Kitabı oku: «Музыка и мозг. Как музыка влияет на эмоции, здоровье и интеллект», sayfa 3

От уха – к мозгу

Превратившись в улитке в электрические импульсы, звуковые волны передаются в мозг по слуховому нерву, nervus cochlearis. Сигналы принимает определенный отдел в противоположном полушарии мозга – первичная слуховая кора. Но прежде, чем до нее дойти, сигналы должны побывать еще в нескольких точках. Слуховой нерв заканчивается в стволе головного мозга. Там сигналы переключаются.

От ствола головного мозга нервные волокна идут не только по «основному пути» – к слуховой коре в височной доле противоположного полушария, но и напрямую к слуховой коре того же полушария. Это важно для локализации источника звука, поскольку до слухового отдела противоположного полушария сигналы доходят быстрее, чем до лежащего в том же полушарии. Мозг понимает, что источник звука расположен ближе к тому уху, от которого сигналы доходят быстрее. Этот удивительный механизм позволяет различить источники звука, угол между которыми составляет всего два градуса. Соответственно, сигналы от них доходят с разницей во времени, составляющей 10 микросекунд! У всех сигналов разная сила звука и высота тона, и благодаря этому мозг понимает, спереди или сзади от него находится источник звука, движется он или стоит на месте.

Кроме того, на уровне ствола головного мозга существуют связи между входящими звуковыми сигналами и зонами, отвечающими за движения глаз. Эти связи отвечают за то, чтобы взгляд автоматически направлялся туда, откуда приходит неожиданный звук. Также из ствола головного мозга нейронные связи направляются прямо в те зоны, которые отвечают за всем известную реакцию вздрагивания (старт-рефлекс) – из-за нее мы подскакиваем, вдруг услышав громкий звук.

Все эти реакции управляются прямо из ствола головного мозга, и запускаются они еще до того, как мы в принципе осознаем, что мозг принял звуковой сигнал. Происходит это в тот момент, когда звуковой сигнал доходит до слуховой коры в височной доле. Когда это происходит, в стволе головного мозга на бессознательном уровне уже идет анализ, весьма необходимый для позднейшего восприятия звука и для того, чтобы мозг выстроил трехмерную звуковую картину мира. Давайте повторим еще раз: за создание полной картины мира в значительной степени отвечают бесчисленные процессы, протекающие в подсознательной и предсознательной части мозга.

По дороге в слуховую кору звуковые сигналы проходят и через важный переключатель, называемый таламусом, – он направляет по верному пути в кору головного мозга все сигналы, поступающие от органов чувств, за исключением информации от органов обоняния. Перед таламусом располагаются другие важные части мозга, в том числе миндалевидное тело. Эти отделы мозга, по форме напоминающие миндальные орехи и расположенные в глубине обоих полушарий, помимо прочего, отвечают за хранение эмоционально значимых для нас воспоминаний. Миндалевидное тело играет важную роль в эмоциональном обучении, поэтому его еще называют «центр страха». Прямая связь между слуховыми сигналами и миндалевидным телом объясняет, почему звук и музыка имеют уникальную способность воздействовать на наши чувства. К этому мы вернемся в следующих главах.

Слуховой путь также связан с мозговым образованием, которое называется ретикулярной формацией. Это часть ретикулярной активирующей системы, или сокращенно РАС. Она выполняет несколько важных функций и, кроме всего прочего, отвечает за возбудимость и внимание. Следовательно, стимуляция РАС повышает уровень возбудимости и внимания – и эта связь объясняет общий стимулирующий, живительный эффект, оказываемый музыкой.

Ретикулярная формация также образует связи с важными системами, расположенными в спинном мозге и в стволе мозга и генерирующими ритмическую активность. Это системы, отвечающие за автоматические ритмы, например руководящие постоянными сокращениями наших дыхательных мышц, или генераторы ритма, управляющие ритмом ходьбы.

Ретикулярная активирующая система состоит из множества ядер в стволе головного мозга, связанных друг с другом (закрашенная серым область на рисунке) и подающих сигналы в большие зоны коры головного мозга – и напрямую, и через таламус. При активации этой системы, например по причине резкой смены уровня звука или из-за другого мощного сенсорного стимула, повышается уровень возбудимости и внимания. Этот феномен используется в музыке, так как при резкой смене ритма или громкости звука активируется кора головного мозга и возрастает интерес слушателя к произведению.

Благодаря им мы можем одновременно шагать и заниматься чем-то еще, например беседовать, смотреть по сторонам или планировать маршрут. Без автоматической ритмической координации всех мышц это было бы невозможно. Моторный ритм тела тесно связан с музыкой. Когда мы слышим пульсацию музыкального ритма, то не можем усидеть на месте и начинаем двигаться ритмично. Этот феномен можно объяснить в том числе тем, что слуховые волокна связаны с ретикулярной формацией и генераторами ритма.

Как мы уже говорили, еще до того, как звуковые сигналы достигнут слуховой коры в височной доле, образуется множество двусторонних связей между слуховыми путями, а также связей между слуховыми путями и другими системами мозга. Однако сигналы сохраняют тонотопическую организацию до тех самых пор, пока не достигнут первичной слуховой коры. Термин «тонотопический» означает, что сигналы упорядочены от самого высокого к самому низкому, как на клавиатуре. Так информация об одном частотном диапазоне, или одном тоне, передается из уха в соответствующий отдел первичной слуховой коры в височной доле (см. рис.): высокие тоны располагаются в глубине, низкие – ближе к поверхности. Частоты звуков выстраиваются на поверхности мозга в своего рода рисунок – благодаря ему можно отличить тоны друг от друга. Наглядная схема позволяет мозгу легче анализировать поступающие одновременно звуки – например, политональные аккорды.

От внешнего уха слуховой проход тянется к барабанной перепонке. Далее идет внутренний слуховой проход, внутри которого слуховые косточки связывают внутреннюю сторону барабанной перепонки с овальным окном и улиткой. Три дуги на вершине улитки – это вестибулярный аппарат.

Подробнее см. на рис., приведённом ранее.

Удивительно, но частота импульсов в слуховом нерве (во всяком случае в нижних диапазонах) полностью соответствует частоте услышанного нами тона, если не выходит за предел частоты импульса нейрона (400 Гц). К тому же каждый тон занимает в слуховом нерве свое место, а частота звуковой волны, которую улавливает ухо, соответствует частоте, с которой слуховой нерв пересылает сигналы в мозг. Эту информацию мозг использует во время анализа высоты тона – и об этом мы поговорим в следующей главе.

От звука – к тону

Для всей музыки тон – это краеугольный камень. Когда физический объект совершает гармонические колебания, возникает чистый тон. В природе это явление встречается достаточно редко. Можно сказать, что шум водопада имеет основную частоту, а звуки, издаваемые некоторыми живыми существами, – например, пение птиц, – обладают тональной характеристикой, но в целом мы в основном окружены шумом (или более сложными «беспорядочными» звуками). Большая часть животной коммуникации – от львиного рёва до хрюканья свиньи – лишена тона и других музыкальных характеристик.

О важности обертонов

Даже тот музыкальный звук, что мы воспринимаем как чистый тон, имеет сложную структуру. Мы слышим чистый, непрерывный поток звука с определенной частотой, или высотой тона. Однако измерительные приборы показывают совсем другую картину. Когда некий объект, скажем гитарная струна, совершает гармонические колебания, он не колеблется по всей длине равномерно – колеблется, соответственно, половина длины струны, а также ее третья часть, четвертая и далее (Пифагор описал это явление еще две с половиной тысячи лет назад). Тон состоит не только из основной частоты, но и из основной частоты, умноженной на два, на три, на четыре и далее. Например, частота колебания ноты ля в середине клавиатуры фортепиано – 440 колебаний в секунду. Обозначают это так: 440 Гц (герц). Ряд обертонов для ноты ля – это, соответственно, данная частота, умноженная на 2, 3, 4 (и более), то есть 880, 1760, 3520, 7040 Гц и далее.

Если вы хотите самостоятельно в этом убедиться и рядом с вами есть фортепиано, можете провести простой эксперимент: зажмите клавиши до, ми и соль в середине клавиатуры пианино. С силой нажмите клавишу ре октавой ниже: вы услышите только ее звучание. Затем с силой нажмите клавишу до рядом с ней. Вы услышите, что звучат до, ми и соль, которые вы по-прежнему удерживаете. Все дело в том, что эти тоны – часть обертонового ряда находящейся на октаву ниже клавиши до. Когда вы на нее нажимаете, обертоны дают резонанс к аккорду до мажор – он звучит даже в отсутствие основного тона. Если же вы, напротив, нажмете на клавишу до, не зажимая до, ми и соль октавой выше, вы услышите лишь ноту до, хотя все прочие обертоны и составляют звучание этого тона. Столь удивительный феномен называется слиянием – он означает, что во время нашего восприятия (перцепции) все обертоны сводятся к основному тону. Именно сокращая такое сложное звуковое полотно (целый ряд тонов, находящихся в определенных соотношениях) лишь до основной частоты, мозг упрощает для нас картину мира и делает ее более наглядной. Это не означает, что мозг игнорирует информацию об обертонах. Вовсе нет. Как мы еще увидим, именно качество обертонового звукоряда определяет высоту тона и тембр и имеет определяющее значение для созвучия с другими тонами (консонанса) или его отсутствия (диссонанса).

Обертоны и иллюзии

Итак, у того звука, что мы воспринимаем как тон, нет единой частоты. Есть целый обертоновый звукоряд – ряд частот, звучащих вместе и сокращающихся до одного тона в нашем мозге. Однако обертоновый звукоряд несет очень важную для мозга информацию. Например, именно он определяет, как мозг будет воспринимать высоту тона. Особенно важны третий, четвертый и пятый обертоны. Важность обертонового ряда для восприятия легко продемонстрировать с помощью чистого тона, искусственно созданного и имеющего только одну частоту (например, 440 Гц, что соответствует ноте ля на середине клавиатуры фортепиано). Если вы услышите такой тон, мозг не сможет определить его высоту. Даже люди с абсолютным слухом здесь бессильны. На самом деле, если сыграть аккорд из чистых тонов, составляющих вместе обертоновый ряд, в котором особенно важны третий, четвертый и пятый тоны, мозг воспримет как отсутствующий основной тон. Следовательно, мозг выстроит (а мы услышим) тон, которого на самом деле нет. Это явление отсутствия основного тона – пример слуховой иллюзии.

Мозг позволяет обмануть себя – но мы ведь ему это простим? Если одновременно зазвучат несколько тонов, принадлежащих обертоновому ряду более низкого басового тона, басовый тон возникнет исключительно благодаря физике, хотя на самом деле мы его не играем. Так образуется комбинационный тон. Это явление широко известно, и в течение многих веков им пользуются создатели органов. Инструменту необязательно нужны большие басовые трубы – ведь достаточно просто сыграть аккорд из обертонового ряда для нужного тона, и получившийся комбинационный тон будет соответствовать отсутствующему основному. Орган будет звучать точно так же, как и с настоящей басовой трубой, а этот практичный метод позволит сэкономить место и снизить стоимость инструмента. Еще один пример – мобильные телефоны: многие из них не могут воспроизвести тоны с частотой ниже 300 Гц, а мужские голоса зачастую еще более низкие. Благодаря явлению отсутствия основного тона низкие частоты мужских голосов слышны по мобильному телефону.

Мы слышим звуки с частотой от 16–20 до 16 000–20 000 Гц. Поэтому у более низких звуков ряды обертонов богаче и сложнее, чем у более высоких. Первый обертон для тона частотой 5000 Гц имеет частоту 10 000 Гц, следующий обертон – 15 000 Гц, а третий – 20 000 Гц (мы его едва слышим). Следовательно, высокие звуки имеют более скудный обертоновый ряд, чем низкие. Как мы уже говорили, именно третий, четвертый и пятый обертоны важны для идентификации тона. А у относительно высокого тона, например частотой 5000 Гц, четвертый и пятый обертоны находятся уже за пределами восприятия. Из-за этого мозг не сможет выстроить в нашем восприятии тон (он зависит от третьего, четвертого и пятого обертонов). Мы как бы потеряем ощущение тона! Самый высокий тон клавиатуры фортепиано имеет частоту 4440 Гц. Он настолько высок, что его обертоновый ряд выходит за границу нашего восприятия. Поэтому нет смысла добавлять еще одну октаву. Мы в состоянии услышать ee основную частоту, однако ощущения тона у нас не будет. Все тоны будут казаться нам писком, не являющимся частью аккорда или гаммы и не имеющим для нас никакого значения.

Мы слышим гораздо больше обертонов у тонов басового регистра, и между ними чаще возникает диссонанс (к этому явлению мы вернемся в следующей главе). Это означает, что интервалы баса будут казаться более диссонантными по сравнению с интервалами верхнего регистра. Как мы уже говорили в предыдущей главе, мозг может различать тоны, для которых расстояние между ответственными за их восприятие волосковыми клетками на базилярной мембране улитки составляет около 0,02 мм. Но басовый регистр отличается от верхнего. Если мы вспомним пример с ковриком, то увидим, что волны при его вытряхивании станут длиннее при «медленных» частотах, как у баса. Для сравнения: если вы будете трясти коврик быстро, появится много мелких волн, как в верхнем регистре. То же самое происходит на базилярной мембране улитки: низкие тоны дают длинные волны («медленные» частоты), а если они расположены плотно, становится непросто их различать. Басовые тоны отделить друг от друга сложнее, чем тоны верхнего регистра. Следовательно, низкие тоны мы различаем хуже, чем высокие. Это легко проверить, если рядом есть фортепиано: терция (например, ноты до и ми, взятые одновременно) в нижнем регистре покажется нам не такой четкой, как в верхнем. Исходя из этого, в произведениях большинства жанров композиторы используют басовые аккорды с открытыми интервалами (тоны расположены на большом расстоянии друг от друга – на октаву и квинту) – и уменьшают их в дисканте.

Если два тона верхнего регистра находятся так близко друг к другу, что мозг не различает их, возникает еще одно явление – интерференция. Сыграйте два расположенных близко друг к другу чистых тона, например с частотой 1000 и 1004 Гц. Вы услышите расположенный между ними «средний» тон с частотой 1002 Гц, но с отчетливой «пульсацией», или «колебанием», в 4 Гц – как если бы мы увеличивали и уменьшали громкость звука четыре раза в секунду. Такое можно услышать на концертах: на пикколо-флейте, например, очень сложно играть абсолютно чисто. Если два флейтиста хотя бы незначительно не попадают в унисон, мы почувствуем, что сила тона меняется и тон «колеблется». Обратите на это внимание, если вдруг услышите оркестр янычар с семью медными трубами!

Тот же самый эффект можно наблюдать, слушая расстроенное фортепиано. Каждый молоточек должен одновременно бить по нескольким струнам, настроенным на одну и ту же частоту. Если перенастроить эти струны, тем самым изменив частоту, из-за интерференции сила тона будет казаться неоднородной. Вот почему звук расстроенного пианино кажется нам «разбитым».

Слуховая кора головного мозга

Слуховая кора мозга организована по принципу тонотопии. Это означает, что клетки мозга реагируют на разные частоты и расположены друг за другом, как клавиши на клавиатуре. Подобным образом устроена и ушная раковина (улитка), улавливающая звуковые сигналы.

Необработанные данные, поступающие в ухо, передаются в первичную слуховую кору, расположенную в задних отделах верхней височной извилины в височной доле (gyrus temporalis superior) в обоих полушариях мозга. Как мы уже говорили, слуховая кора организована по принципу тонотопии – а это значит, что своим расположением клетки, реагирующие на различные частоты, напоминают клавиши на клавиатуре.

Но у слуховой коры есть еще одна функция: перед тем как снова сложиться в понятную картину, все характеристики звука отделяются друг от друга (декомпонуются). Анализ различных характеристик звука проходит в областях возле первичной слуховой коры – их называют слуховыми ассоциативными зонами. Там частоты объединяются, становятся тонами, аккордами и мелодиями – и приобретают смысл.

Высота тона

С момента обнаружения того, что восприятие высоты тона строится в мозге, наука ищет отвечающий за это центр. Довольно долго исследования в этой области проводились в основном на животных. Игольчатые электроды, вживленные разным животным в слуховую кору, помогли зарегистрировать ответную реакцию отдельных нервных клеток на различные виды звуковой стимуляции. Так ученые выяснили, что кроме нервных клеток, реагирующих на особые частоты и организованных по тонотопическому принципу, в коре головного мозга есть также нервные клетки, которые откликаются только на сложные тоны, то есть тоны с обертоновым рядом. Исследования, проведенные на животных, показали, что только около 20 % нервных клеток слухового отдела мозга реагируют на такую сложную стимуляцию. Именно эти клетки можно обмануть с помощью обертонового ряда и услышать отсутствующий основной тон. Возможность понять, в какой части мозга образуются такие конструкции, нам дают современные технологии визуализации, такие как функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) и позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), а также электрофизиологические исследования, например электроэнцефалография (ЭЭГ) и магнитоэнцефалография (МЭГ) (см. текст в рамке на следующей странице). Благодаря этим технологиям можно заглянуть в мозг живого человека, выполняющего различные задачи. Однако проводить исследования по-прежнему сложно. Результаты напрямую зависят от того, какие выполняются задания и какой применяется метод. Также не в последнюю очередь они зависят от выбранной группы испытуемых (например, совсем разные результаты будут у музыкантов и у тех, кто никогда не обучался музыке).

Отдел мозга, расположенный прямо перед первичной слуховой корой, так называемые извилины Гешля, показывает высокую активность во время большинства исследований, в ходе которых проводился анализ высоты тона. Особенно быстро и последовательно извилины Гешля активируются при изменении тона. Многие исследования зафиксировали активность чуть далее, в височной доле – в отделе мозга под названием «темпоральная плоскость» (planum temporale). При нестандартных изменениях высоты тона отмечается особая активность в темпоральной плоскости. Кроме того, у отдельных испытуемых наблюдается активация теменной доли и приграничных областей зрительной зоны в задней части мозга, в то время как у других активируются передние отделы мозга (префронтальная кора). Следовательно, процесс обработки высоты тона имеет индивидуальные черты, а извилины Гешля и темпоральная плоскость (planum temporale) являются важнейшими отделами, активирующимися у всех одинаково часто.

Начальные фазы анализа высоты тона одинаково затрагивают слуховую кору мозга обоих полушарий, но если тон модулируется или меняется, правое полушарие постепенно начинает доминировать.

Наверное, это не так уж удивительно, ведь правое полушарие в целом имеет лучшее «спектральное разрешение» и у него сильнее развита способность мгновенно анализировать поступающую в мозг информацию. Это относится не только к звуковой стимуляции. Восприятие пространственных отношений, сложных фигур и положения тела в пространстве (ощущение тела) – вот примеры того, за что в основном отвечает правое полушарие. Левое, наоборот, лучше собирает информацию за какой-то период времени, например объединяет цепочку звуков в слово. Итак, у большинства из нас за анализ высоты тона в основном отвечает правое полушарие. На это также указывают исследования пациентов с различными повреждениями мозга – например, после операций, инсультов или травм. Пациенты с повреждениями слухового отдела в правом полушарии не слышат отсутствующий основной тон. Их мозг больше не может «создать» его. Однако есть и исключения. Судя по всему, музыканты, особенно те из них, кто рано начал учиться музыке, а также люди с абсолютным слухом анализируют высоту тона в большей степени левым полушарием мозга. Об этом мы поговорим далее.

Карл Штумпф (1848–1936) – немецкий философ и психолог. Его по праву считают пионером экспериментальной психологии, он исследовал «психологию тона» и происхождение музыки. Его работа заложила основы сразу двух исследовательских областей – экспериментальной психологии и музыкальной этнографии. Об этом он написал две книги: «Психология музыкальных восприятий» (Tonpsychologie) и «Происхождение музыки» (Die Anfänge der Musik)².

Штумпф изучал эволюцию музыки посредством анализа музыки, записанной в различных примитивных племенах. В качестве материала Штумпф использовал более 30 000 восковых валиков с музыкальными записями со всего света, которые он взял из Берлинского этнологического музея и Берлинского фонограмархива. Начал он с культуры Шри-Ланки, затем двинулся на восток, к Тихоокеанскому региону, в Южную Америку, Африку и обошел таким образом всю планету. Штумпф был очень способным музыкантом и имел все предпосылки для занятий музыкальным анализом. Его интересовали и вопросы восприятия музыки. Хотя общепринятые взгляды на музыкальную эволюцию изменились, открытия Карла Штумпфа важны и по сей день, например введенное им понятие «фузия», описывающее явление, возникающее при восприятии тона, его высоты и аккордов. Теория консонанса также по-прежнему основывается на открытиях Штумпфа.