人耳如何分辨動聽音符

一個生物學研究小組采用了一個數學模型，解釋了人類耳內神經是如何分辨出“和諧”音符的。和諧的音符能激發耳內神經元的規律運動，不和諧的噪音則讓神經元的活動趨于紊亂。

在鋼琴鍵盤上同時摁下C和E兩個鍵，大三度和弦的和諧動聽聲音便會傳入耳中。這種“和諧動聽”的感覺，源自于C音和E音的振動頻率相符。聽起來非常和諧的協和音程，兩個音的振動頻率能夠約分形成數字較小的比例，例如兩個八度音振動頻率是2：1，大五度為3：2，大三度為5：4。到底人的耳朵和大腦是如何精確地分辨這樣的比例、并感受到“和諧”和“不和諧”的？意大利帕勒莫大學的生物物理學家伯納多茲帕尼奧洛以及他的研究伙伴們，用一個簡單的神經學模型解釋了這一原理。

人的耳膜跟隨聲波振動，并帶動內耳里一個螺旋形的基底膜（我們稱之為耳蝸）一起振動。基底膜受振動的位置與聲波的頻率高低一致——高頻的聲波能讓基底膜更尖端的部位振動。然后，振動頻率的信息通過神經元傳遞到大腦中。

茲帕尼奧洛等人發現，神經元之間的簡單回路對聲音的辨別有作用。它們用一個簡單的三神經元數學模型來模擬聲波在“基底膜-神經元-大腦”之間的傳遞。基底膜上的兩個神經元被設置為“感應器”，它們分別感應到不同頻率的聲音，把信號傳遞給第三個“中間神經元”，這個“中間神經元”再將兩個信號合二為一。三個神經元的工作模式完全模擬真正的神經元，即刺激神經元讓其電壓越來越高，直到神經元釋放一個沖動、電壓恢復、休息并準備進入下一個循環。

研究人員分析了這個模型輸出的信號，并得出了簡明而清晰的結論：當神經元接受協和音程（例如鋼琴上的大三度）時，中間神經元傳遞出的合并信號顯示出的波形是清晰、圓滑的；而接受非協和音程時，中間神經元傳導出的信號則比較模糊。在經過大量的取樣分析之后，研究人員得出結論，非和諧音程的信號輸出表現得更加不規則，也就是說，中間神經元輸出信號的規律程度能夠很好地反映音符的和諧與否。

（摘自果殼網）