脑发育。加拿大安大略省麦克马斯特大学的夏茵（Antoine
Shahin）、罗伯兹（Larry E. Roberts）和特雷纳（Laurel J. Trainor）以四、五岁的儿童做实验，研究他们的大脑对钢琴音、小提琴音和纯音的反应。2004年，他们指出，在家里接触音乐较多的孩子，大脑听觉区的活动比较强，没接触过那么多音乐的孩子，必须年长三岁才会那么强。
音乐家对声音的反应比较强烈，部份原因是他们的听觉皮质面积比较大。2002年，德国海德堡大学史奈德（Peter Schneider）所领导的团队发表报告指出，音乐家的听觉皮质体积是一般人的1.3倍。听觉皮质体积增加的幅度与音乐家接受训练的程度有关，也就是说，学习音乐会使处理音乐的神经元数量增加，练得越多，增加得越多。
此外，使用手指弹奏乐器的音乐家，大脑控制演奏手指的区域较大。1995年，德国康士坦兹大学的埃尔伯特（Thomas Elbert）团队发表报告指出，小提琴家的大脑中，接收左手食指到小指触觉讯息的区域比较大（那几根手指在演奏时必须迅速而复杂地移动）。相对地，接收右手讯息的大脑皮质区域并没有扩大，因为右手只拉弓，手指不需要做特殊的动作。一般人就没有这种差异。还有，2001年，现在已转到加拿大多伦多大学罗特曼研究所的潘特夫指出，职业喇叭手的大脑只对喇叭乐声热烈反应，对其他声音的反应都不热烈，即使是小提琴音也罢。
音乐家还必须发展使用双手的本领，特别是演奏键盘的音乐家。因此，我们会预期，大脑左、右半球运动区的协调呼应有解剖学基础。果不其然。联系大脑左、右半球的神经束叫做胼胝体，连络左、右运动区的神经纤维位于胼胝体前端。音乐家的胼胝体前端较一般人大，且越早学音乐的人增加幅度越大。其他研究也指出，音乐家的运动皮质与小脑（运动协调机构）都比较大。
音乐与情绪
科学家除了研究大脑如何处理音乐的听觉讯号，对音乐如何激发强烈的情绪反应也非常感兴趣。在这个研究方向上，英国基尔大学的斯洛波达（John
A. Sloboda）是先锋。1991年，他发表问卷调查报告，指出有八成受访者表示音乐会引发身体反应，包括颤抖、大笑与流泪。1995年，美国俄亥俄州立布林格陵大学杰出研究教授潘克沙普（Jaak
Panksepp）发表调查报告，在几百名回答问卷的年轻人当中，有七成表示他们喜爱音乐是「因为音乐能引发情绪与情感」。1997年，美国康乃尔大学认知心理学教授昆曼索（Carol
L. Krumhansl）发表了一份研究报告，为上述两份调查结果添上了血肉。昆曼索的团队播放代表快乐、悲伤、恐惧和紧张的音乐给受测者听，同时测量他们的心搏、血压、呼吸及其他生理指标。结果，每一种音乐类型都能引发不同的生理变化，而且众人有一致的反应模式。
直到最近，科学家对这些反应的大脑机制几乎一无所知。但是，有一位代号I. R.的女性病人，倒提供了一条线索。I. R.由于切除动脉瘤，两个大脑半球上的颞叶（包括听觉皮质）都给破坏了。她的智力与记忆力都正常，也没有失语症症状，但就是辨认不出任何音乐，无论是过去熟悉得不得了的音乐，还是反覆聆听过的新鲜音乐。两个不同的旋律，无论有多大差异，她都无法分辨。然而，她对不同类型的音乐仍有正常的情绪反应；她能察觉音乐传递的情绪。由这个病例，我们知道颞叶是了解旋律不可或缺的组织，而生成情绪反应则不需颞叶；情绪依赖皮质下构造，也涉及额叶。
为了弄清楚大脑对音乐生成情绪反应的区域，加拿大马吉尔大学的布勒德（Anne Blood）与扎佗以神经图象学技术做了一个实验，并在2001年发表研究结果。这个研究利用温和的情绪刺激，也就是测量人对协和音程与不协和音程的反应。一段协和的音程，通常是由频率可以形成简单比例的乐音组成。例如频率约260赫兹的中央C音与约390赫兹的中央G音，频率比是2:3，要是同时弹奏，就组成令人愉悦的「完全音程」。相对来说，中央C音与升半音C（大约277赫兹）的比例很「复杂」，大约等于8:9，同时弹奏就会令人不舒服。
这种情绪经验的大脑机制是什么？受试者聆听协和和弦与不协和和弦时，以正子断层扫描技术得到的结果是，不同的大脑区域参与了不同的情绪反应。协和和弦启动了右半球额叶眼眶面皮质（报偿系统的一部份），还有胼胝体下面的部份区域。相对地，不协和和弦启动了右半球海马旁回（parahippocampal
gyrus）。因此，大脑在处理与音乐有关的情绪时，至少有两个系统可用，分别处理不同类别的情绪。至于听觉系统的不同活动模式与这两套反应区域的关联，还有待研究。
2001年，布勒德与扎佗另外发表了一篇论文，为音乐引发愉悦感的机制提供进一步的线索。他们在音乐家聆听音乐，陶醉其中时，以仪器扫描他们的脑子，发现音乐启动的区域，有些是食物、性或成瘾药物都会刺激的同一个报偿系统。
大致说来，到当前为止，科学家发现的证据显示：一、音乐有生物基础；二、脑子里有个处理音乐的功能组织。即使现在研究还处于草创阶段，我们似乎已有理由相信，音乐有许多面相，许多大脑区域参与处理特定面相的信息，无论是知性（例如理解一个旋律），还是感性。音乐家似乎另有特别本领，具体地说，他们有些大脑结构会过度发育。这些结果证明：学习能令大脑重新定音，不但加强神经元的反应，还会增加对特定声音强烈反应的神经元数量。对音乐与大脑的研究会继续发展，我们可以预言，我们不但会对音乐及音乐存在的理由有更广的理解，还会发现音乐究竟有多少面相。
【2004-12-01/科学人/34期/P.92】
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