Заглянем в лабораторию: измерение электрических реакций мозга на аккорды
Чтобы понять, как мозг обрабатывает аккорды, мы сначала использовали электроэнцефалографию (ЭЭГ). На голову испытуемому надели шапочку со встроенными электродами (обычно их 32 или 64). Она похожа на шапочку для купания, от которой отходит множество длинных проводов. С помощью электродов измеряли электрические сигналы мозга. Если шапочка надета правильно, все электроды занимают на голове нужную позицию. Испытуемого помещали в электрически изолированную кабину с удобным креслом, экраном, клавиатурой и громкоговорителем. Ему рассказывали, что он будет слушать последовательности из нескольких аккордов и что один из них, возможно, будет сыгран не так, как другие. В этом случае его задача заключается в том, чтобы сразу нажать клавишу. Дверь кабины закрывали и включали запись ЭЭГ эксперимент начинался. Испытуемый слышал десятки последовательностей аккордов на протяжении 1015 минут.
В ходе записи поначалу невозможно определить на основании появляющихся на мониторе кривых, как мозг обрабатывает музыкальную информацию. Волны ЭЭГ содержат много шумов, источником которых являются мышцы головы и шеи, а также, разумеется, спонтанная деятельность мозга, которая не имеет ничего общего с экспериментом (ведь он занят попутно и другими делами). По сравнению с этими шумами сигналы мозга, имеющие отношение к обработке музыкальной информации, можно сравнить с жужжанием пчелы на фоне шума от оживленной автомагистрали. Поэтому правильные и неправильные последовательности аккордов проигрывались десятки раз, а в измерениях участвуют от 15 до 25 испытуемых. Только так можно отделить электрический сигнал мозга, реагирующего на аккорд, от случайного шума. Эта реакция носит название «электрический потенциал мозга». Меня в ходе исследования интересовали прежде всего электрические потенциалы при обнаружении неправильного аккорда. Они имели заметные отличия от реакции на правильные. Эксперимент удался, что позволило нам приступить к обработке «музыкальной грамматики».
Именно тогда я обнаружил, что различия в электрической реакции мозга на правильные и неправильные аккорды обнаруживались уже спустя 150 миллисекунд (150 тысячных долей секунды) после начала звучания за это время даже моргнуть не успеешь[19]! Электрический потенциал мозга при обнаружении неправильного аккорда был очень схож с типичной электрической реакцией мозга на синтаксическую ошибку в тексте. Он длился примерно столько же по времени и подобным образом распространялся по мозгу. Это были первые признаки того, что музыка и речь обрабатываются в схожих сетевых структурах мозга. Единственное отличие состояло в том, что электрическая реакция на необычные аккорды чуть больше захватывала правое полушарие мозга, а на синтаксические ошибки левое.
Мы проводили этот эксперимент как с музыкантами, так и с людьми, далекими от музыки, которые не играли ни на одном инструменте и не пели в хоре. Результаты однозначно свидетельствовали о том, что мозг «немузыканта» реагирует на неправильные аккорды. Электрические потенциалы этой группы почти не отличались от тех, что демонстрировали музыканты. Они лишь были чуть слабее. Это свидетельствовало о том, что и у музыкантов, и у тех, кто не занимается музыкой, необычные аккорды обрабатываются одними и теми же механизмами мозга.
Интересно, что электрическая реакция мозга на неправильные аккорды наблюдалась даже у людей, которые сами о себе говорили, что абсолютно ничего не смыслят в музыке. Это лишний раз доказывает: мы зачастую сами не догадываемся о том, что нам известно. Специалисты говорят в таких случаях об «имплицитном знании». Оказывается, мы на удивление хорошо разбираемся во многих вещах, сами того не подозревая. Поэтому многие из испытуемых искренне удивлялись тому, как сильно их мозг реагировал на неправильные аккорды даже в тех случаях, когда сами они не замечали ничего необычного. Я помню, как один из моих друзей, которому я после эксперимента показал записи электрической активности его мозга, спросил меня: «Значит, я не такой уж немузыкальный?». Он также поинтересовался, сможет ли он освоить какой-нибудь музыкальный инструмент, т. к. всегда мечтал играть на саксофоне. На оба вопроса я дал ему утвердительный ответ. Спустя некоторое время я увидел его на одном из университетских концертов с саксофоном на сцене. Ему это доставляло очевидную радость, а для меня стало незабываемым моментом.
Таким образом мы доказали, что даже те, кто считает себя абсолютно немузыкальными людьми, обладают специфическим чутьем. Мы можем обладать какими-то способностями, даже не догадываясь об этом. Многие считают себя немузыкальными, поскольку не учились музыке, не знают нот, не играют ни на каком инструменте или никогда не учились пению (Улисс Грант, 18-й президент США, якобы сказал однажды: «Я знаю только две мелодии. Одна это Yankee Doodle («Янки Дудл»), а вторая нет»). Отсутствие музыкального образования отнюдь не свидетельствует о немузыкальности. Каждый человек музыкален, потому что от природы обладает способностью чувствовать музыку. Другими словами, все мы музыкальные существа. Поэтому каждый человек может извлечь для себя пользу из целительных эффектов мелодий.
Результаты тех экспериментов были затем повторены учеными из других стран. Моя исследовательская группа, как, впрочем, и другие, обнаружила впоследствии, что мозг реагирует на неправильные аккорды даже тогда, когда испытуемый читает книгу и не обращает никакого внимания на музыку. Мы также показали, что электрическая реакция мозга может быть вызвана не только специально созданными для эксперимента стимулами, но и «настоящей» музыкой Баха, Бетховена и Шуберта[20].
Кроме того, мы проводили эксперименты с ЭЭГ на детях. До этого считалось общепринятым, что дети начинают понимать музыку не раньше младшего школьного возраста. Мне это мнение с самого начала казалось неправильным: я на примере собственных детей видел, как им нравилась музыка, как они подпевали, хлопали в ладоши и как чуть не валились от смеха со стульев, когда я демонстрировал им неправильные аккорды из своих экспериментов. Наша группа выявила электрические реакции мозга на необычные аккорды сначала у пятилеток, а затем и у детей в возрасте двух с половиной лет[21]. От некоторых родителей можно было услышать характерные высказывания: «Лично я не слышу никакого различия, а уж ребенок-то и подавно не услышит». Как бы не так: дети обычно воспринимают больше (и точнее), чем думают и воспринимают сами родители. Во всяком случае, в нашем эксперименте электрическая реакция мозга на неправильные аккорды отмечалась у самых маленьких детей. Они усваивают музыкальные знания сами по себе, без всяких объяснений со стороны (ни один ребенок до этого не посещал музыкальных занятий). Им достаточно всего лишь слушать музыку в детском саду или дома по радио. Это позволяет говорить о том, что у людей присутствует врожденная способность распознавать и усваивать музыкальные структуры и закономерности.
Электрические реакции мозга детей двух с половиной лет были еще весьма слабыми. Поэтому я могу предположить, что в возрасте от двух до двух с половиной лет дети только учатся откладывать в памяти синтаксические закономерности музыки и затем применять их по отношению к незнакомым мелодиям. Это тот же возраст, в котором они начинают реагировать на неправильную грамматику в речи.
Музыка и речь с точки зрения мозга
Рие Мацунага музыковед из Японии несколько лет стажировалась в нашей исследовательской группе. Меня тогда заинтересовало ее имя, потому что оно начиналось с буквы «Р», а большинство японцев не выговаривает ее. Выходит, что сами японцы называют ее Лие, а не Рие? Когда я спросил ее об этом, она недоуменно посмотрела на меня. Похоже, она не поняла сути моего вопроса даже после того, как я повторил его. Лишь некоторое время спустя до меня дошло: дело не в том, что японцы не выговаривают звук «Р», а в том, что «Р» и «Л» звучат для них одинаково. Когда я поинтересовался у Рие, неужели она действительно не слышит разницы между «Лие» и «Рие», она утвердительно кивнула головой.
Даже если это нам кажется само собой разумеющимся, обработка звуков речи, языка в целом и музыки относится к числу поразительных способностей мозга. Как ни странно, область взаимного перекрытия областей мозга, отвечающих за обработку музыкальной и речевой информации, очень велика. Она отражает тесное переплетение эволюционных корней речи и музыки. На первых стадиях мозг обрабатывает звуки речи и музыки практически одинаково. Это объясняется тем, что речь и музыка с чисто акустической точки зрения несут в себе одну и ту же информацию: и для тех, и для других звуков основными характеристиками являются диапазон частот и громкость. Поэтому звук скрипки похож на звук «и», фагота на «о», тарелок на «ц», а кастаньет на «к». Таким образом, инструменты могут издавать звуки, схожие со звуками речи, а некоторые певцы, к примеру, Бобби Макферрин и Том Там, способны голосом имитировать звуки инструментов.
Каждый гласный звук является музыкальным. Акустические отличия между разными гласными зависят только от интенсивности обертонов (называемых в фонетике формантами). Акустические различия между гласными порой настолько незначительны, что требуется незаурядный музыкальный слух, чтобы расслышать их. Немцы без труда различают произношение «u» и «ü», «o» и «ö», а вот те, кто говорит на языках, для которых не свойственны подобные звуки, порой не может ни выговорить их, ни различить на слух. Или взять звук в норвежском языке, обозначаемый буквой «у». Он произносится как нечто среднее между немецким «i» и «ü». Даже мне как музыканту трудно уловить на слух разницу между «i» и норвежским «у» (хотя музыкантам это дается легче)[22]. Тот факт, что норвежские немузыканты с легкостью выговаривают и различают на слух свое «у», а немецкие немузыканты не испытывают проблем в различении «о» и «ö», говорит о том, насколько восприимчив человек к звукам, даже если он не имеет отношения к музыке. Тот, кто способен нормально говорить, но при этом считает себя немузыкальным человеком, просто недооценивает свои поразительные слуховые способности.
Вообще-то маленькие дети четко подмечают и воспринимают разницу между всевозможными звуками речи. Лишь в девятимесячном возрасте они настолько привыкают к своему родному языку, что различия в звуках других языков начинают восприниматься ими все слабее[23].
Акустические признаки согласных звуков представляют, как правило, сочетание частотных характеристик, затухания или нарастания громкости и продолжительности. Таким образом, согласные по своей структуре сложнее гласных, но по своим характеристикам мало чем отличаются от звуков музыки. Пользуясь этими характеристиками, мы можем, к примеру, различить звук малых тарелок хай-хэт («тс-с-с») и большой тарелки («тщ-щ-щ»), звучание гитарной («ди-и-и») и скрипичной струны («ни-и-и»).
Ввиду того, что звуки речи и музыки с акустической точки зрения несут одинаковую информацию, наш мозг на первой стадии обработки практически не делает различий между ними. Если отвлечься от отдельных звуков, то речь в целом также имеет общие черты с музыкой. Последовательности из нескольких речевых звуков т. е. слова и фразы создают речевую мелодию, благодаря которой мы можем отличить вопрос от ответа. Кроме того, в речи создается ритм, который облегчает ее восприятие. Важны и смысловые ударения, позволяющие лучше понять содержание. Благодаря им мы различаем фразы «ПЕТЕР играет на скрипке» и «Петер играет на СКРИПКЕ». Основываясь на эмоциональной окраске звучания, мы можем определить настроение говорящего. Мелодия, ритм, ударение, интонация это общие характеристики и музыки, и речи. Неудивительно, что мозг обрабатывает музыку и речь отчасти в одних и тех же своих структурах.
Музыкальные аспекты речи важны для детей при освоении языка. Для них (и особенно младенцев) поначалу важно даже не то, что им говорят и что говорят (или лепечут) они сами, а то, как все это говорится, т. е. музыкальная сторона речи. Им еще только предстоит понять, что звуки речи обладают определенным смыслом.
Между тем новорожденные обладают поразительными способностями распознавания речи. На последних неделях беременности плод слышит разговор и пение матери (а также музыку, которую она слушает). Правда, частотный диапазон подвержен сильной фильтрации, но плод запоминает звуки голоса матери и после родов может отличить ее на слух от других женщин[24]. Новорожденные могут даже отличить язык, на котором говорила мать во время беременности, от других языков. Например, если у матери родной язык английский или испанский, то младенец сразу же после рождения способен распознать, говорят ли другие женщины по-английски или по-испански[25].
Младенцы узнают голоса и языки по тембру, мелодии и ритму. Это становится возможным только благодаря поразительным музыкальным способностям, с которыми они появляются на свет. Именно эти способности помогают нам в детстве осваивать речь. Мы, взрослые, прислушиваемся в основном к содержательной стороне сказанного и пропускаем мимо ушей всю музыку, которая содержится в речи. Эту музыку мы слышим лишь, когда кто-то говорит на иностранном языке.
На более высоких ступенях обработки информации, там, где мозг определяет построение фразы и ее значение, также частично задействуются одни и те же нейронные ресурсы для речи и музыки. Мы выяснили, что электрические импульсы мозга в ответ на необычные аккорды отчасти возникают в той части лобной доли мозга, которая в левом полушарии носит название центра Брока́ (рис. 1)[26]. Эта область мозга стала в свое время одной из первых, которую наделили особой функцией. В 1861 году невролог Поль Брока́ обнародовал историю болезни одного пациента, которого он называл месье Тан. Этот пациент способен был произносить только один слог: «Тан». Вместе с тем он относительно свободно понимал речь окружающих. После смерти пациента врач исследовал его мозг и обнаружил, что часть левой фронтальной коры повреждена в результате инсульта. Сегодня эту область называют центром Брока, а нарушение речи после инсульта, при котором пациент лишается возможности говорить, но понимает обращенную к нему речь, носит название афазии Брока. Этот центр представляет собой ядро речевых структур мозга. Долгое время считалось, что его функции ограничены исключительно речью. Но наше исследование показало, что в круг его «интересов» входит и музыка. Это было первое функционально-нейроанатомическое свидетельство того, что музыка и речь отчасти обрабатываются одними и теми же сетевыми структурами мозга.
Рис. 1. Речевые и музыкальные структуры мозга. Слева классическая речевая структура левого полушария с двумя речевыми областями: центром Брока и зоной Вернике. В обработке речевой информации задействованы и другие области слуховой коры. Справа аналогичные области в правом полушарии обрабатывают музыкальную информацию. Правда, музыка частично обрабатывается в «речевой сети» левого полушария, а речь в «музыкальной сети» правого полушария. Таким образом, это не две отдельные структуры, а скорее одна «музыкально-речевая сеть», которая занимается обработкой как речи, так и музыки.