Csépe Valéria

Az agy és a hangok világa


Talán többen emlékszünk még azokra a televíziókra, amelyek bekapcsoláskor magas, sípoló hangot adtak ki. A mai készülékek persze már nem ilyenek. Ezek szerint sok mindent hozott azóta a technológiai fejlődés, hiszen megszabadultunk e kellemetlen zajtól! De vajon teljesen eltűnt-e a sípolás? Sokan csodálkoznának, ha tudnák, hogy a gyerekek ma is hallják ezt a hangot; a zaj még mindig létezik, ha nem is olyan durva, mint régen. Mi történt hát a hallásunkkal? Öregszünk, vagy sokat voltunk zajos környezetben? Csak a fülünkkel történt valami, vagy az agyunkkal is? Miben más ez a zaj, a sípszó, mint a zene, a madárcsicsergés vagy a beszéd? Honnan tudja az agy, hogy a sokféle hangból mi mihez tartozik, ha egyszerre halljuk őket?

Amikor ezeket a sorokat írom a számítógépemen, hallom a billentyűk finom kattogását, a ki-be kapcsolódó ventilátor lágy zümmögését, lépéseket a másik szobából, és valahonnan egy bánatos autóriasztó hangját. Ami mindezt lehetővé teszi, az a hallás csodálatos mechanizmusa. Ennek a fülünktől az agyunkig haladó bonyolult működésnek több feladata is van. Azonosítania és eseményekké – zajjá, zenévé, beszéddé – kell szerveznie a hangokat. Meg kell határoznia, hogy honnan jön a hang, és fel is kell ismernie annak a forrását. Mindez azonban önmagában még nem sokat segít abban, hogy a világban eligazodjunk, hiszen a hangoknak gyakran jelentésük is van: olyan fontos információkat közvetítenek, melyeket az agynak szintén fel kell dolgoznia.

Ha még emlékszünk iskolai fizikatanulmányainkra, tudhatjuk, hogy a hangok mechanikai rezgések. Nagyon leegyszerűsítve kijelenthetjük: a rezgéshullámok egy másodpercre eső teljes ciklusainak száma a hangmagasságot vagy frekvenciát, a hullámok nagysága pedig a hangosságot határozza meg. Ez a hullámként továbbított rezgés a levegőrészecskék sűrűsödése útján jön létre, hangnyomásként jelentkezik az útjába kerülő felületeken, és súlyosan "nehezedik" a dobhártyánkra, amikor fülünkbe üvöltetjük kedvenc zenénket. Ezt a hangnyomást magunk is könnyen tanulmányozhatjuk, ha egy cérnaszálat otthoni hangszórónk közvetlen közelébe helyezünk. Megfigyelhetjük azt is, hogy a hangerő emelésével a cérnaszál ütemesen mozogni kezd. Ha mindezt technozene hallgatása közben próbáljuk ki, még lenyűgözőbb hatást tudunk elérni.


1. ábra. A klarinét összetett hangjának hullámspektruma

Említettük, hogy a hangmagasság és a másodpercenkénti rezgéshullámok száma csak leegyszerűsítve feleltethető meg egymásnak, mégpedig azért, mert ez az összefüggés csak az egyféle frekvenciájú hanghullámból álló, úgynevezett tiszta hangokra érvényes. A természetes hangok azonban nem ilyenek: sem a furulyaszó, sem a madárcsicsergés, sem a falevelek susogása, és persze az emberi beszéd sem. A hangok összetettsége igazán jól látszik a klarinét hangjának elemeit bemutató rajzon (1. ábra). Láthatjuk, hogy van egy kisebb frekvenciájú hullám, amit alaphangnak hívunk, és ehhez "hozzáadogatva" a többit, úgynevezett összetett hanghoz jutunk. Ez utóbbit a felhangok vagy más néven harmonikusok alakítják ki. Ugyanazt a zenei hangot lejátszhatjuk másik hangszeren, például fuvolán is, és ekkor hallani fogjuk, hogy bár a fuvola hangmagassága ugyanaz, hangélményünk mégis más lesz. Ez a tulajdonság, a hangszín, éppen az összetevő felhangok eltérésének köszönhető. Ha arra a kérdésre keressük a választ, hogy milyen módon történik a hang észlelése, nincs is annyira nehéz dolgunk, mert ismerjük az emberi hallókéreg képességeit. Az a tény azonban, hogy azt is meg tudjuk állapítani, milyen hangszer szól, már semmiképpen sem magyarázható meg ilyen egyszerűen. Ehhez már a tapasztalataink, a hangoknak megfelelő tárgyakról tárolt tudásunk is szükséges.


2. ábra. A hallópálya és annak fontosabb állomásai

A hangrezgések fülünk belsejében, egy aprócska, de rendkívül jól tervezett szervben, a csigában olyan jelekké, idegi impulzusokká alakulnak át, amelyeket a hallópálya továbbít az agyba. A hallópálya (2. ábra) egyszerű, ám jól szervezett vasúti hálózathoz hasonlít. A "vonatok", vagyis az idegimpulzusok, számos állomáson futnak át, és ezek egy részében – sőt már az induláskor is – "vágányváltás" történik. A bal fülből a pályák jó része a jobb oldali átkapcsoló állomásra továbbítódik és fordítva. Az agykéregig vezető úton még további átkereszteződések, összekapcsolódások történnek. Ezek a kéreg alatti területek persze nem pusztán passzív átkapcsoló állomások, hanem sokkal bonyolultabb funkciójuk van. Feladatukat gyorsan és jól kell, hogy végezzék, míg végül az agykéregbe továbbított információ lehetővé teszi, hogy a hangforrás helyét azonosítsuk. Nem mindegy, hogy agyunk mit észlel; mögöttünk, mellettünk vagy előttünk megy el a villamos. Ez a működés nélkülözhetetlen a világtalan ember számára, de a látó embereknek is igen fontos.

A hang forrásának felismerése tehát már az agykéreg alatti szinten elkezdődik, sőt ezen területeknek meghatározó szerepük van az azonosításában. Ám mindez nem mondható el a hangokból kialakuló összetett mintázatokról. Az agykutatás adatai szerint ezek a hangmintázatok (a pszichológiában hallási eseményeknek nevezzük őket) a hallókérgi ideghálózatok működésének köszönhetően alakulnak ki. Ahhoz azonban, hogy megértsük, mi mindent kell az agykéregnek megoldania, meg kell ismerkednünk azokkal a szerveződési elvekkel, amelyek az észlelés számára egységbe rendezik az információkat, hogy végül szívdobogás hangja, zene vagy beszéd legyen belőlük. A hallási események egyik jellegzetessége, hogy egyszerre elhangzó, illetve egymást követő elemekből épülnek fel. A mintázat kialakulásában meghatározó szerepe van a hangmagasságnak és az időnek is, legyen szó a hangok hosszáról, egymástól való távolságáról vagy a hangelemek egymásba történő átmenetéről. A hangmintázat létrejöttéhez szükség van arra, hogy az agykéreg alkalmas legyen az egyes finom elemek feldolgozására, és arra is, hogy azokat jellemző tulajdonságaik alapján képes legyen átszervezni, azaz ne törődjön minden apró eltéréssel. Így bármilyen furcsának is tűnjék, a rendszernek egyszerre kell nagyon pontosnak és pontatlannak lennie, csak éppen az nem mindegy, hogy mikor. A hallási események egy része kizárólag ilyen módon jön létre, hiszen az akusztikai eltérések nem mindig fontosak az agy számára. Azt is mondhatnánk, hogy az észlelés részben illúzió, azaz nem úgy hallunk mindent, ahogy azt műszereink mutatják. Ez a folyamat hasonló a látásunk kapcsán tapasztalható illúziókhoz, amelyek úgy jönnek létre, hogy az agyunk mindig mindent csoportosít, és ha tud, mindent ismert formákba rendez. Ezekben a folyamatokban a tapasztalatok is segítik. A hallókéreg csak a hangok egy adott időtartamáig képes az egymást követő jelek sorrendjét követni. Túl rövid hangok esetében elkezd csoportosítani, mégpedig az alapján, hogy mennyire elképzelhető, hogy a hangok egy forrástól származzanak. Ilyenkor a sorrenddel, sőt a frekvenciák hovatartozásával sem törődik. Ha van számítógépünk, segítségével létrehozhatunk egy olyan hangsort, amelyben a páros sorszámú hangokat "összekötve" egy emelkedő, míg a páratlanokat figyelve egy süllyedő hangsor jön létre. Mindaddig, amíg a jelek között elég idő telik el, az egymást követő hangok sorrendjét követni tudjuk, ideális esetben még el is dúdolhatjuk. Amint azonban átlépjük a másodperc ötödrészét, azt tapasztaljuk, hogy az ilyen rövid hangokat már nem tudjuk külön észlelni, ám furcsa élményben lesz részünk: egyszerre hallunk két hangláncolatot, amit nevezhetnénk akár dallamnak is. A jelek ideje agyunk számára már követhetetlen, így a frekvencia alapján csoportosít a hallókéreg, a hangok távolságát és a "lehetséges jó folytatást" figyelembe véve. Hallgassunk néha barokk zenét, és gondoljunk közben arra, hogy amit hallunk, a nem más, mint a hangláncolatok elbűvölő összhangzata.

Tudjuk, hogy a hallókéregben vannak olyan neuronok, amelyek a hang kezdetére, megszűnésére, vagy a hang energiájának változására érzékenyek. Vannak sejtek, melyek a tiszta hangok feldolgozását végzik, de ez a csoport csak részben fed át az összetett hangokkal foglalkozó neuronok területével. Ha a hangerősséget változtatjuk, megint más elrendeződést találunk az idegsejtek aktivitásában.

Az eddig említett feladatokat az elsődleges hallókéreg látja el. Ebből a területből az agyfelszínen viszonylag kevés látszik, hiszen az elsődleges hallókéreg a halántéklebeny feletti árokban húzódik meg. E régió alatt láthatjuk a másodlagos, vagy asszociációs hallókérget. Úgy tűnik, hogy az agykéregnek ez a része az evolúció során sokkal izgalmasabb feladatokat kapott. Ez a terület nemcsak az embernél, hanem már a rhesusmajmoknál is érzékenyebb az összetett, mint a tiszta hangokra. A másodlagos hallókéreg a majmok jelentést hordozó hangadására, a vokalizációra is érzékenység. Azt láthatjuk tehát, hogy az elsődleges hallókéreg körül a kérgi területek munkamegosztáson alapuló együttműködése alakul ki, amely egyre inkább előkészíti a beszédhangok feldolgozását, vagyis a beszéd észlelését. Az agykéreg ugyanis kódolni tudja az emberi beszéd összetett hangjait, és a tárolt mintázatok alapján ezen jelek együttesét a megfelelő jelentéshez képes kapcsolni. Ennek kifejlődése az evolúció során a majmoknál kezdődött meg, de ez nem csak a már említett vokalizációra vonatkozik. Az emberszabású majmok hallókérge rendelkezik azzal a tulajdonsággal is, hogy egyes emberi beszédhangokat meg tud különböztetni; ez a képesség pedig a hangok akusztikai jellemzői szerinti éles határok mentén történik. Egy "p" és egy "b" hang megkülönböztetése például a zöngésségi idő, mint akusztikai eltérés alapján lehetséges, ez a határ pedig 20-25 ezred másodperc körül van. A világ nyelveiben létező "p" és "b" hangpárok közti eltérés azonban nagyon különböző lehet. Az újszülött baba, hasonlóan a majmokhoz, képes egészen kicsi időeltérés esetén is megkülönböztetni a hangokat. Pár hónap elteltével azonban egészen érdekes dolog történik: az eltérés feldolgozása egyre jobb lesz az anyanyelvben jellemző különbség esetében, és jelentősen romlik a más nyelveknél előforduló sajátságokra. A beszédhangok észlelésének a tapasztalatoktól függő átrendeződése és az akusztikai eltérések feldolgozásának torzulása csak az ember jellemzője.

3. ábra. 16 elektródás babasapka

A beszédhangok agyi képviseletének fejlődését fejre helyezett elektródák segítségével, az agy adott eseményhez – esetünkben a beszédhang elhangzásához – kötött elektromos aktivitásának mérésével tudjuk követni. Ezt a változásérzékeny választ eltérési negativitásnak (EN) nevezzük. Az MTA Pszichológiai Kutatóintézetében két munkacsoport is vizsgálja ezzel a módszerrel a hallási mintázatok szerveződését, valamint ezek, illetve a beszédhangok feldolgozásának fejlődését és zavarait. Kutatásaink eredményei alapján a beszédhangok agyi feldolgozása 5 és 8 éves kor között ismét nagy változáson megy át: a hallókéreg bal oldali területei válnak elsődlegesen felelőssé a finom eltérések gyors feldolgozásáért. A fürdősapkához hasonló fejfedőben elhelyezett elektródákkal (3. ábra) elvezetett válaszokból olyan agytérképeket tudunk készíteni, amelyeken a változások, a normáltól való eltérések bemutathatók. Ezzel a módszerrel a súlyos nyelvi zavarban szenvedő iskolás gyermeknél követhető a beszédhangok megkülönböztetési képességének a hiánya (4. ábra). Hasonló módszerrel vizsgáljuk diszlexiás (súlyos olvasási zavarban szenvedő) gyerekeknél is a beszédhang-feldolgozási zavarokat, és eredményeinket más típusú rendellenességek sajátságaival, illetve a normálisan olvasók beszédészlelési jellemzőivel vetjük egybe.


4. ábra. Elektródasapkával elvezett jelekből készült térkép (Kakasy Éva illusztrációja)

A diszlexiára jellemző hallási feldolgozási zavar a nyolcvanas évek közepétől foglalkoztatja intenzíven az embereket. Amerikai kutatók a rosszul olvasó, ám a "tiszta" diszlexiától eltérő fejlődési zavarról mutatták ki, hogy a hallókéreg nem képes a néhány ezredmásodpercnyi idő alatt lezajló gyors akusztikai változásokat feldolgozni. Az első publikációkat követően számos vizsgálatra került sor. Ezek többsége azonban nem bizonyította egyértelműen, hogy a diszlexiásoknak általános akusztikai feldolgozási zavara lenne. Viszont több elektrofiziológiai kutatásokkal foglalkozó laboratórium igazolta, beleértve saját munkacsoportunkat is, hogy a diszlexiás feldolgozási zavar elsősorban a beszédhangok finom eltéréseire vonatkozik. Ez minden valószínűséggel úgy alakul ki, hogy az összetett akusztikai/fonetikai eltérések feldolgozásához szükséges hallókérgi mechanizmusok nem elég fejlettek. Ennek minden bizonnyal egyenes következménye, hogy a beszédhangoknak elégtelen, "elkent" kérgi reprezentációja alakul ki. Könnyen belátható, hogy mi következik ebből. A szavak hangalakja rosszul tárolódik, a diszlexiás, olvasni tanuló kisgyermeknek nincs hozzáférése a szavak pontos hangszerkezetéhez. Amennyiben a reprezentáció zavara olyan súlyos, hogy a fontos akusztikai eltérések nem különböztethetők meg, nehéz lesz ezekhez az eltérő betűalakokat hozzárendelni.

Jelenlegi ismereteink szerint az anyanyelv beszédhangjainak agyi képviselete 8 éves korra kialakul, ezt követően magától már alig változik. Ha figyelembe vesszük azt a tényt, hogy az agykéreg fejlődése körülbelül 15 évet vesz igénybe, azt mondhatjuk, hogy a beszédészlelés alapműködéseinek kialakításában nem is volt annyira türelmetlen a természet. Ne feledjük azonban, hogy a hangok megkülönböztetése csupán egy eleme a beszédészlelésnek. A beszélt nyelv nem a hangok együttese csupán, sőt a szavakat alkotó hangokhoz, bármilyen furcsa, csak viszonylag későn, 5–6 éves korban férnek hozzá a gyerekek. A beszédnek a konkrét szavakon átívelő tulajdonságait – a ritmust, a hangsúlyt és az intonációt – is fel kell dolgoznia az agynak, különben beszédértésünk szétesik. Legújabb kutatási eredményeink azt mutatják, hogy a csecsemők a hangsúlyra már jóval az előtt érzékenyek, mielőtt azt használni tudnák. Az anyanyelv sajátos hangsúlyszerkezetének az agyi képviselete még sokáig képes fejlődni, 10 éves korra azonban "megmakacsolja magát", és később már nehezen alakítható.

A kifejező beszéd csupa zene. Jusson eszünkbe a régi anekdota az egyetemista fiúról, aki levelezőlapján csak ennyit ír: "Apa, küldj pénzt!" Ez a mondat az apai hangsúlyozással szemtelen követelőzésnek hangzik, az anyaival hízelkedő könyörgésnek. Igen, a nyelv zenéje a hanglejtés. Ez persze nem mindig szép zene, hiszen például a gúny és az irónia hanglejtése ütközik a tartalommal. Mit kezd az ilyen helyzetekkel a hangok világában rendet teremteni szándékozó agy? Azt, amit mi magunk is teszünk, ha nem tudjuk, minek higgyünk; a tartalomnak vagy a formának. Japán kutatók modern képalkotó eljárással (funkcionális MRI) kapott legújabb adatai szerint a sikeres feldolgozáshoz a két félteke hallási feldolgozó területeinek ép működése és együttműködése szükséges. A hangsúly és a tartalom eltérésének, az érzelmi állapotot közvetítő hanglejtésnek feldolgozása csak akkor lehetséges, ha a beszéd "mit", vagyis a tartalomra, és "hogyan", vagyis a formára érzékeny rendszere egymással kommunikál. Úgy tűnik, hogy a "mit" kérdésekkel a bal félteke foglakozik, a "hogyan"-nal viszont a jobb. Ha különböző információt kapnak, "összevesznek", mert a tartalmat kétségbe vonja az a "hogyan" rendszer, amely a hanglejtésnek a finom akusztikai sajátosságaira oly érzékeny.

A nyelv zenéje segít a beszéd megértésében, segítségével kiemelkedhet közlésünk lényege a kevésbé fontos információk sorából, közvetíthetjük vele szándékainkat, érzelmeinket. Érzékenységünk a hangszálak érzelmes játékára a születés után gyorsan kialakul, több kutató szerint fejlődése már magzati korban elkezdődik. Gondoljunk kisbabánkra, aki mosolyog a kedves hangra, bármit is mondjunk, és megrémül, ha haragosan mondjuk, mennyire szeretjük. A beszédértés kialakulása után természetesen már nem hagyatkozunk kizárólag a hanglejtésre.

Azt gondolhatnánk, hogy a zene nyelvét mindannyian értjük. Ez talán nincs teljesen így, de az tény, hogy a zene hallási mechanizmusáért elvileg mindenkinél ugyanazok az agykérgi területek felelősek. Ez kétségtelenül igaz, legalábbis az időbeli szerveződésre, a ritmusra, a hangok hosszára és a harmonikus hangzatok feldolgozására. Azonban a zenének is van szerkezete és szabályai. Így azt láthatjuk, hogy minél magasabb a zene szerveződési szintje, annál aktívabbak lesznek a tiszta hangokkal foglalkozó sejtcsoportokon kívül mások is. A Max Planck Intézet (Lipcse) és a Harvard Egyetem (Boston) kutatói az elmúlt években számos vizsgálatot végezetek, és azt találták, hogy a zene és a nyelv feldolgozása részben átfedő agyi területek működéséhez kötött, noha ezen régiók feltérképezésében még sok feladata van a tudománynak. Tudjuk viszont, hogy az 5–9 éves gyerekeknél a nyelvi és zenei feldolgozás még sokkal nagyobb hasonlóságot mutat, mint felnőtteknél. A megszerzett tapasztalat még azoknál is módosítja a működést, akik csak passzív zenehallgatók.

A zenészeknél maga a zene művelése is szerkezeti és funkcionális változásokat eredményez. A bal félteke hallókérgi területei sokkal aktívabbak náluk, mint a nem zenészeknél, sőt a másodlagos hallókéreg is nagyobb. Azt a tényt régóta ismerjük, hogy a zongorán játszó művészek bal és jobb ujjainak megfelelő mozgatókéreg is nagyobb, mint a nem zenélőknél, míg a hegedűsöknél ez a megnövekedett képviselet csak a húrokon játszó kéz esetében figyelhető meg. Ugyanilyen változásra a hallókéreg is képes, sőt a zenei képzés során a munkába olyan kéregterületek is bekapcsolódnak, amelyeknek eredetileg nem is ez volt a feladatuk.

Az agy tehát jól szervezett, pontatlanságában is hatékonyan működik, és ami a legfontosabb: rugalmasan képes alkalmazkodni ahhoz a hangkörnyezethez, amiben felnövünk és élünk. A zaj azonban tönkreteszi ezt a rendszert: a belső fül maradandó sérülései következtében a hallókéreg nem vagy alig kapja meg a szükséges impulzusokat. Azt gondolhatnánk, ez még önmagában nem tragédia, legfeljebb kevesebb dolga lesz az agynak. Sajnos, nem ez történik.

Kanadai kutatók szerint ugyanis a halláscsökkenés hatással van az agy működésére is. A csendre vagy halkabb hangok feldolgozására hivatott idegsejtek közül a magasabb frekvenciák feldolgozásáért felelősek "önállósítják" magukat és egyre aktívabbakká válnak. Bármilyen furcsán is hangzik, ez nem ahhoz vezet, hogy jobban válaszolnak a magas hangokra, hanem ahhoz, hogy az alacsonyabb frekvenciájú hangok egy szűk tartományára érzékeny idegsejteket izgatják. Így ezeket a hangokat abnormálisan hangosnak halljuk, illetve csendes környezetben belülről halljuk a kellemetlen sípoló, csengő hangot. A külső hangoktól részben megfosztott agy tehát átszerveződik, és olyan aktivitásokat produkál, amelyek kellemetlen hatásúak. A halláscsökkenés felnőtt embernél is olyan változásokat eredményez, amely rontja az életminőséget, de a gyermekkorban bekövetkező károsodás következményei még drámaibbak, hiszen az anyanyelv megfelelő agyi képviseletéhez szükség van a "felesleges" információkra is. Rosszul működő beszédfelismerés mellett nehezen tudnak a bonyolultabb feladatokért, például az olvasásért felelős rendszerek kiépülni.

Másként alakul az agy működése a süketen születetteknél. Az Oszakai Egyetem kutatói a közelmúltban agyi képalkotó eljárás (PET) segítségével kimutatták, hogy a született süketeknél a jelnyelv használatakor az összetett hangok és így a beszédhangok feldolgozására specializálódott területek az aktívak. Ebből is látható, hogy a fejlődő agyban úgy alakul az egyes területek működése, ahogy azt a változó környezet megköveteli. Ez az átalakulás azonban, jelenlegi ismereteink szerint, mindig a másodlagos hallókéregben történik. Úgy tűnik, az elsődleges hallókéreg feladata a hangok fizikai jellemzőinek a feldolgozása. Ezt igazolja, hogy született süketeknél a beültetett, a hangokat elektródák segítségével közvetítő, úgynevezett cochlea implantátum használata után ez a terület vált egyre aktívabbá, miközben a jelnyelvre változatlanul a másodlagos hallókéreg maradt érzékeny.

Agyunk csodákra képes, ha a biológiai lehetőségek és a szükséges tapasztalatok találkoznak. A belső fül varázslatos alagútjaiban indul el minden, de az agy az a szerv, amely rendet teremt a hangok világában. A beszéddel, a zenével, a vízcsobogással és rengeteg más hallási eseménnyel sikerrel birkózik meg, csak egyetlen dologgal, a zajjal nem tud mit kezdeni. Zajban "megtéved", vagy éppen a romló hallás miatt nem kap megfelelő impulzusokat. A "csöndre ítélt" hallókéreg csak akkor építkezik, ha valaki sosem hallott hangokat, a hangoktól megfosztott, ép hallókéreg viszont önpusztításba kezd. Itt az ideje, hogy elgondolkozzunk, mit tehetnénk a zajszennyezés ellen.

Irodalom

Sekuler, B. és Blake, R.: Észlelés (2000, Osiris Kiadó, Budapest)
Papp János: Hang–Ember–Hang (2002, Vince Kiadó, Budapest)
Pléh Csaba, Kovács Gyula, Gulyás Balázs (szerk.): Kognitív idegtudomány (2003, Osiris Kiadó, Budapest)
 


Természet Világa, 135. évfolyam, 3. szám, 2004. március
http://www.chemonet.hu/TermVil/ 
http://www.kfki.hu/chemonet/TermVil/