Icon up Overzicht

Harmonie in de hersenen

Onderwerp:

Harmonische muziek streelt niet de oren, maar de hersenen. Een wiskundig model heeft aangetoond dat harmonische klanken de auditieve zenuwen ritmischer een signaal door laten geven dan niet harmonische. Deze ritmische puls veroorzaakt een vervolgsignaal dat meer informatie bevat dat van een random vurende zenuwcel. Dit zou de reden kunnen zijn dat harmonische muziek als prettig ervaren wordt.

Al sinds de oude Grieken stelt men de vraag waarom harmonieuze muziek, met tonen met frequenties die gerelateerd zijn aan simpele verhoudingen, zoals 2:1 (octaaf) en 3:2 (kwint), het prettigst in het gehoor liggen. Ondanks dat dit een eenvoudige vraag leek, is er pas in september 2011 een mogelijke verklaring voor gekomen vanuit onverwachte hoek. De natuurkundige Rus Ushakov en zijn collega’s hebben een theoretisch model ontwikkeld dat gebruik maakt van de informatietheorie, een wiskundige theorie die zich bezighoudt met de meest efficiënte en betrouwbare manier van informatie opslaan en overdragen.

Geluid waarnemen

Het verhaal begint als het geluid aankomt in het oor. Daar wordt het bij het basilaire membraam omgezet in een elektrisch signaal (zie figuur 1). De omzetting die hier plaats vindt komt zeer nauwkeurig overeen met fouriertransformatie. Een fouriertransformatie is een wiskundige methode waarbij van een functie (of in dit geval een signaal) over gegaan wordt naar een functie die bestaat uit sinussen en cosinussen. Het signaal wordt dus ontleed in sinussen en cosinussen die vervolgens verder het brein in gestuurd worden. Zie ook onderstaande animatie of lees het uitgebreide artikel over fourieranalyse.

figuur 1

Basilair membraan

Animatie van de werking van het basilair membraan, ontwikkeld door het Howard Hughes Medical Institute.

Ushakov en zijn collega’s werkten met een input van twee tonen. Hierbij zijn er slechts twee gevoelszenuwen (sensorische neuronen, genaamd) actief die door het basilaire membraam geactiveerd worden. Deze zenuwcellen geven ieder weer pulsen af die terecht komen bij een derde zenuw (N3: zie figuur 2). De onderzoekers hebben bepaald wat de output van de derde zenuwcel is, gegeven een bepaalde harmonische of niet harmonische input. Er was een duidelijk verschil zichtbaar. Bij valse noten arriveren de inputsignalen van de eerste twee zenuwen op verschillende momenten, waardoor er een onregelmatige reeks aan impulssignalen als output gegeven wordt. Harmonische klanken zorgen er echter voor dat de impulsen gelijktijdig bij de derde zenuwcel aankomen, waardoor deze slechts eenmaal een signaal afvuurt, wacht tot hij weer opgeladen is en dan nogmaals vuurt. Dit resulteert in een regelmatige reeks aan impulsen.

figuur 2

Informatie in signalen

Volgens de informatie theorie uit de wiskunde bevat een random signaal weinig informatie, in tegenstelling tot een signaal met een duidelijk patroon. Dit informatieverschil kan de reden zijn dat harmonische muziek als prettig ervaren wordt. Om dit model te testen hebben de onderzoekers berekend hoeveel informatie harmonieuze en valse tonen precies bevatten. Nu is het af wachten tot neuropsychologen de taak op zich nemen om deze theorie te testen.

Bron: Ushakov, Y,V., Dubkov, A.A. en Spagnolo, B. (2011), Regularity of Spike Trains and Harmony Perception in a Model of the Auditory System. American Physical Society, september, 108103-1- 108103-4.