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  (文/Kim Krieger)一个生物物理学研究小组最近采用了一个数学模型,来解释人类耳内的神经是如何分辨出“和谐”的音符的。和谐的音符能激发耳内神经元的规律运动,相反,不和谐的噪音则让神经元的活动趋于紊乱。

  在钢琴键盘上同时摁下C和E两个键,大三度和弦的和谐动听声音便会传入耳中。这种“和谐动听”的感觉,源自于C音和E音的振动频率相符。听起来非常和谐的协和音程,两个音的振动频率能够约分形成数字较小的比例,例如两个八度音振动频率是2:1,大五度为3:2,大三度为5:4。而非协和音程两个音振动频率的比例数字较大,例如16:15以及45:32等。不过科学家一直不确定,到底人的耳朵和大脑是如何精确地分辨这样的比例、并感受到“和谐”和“不和谐”的。

  最近,意大利帕勒莫大学的生物物理学家伯纳多 兹帕尼奥洛(Bernardo Spagnolo)以及他的研究伙伴们,用一个简单的神经学模型解释了这一原理。

  人的耳膜跟随声波振动,并带动内耳里一个螺旋形的基底膜(我们称之为耳蜗)一起振动。基底膜受振动的位置与声波的频率高低一致——高频的声波能让基底膜更尖端的部位振动。然后,振动频率的信息通过神经元传递到大脑中。

  兹帕尼奥洛和他的同事发现,神经元之间的简单回路对声音的辨别有作用。它们用一个简单的三神经元数学模型来模拟声波在“基底膜-神经元-大脑”之间的传递。基底膜上的两个神经元被设置为“感应器”,它们分别感应到不同频率的声音,把信号传递给第三个“中间神经元”,这个“中间神经元”再将两个信号合二为一。三个神经元的工作模式完全模拟真正的神经元,即刺激神经元让其电压越来越高,直到神经元释放一个冲动、电压恢复、休息并准备进入下一个循环。

  研究人员分析了这个模型输出的信号,并得出了简明而清晰的结论:当神经元接受协和音程(例如钢琴上的大三度)时,中间神经元传递出的合并信号显示出的波形是清晰、圆滑的。而接受非协和音程时,中间神经元传导出的信号则比较模糊。在经过大量的取样分析之后,研究人员得出结论,非和谐音程的信号输出更加不规律(或者说熵值更高),也就是说,中间神经元输出信号的规律程度能够很好地反映音符的和谐与否。

  如果这个研究是正确的,那么这个方法可以用科学方法量化音乐的“动听程度”,也可以用于测试非欧美或者亚洲传统音乐的和弦,比如新大陆发现以前一些美洲古老部落的音乐(它们并非用通用的记谱方式谱曲,也无法用传统的乐理解释)。这些音乐代代相传,只是因为听起来“是对的”。我们可以将这些音乐用上文中提到的模型检验一下,并科学地分析这些音符是如何体现“动听”与“和谐”的。

 

 

 

 

 

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channelId 1 1 人耳如何分辨动听音符? 1 一个生物物理学研究小组最近采用了一个数学模型,来解释人类耳内的神经是如何分辨出“和谐”的音符的。和谐的音符能激发耳内神经元的规律运动,相反,不和谐的噪音则让神经元的活动趋于紊乱。