图1 测试的曲调 在关于旋律辨别的实验中，成年及婴儿参与者反复地听儿歌《小星星》的前几个音符。他们学会了在听到含有错误音符（图中框内）的变化曲调时做出反应。研究者用了很多不同的音色来演奏，使得音色不会是旋律辨别任务的可靠线索
对音高差异的感知需要大脑处理复杂的声音。但值得注意的是，3个月大的、大脑发育尚不成熟的婴儿能够分辨出儿童歌曲《小星星》演奏中出现的一个错误音符。
音高是用来组成优美旋律的音乐成分。科学家们很早以前就了解到音高的重要性，不仅仅是对于音乐的感知，同时也是在嘈杂的环境中对于话语的倾听及理解。但关于大脑是如何对音高进行编码的，我们仍在争论不休。神经影像研究显示，当成人听到音高时，听觉皮层被激活，因此该大脑区域似乎是参与了音高的处理。婴儿大脑的听觉皮层尚未完全发育，但华盛顿大学一个研究团队的研究表明，婴儿是能够感知音高的。
无基音的音调
当用一种乐器演奏音符时，会产生一种由多种泛音组成的复杂声波。最低的泛音或基本频率是携带音高的，而泛音的构成决定了音符的音色。音色是一种特性，使得小号与小提琴听起来是不一样的。
在最近的实验中，研究者分别测试了3个月大的婴儿、7个月大的婴儿和成年参与者，看他们是否能辨别出儿歌《小星星》演奏中出现的错误音符（见图1）。这类工作中最大的挑战之一就是要弄清楚一个参与者是否对音高或其他声谱信号（比如声谱能量集中的频率）做出了反应。为了确定参与者是否的确对音高做出了反应，研究人员利用了一个经典现象：对于缺失基音的感知。对于演奏的每一个音符，研究人员过滤出与其音高相对应的频率分量――即基频。
你可能会认为，听者无法感知一个缺失了基频的曲调中的音高。但事实并非如此，你可以登录“听觉神经科学网页”（www.auditoryneuroscience.com）自己确认一下。事实上，你每天都能毫不费力地听到那些缺少基音的音高。例如，当你在电话里听某人说话时，即使在基频没有被传送的情况下，你也可以听到对方声音的音高。在旋律辨别实验及早期的工作中，研究者使用了缺失基音的刺激来测试婴儿大脑是否能够将来自更高泛音的信息整合起来从而产生对音高的感知。如果婴儿是根据曲调的声谱构成做出反应的，他们就不会在实验任务中取得成功。
尽管研究者使用的是缺失基音的曲调，但仍然可以想象的是参与者对音色做出了反应。因此，研究者随机地为每个音符改变了音色。这使得旋律听起来好像是每一个音符都由一种不同的乐器演奏，但并没有改变其中任何一个音符的音高。因此，旋律的音高轮廓保持不变。因为那些不断发生的音色变化，如果参与者是对音色而不是对音高做出反应，那么他们会感到困惑――该现象实际上发生在一些成年参与者身上。
婴儿对于相对音高的感知
图2 小隔间里的婴儿 在一个减噪的小隔间里，参与实验的婴儿坐在一名看护者的腿上。a.一位助理人员用玩具使婴儿保持专注并面朝恰当的方向。婴儿通过入耳式耳机听旋律，但没有人听到婴儿在听什么――看护者听音乐，助理人员则接收隔间外的一名实验者的指示。实验人员通过观察婴儿的行为来判断是否向其播放了变化的旋律。婴儿常见的反应包括转动头部，或是把目光投向之前在调节阶段使用过的一个机械玩具。b.成年参与者独自坐在隔间里。婴儿没有被给予口头指令，成人获得的也只有模糊的指令“听到使玩具激活的变化旋律的时候，就举起手。”除此之外，婴儿和成人接受的测试一样
当然，婴儿无法告诉我们他们听到了什么，因而在实验中，研究者通过观察参与者对听到的声音的反应来评估其听觉感知。如图2a所示，测试期间，婴儿坐在护理者的腿上，一位助理人员用玩具使婴儿保持专注并面朝恰当的方向。在长达一小时的实验之初，我们反复播放了儿歌《小星星》的前7个音符。为确保没有韵律方面的线索可循，我们将每个音符都持续同样的时间――650毫秒，每两个相邻的音符之间停顿500毫秒。
实验中参与者的任务是听一段包含了一个错误音符的“变化旋律”。在最初的调节阶段，变化的旋律总是伴随着一个机械玩具的激活（图2b）。一旦实验人员可以通过观察参与者的行为来确定是否播放了变化的旋律，那么这个最初的调节阶段就完成了。随后，参与者进入了一个测试阶段，期间只有当实验者无误地确定了变化的旋律在播放时，机械玩具才会被激活。在这一阶段，玩具的作用就是强化刺激，以保持参与者的反应。
旋律是由音高构成的，有可能听一段旋律时只关注绝对音高的线索――即每一个音符的基音，独立于其他音符而存在。但真正组成一段旋律的是音符之间的音高关系。毕竟，当你听到一段旋律转换成另一种调号时，你仍然能把它识别出来，即使音符的绝对音高已经改变了。旋律的辨别需要你去关注那些表达音高轮廓的相对音高线索。
过去的研究表明，婴儿可以根据他们被给予的任务对于绝对或相对音高做出反应，所以研究人员用两种方式测试参与者。在第一种方式的测试中，一直用同一种调号演奏《小星星》――即音高是保持不变的。在这种情况下，参与者可以获得绝对音高和相对音高的线索。在第2种方式的测试中，研究人员将旋律变换成另外两种调号。所播放的每一种旋律都是从这3种调号中随机选取的，这样一来，绝对音高线索就不再有用了。在上述两种方式的测试中，婴儿都能够辨别出旋律。特别是，婴儿在第2种方式的测试中取得成功可以表明，他们能够利用相对音高线索来提取出旋律轮廓。
音色混乱：成人的问题
与成年人相比，婴儿更容易学会把一个错误的音符与一个被激活的玩具联系起来。大多数婴儿在第一次尝试时就通过了实验的调节阶段。许多成年参与者在调节阶段则需要更多的反复才能学会这个任务，甚至有些成人根本就学不会。在音色持续变化的情况下，一些成年人似乎很难将一个错误的音符分离出来并把它与一种强化刺激物联系起来。之前的研究，包括研究者实验室的工作，也发现了成年人在音色变化时很难对音高做出反应。尚不清楚这种音色混乱为什么对婴儿却没有影响。
研究表明，3个月大的婴儿可以把来自高泛音的信息整合起来形成对音高的感知，并以此分辨出带有一个错误音符的变化旋律。3个月大的婴儿对音高的感知能力表明，在没有听觉皮层参与的情况下，皮质下的加工处理可能足以在处于发育的听觉系统中对音高进行编码。现在我们知道，听力正常的婴儿在3个月大的时候就可以感知音高，我们可以更可靠地为那些音高感知能力受损的婴儿进行诊断。
资料来源 Physics Today
责任编辑 彦 隐