出品：科普中國(guó)

制作：梁柏?zé)?、杜憶（中?guó)科學(xué)院心理研究所）

監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

跟我一起念：“ mā má mǎ mà ......”

是不是感到毫無(wú)壓力？

但對(duì)于外國(guó)人來(lái)說(shuō)，就沒(méi)有那么容易了。

圖片來(lái)源：梁柏?zé)?，姜欣桐繪制

有一位在中國(guó)做高中班主任的英國(guó)老師，平時(shí)和學(xué)生們相處得很好，但是有一天一群過(guò)度活躍的孩子在自習(xí)課上太鬧騰，看自習(xí)的老師終于按捺不住，激動(dòng)地站了起來(lái)，拍著講桌:

“我補(bǔ)知搗你們微什么遮么吵！”

學(xué)生們意識(shí)到班主任憤怒了，但還是忍不住笑了起來(lái)。班主任也沒(méi)轍，見(jiàn)場(chǎng)面已經(jīng)失控，也捂著嘴，笑了起來(lái)……

圖片來(lái)源：梁柏?zé)觯劳├L制

事實(shí)上，他是一個(gè)對(duì)漢語(yǔ)了如指掌的牛津文學(xué)院高材生——在入學(xué)報(bào)到第一次開(kāi)班會(huì)的時(shí)候，他拿著花名冊(cè)一個(gè)一個(gè)地把同學(xué)的名字字正腔圓地念了一遍——包括聲調(diào)。

開(kāi)學(xué)之前他給學(xué)生家長(zhǎng)打電話，家長(zhǎng)們竟然沒(méi)有聽(tīng)出他的“歪果”腔。后來(lái)才發(fā)現(xiàn)，他在花名冊(cè)中給每個(gè)人的名字都標(biāo)好了拼音，寫(xiě)好了聲調(diào)?？墒?，那天的自習(xí)課，學(xué)生們過(guò)分的吵鬧，還是讓他在很生氣的情況下“原形畢露”了。

不僅是這位來(lái)自英國(guó)的老師，有很多可以掌握好幾門語(yǔ)言的外國(guó)人，還是不能說(shuō)把漢語(yǔ)說(shuō)好。若是問(wèn)他們漢語(yǔ)里面什么東西最難學(xué)，他會(huì)毫不猶豫地告訴你——“tone”(譯：聲調(diào))。

圖片來(lái)源：梁柏?zé)?，姜欣桐繪制

聲調(diào)之難，難于……

漢語(yǔ)博大精深，聲調(diào)可以說(shuō)是漢語(yǔ)的精髓之一了。精髓的另一個(gè)意思就是難，就像哥德巴赫猜想是數(shù)學(xué)界皇冠上的明珠，花掉了數(shù)學(xué)家們多少年呀，何況是咱家的聲調(diào)呢？所以，聲調(diào)難學(xué)，聲調(diào)發(fā)不準(zhǔn)，真的能怪勤奮好學(xué)的“歪果仁”們嗎？

首先，讓我們看看聲調(diào)是什么。我們?nèi)粘Ｕf(shuō)的言語(yǔ)（speech），聽(tīng)起來(lái)很簡(jiǎn)單，用錄音機(jī)錄下來(lái)畫(huà)成一幅圖，也就是一些波形:

圖片來(lái)源：梁柏?zé)隼L制

可是這些波形內(nèi)有乾坤。君請(qǐng)看，下圖這個(gè)鼓起來(lái)的小包包是一個(gè)音節(jié)(syllable)。這里是普通話的“媽”，這個(gè)“媽”的前后部分分別代表著/m/和/a/。

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那么難倒了“歪果仁”的聲調(diào)在哪里呢?為了看清楚聲調(diào)，我們需要對(duì)“媽”進(jìn)行加窗傅里葉變換。

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簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，傅里葉變換將聲音信號(hào)分解為許多不同頻率的（也就是聽(tīng)起來(lái)音高不一樣的）簡(jiǎn)諧波——這些波可以疊加成我們聽(tīng)到的聲音信號(hào)。

這就好比大合奏，原始的波形就好比合奏本身，而傅里葉變換讓我們看清楚小提琴、大提琴、笛簫等各種組成合奏的樂(lè)器。

加窗傅里葉變換是指對(duì)選取一段時(shí)間范圍內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行拓展處理后進(jìn)行傅里葉變換，就好比選取樂(lè)曲中的一段來(lái)看樂(lè)器們各自的演奏情況。

再說(shuō)頻率——讓我們看看下圖。

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“媽”的其中一小段被分解成了很多不同頻率的簡(jiǎn)諧波，其中頻率最低的那段波的頻率就稱為“基頻”（F0），頻率為基頻整數(shù)倍的各段波稱為“諧波”，而這一小段聲音的音高就是由基頻決定的。

每個(gè)小段能計(jì)算出一個(gè)基頻數(shù)值，這個(gè)數(shù)值代表這一段的音高。如下圖所示，將每一小段的數(shù)值連起來(lái)，就形成了代表音高變化的曲線。

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聲調(diào)是什么呢？對(duì)于單個(gè)音節(jié)，聲調(diào)就是音高的變化曲線（音高輪廓）。在物理上，聲調(diào)就是基頻F0的起伏。

那么，為什么“歪果仁”們那么難學(xué)聲調(diào)呢。我們來(lái)看看英語(yǔ)和普通話的基頻（F0）是怎么變化的。

這是英語(yǔ):

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這是普通話:

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看到區(qū)別了嗎?

作為一種非聲調(diào)語(yǔ)言，英語(yǔ)的一句話中，音高基本上是平順的，如果是疑問(wèn)語(yǔ)調(diào)，才會(huì)一直往上揚(yáng)。

但是普通話就不同了。當(dāng)單個(gè)音節(jié)組合成句子的時(shí)候，每個(gè)音節(jié)的音高變化就是聲調(diào)和語(yǔ)調(diào)的疊加。

換言之，普通話有跟英語(yǔ)一樣表示語(yǔ)調(diào)的句子長(zhǎng)度的音高變化，還有疊加在句子“大波浪”上面的“小波浪”——聲調(diào)！

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就好比開(kāi)車，說(shuō)英語(yǔ)就像在平整的路上開(kāi)車，雖然有起伏，但都是平緩上坡下坡。

普通話就不一樣啦，你不僅要上下坡，你還要面對(duì)突如其來(lái)的密密麻麻的音節(jié)長(zhǎng)度的震顫。就好像開(kāi)慣平路的司機(jī)突然遇到坑坑洼洼的山路，需要你手腳并用輪番換擋踩剎車油門一樣，嗓（腦）子沒(méi)有自小練就十八般武藝，又怎可能迅速應(yīng)付過(guò)來(lái)呢？

然而，聲調(diào)的難，又何只在于難學(xué)呢?

由于聲調(diào)具有如此獨(dú)特的語(yǔ)言學(xué)地位，研究者們對(duì)其進(jìn)行了大量的研究。比如，中國(guó)語(yǔ)言學(xué)之父趙元任先生創(chuàng)立了一種標(biāo)記聲調(diào)的研究方法：

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又比如，創(chuàng)造一系列(人間不存在的)介于一聲和二聲之間的“聲調(diào)”，讓人聽(tīng)后判斷這到底是一聲還是二聲(范疇感知)：

我們?nèi)粘Ｕf(shuō)話的一聲和二聲一般是有一個(gè)固定的基頻升降范圍的——比如一聲就是幾乎沒(méi)有變化，二聲是比如介于100~200Hz之間。那么，如果人為地創(chuàng)造一個(gè)變化幅值低于正常的二聲變化幅值的聲調(diào)（如圖中的2~5），就會(huì)造成聲調(diào)判斷困難。（圖片來(lái)源：梁柏?zé)?，姜欣桐繪制）

又或者，是一些不怕卡機(jī)(或者是雖然老卡機(jī)，但愈卡愈勇)的大腦試圖建立大腦與聲調(diào)之間的關(guān)系——我們的大腦是怎樣處理聲調(diào)的呢?

要搞清楚這個(gè)，可是比“歪果仁”學(xué)聲調(diào)還困難N的N次方倍(N>1)的事情。但是，還是有人沖在了前面，咬了這個(gè)螃蟹幾口。

比方說(shuō)，在二十年前，Gandour等研究者讓說(shuō)泰語(yǔ)的人、說(shuō)漢語(yǔ)的人和說(shuō)英語(yǔ)的人躺進(jìn)磁共振儀里(Gandour, Wong, & Hutchins, 1998)。研究者每次給他們聽(tīng)一對(duì)只有聲調(diào)可能不一樣的音節(jié)（比如/khaa/和/khàa/），他們需要判斷這一對(duì)音節(jié)的聲調(diào)是否一樣。

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中，他們會(huì)聽(tīng)到許多對(duì)像這樣的音節(jié)，并且做出判斷。他們希望通過(guò)記錄和對(duì)比三種母語(yǔ)背景的人判斷聲調(diào)激活的腦區(qū)的異同，來(lái)研究母語(yǔ)背景對(duì)大腦處理聲調(diào)的方式的影響。

圖片來(lái)源：梁柏?zé)?，姜欣桐繪制

后來(lái)，關(guān)于大腦處理語(yǔ)言的腦成像研究越來(lái)越多——其中，聲調(diào)研究就有不下二十個(gè)。

那么問(wèn)題來(lái)了。

這么多的聲調(diào)研究，發(fā)現(xiàn)的結(jié)果都是一樣的嗎?

這里就要提一下科學(xué)得以存在和發(fā)展的基石之一——結(jié)論的可重復(fù)性了。就比方說(shuō)，小明今天觀察到太陽(yáng)從東方升起，提出了“太陽(yáng)東升說(shuō)”。小紅第二天也觀察到太陽(yáng)從東邊升起，就重復(fù)檢驗(yàn)了小明的“太陽(yáng)東升說(shuō)”。如果小明的結(jié)論一直得到獨(dú)立觀察的重復(fù)驗(yàn)證，那么他發(fā)現(xiàn)的就應(yīng)該是真理。

然而，對(duì)于腦研究而言，事情并沒(méi)有那么簡(jiǎn)單。

圖片來(lái)源：梁柏?zé)?，姜欣桐繪制

不同人的大腦是不一樣的:有的圓，有的扁;不同型號(hào)的儀器掃描出來(lái)的結(jié)果也不盡相同。因此，要求后續(xù)研究都嚴(yán)格地將結(jié)果重復(fù)出來(lái)是不實(shí)際的。但是，如果人躺在掃描儀里做的任務(wù)是相似的，那么他們的腦激活模式也應(yīng)該有很大的相似性。

為了尋找大腦加工聲調(diào)過(guò)程中最可能的激活點(diǎn)(在不同研究中都有激活的點(diǎn))，我們對(duì)已有的聲調(diào)加工的腦成像研究進(jìn)行了一項(xiàng)文獻(xiàn)整理工作(學(xué)名叫元分析) (Liang & Du, 2018)。

在這項(xiàng)工作中，我們還整理了音位(比如英語(yǔ)中的元音和輔音)和韻律(比如疑問(wèn)的語(yǔ)調(diào))的腦成像研究，并且對(duì)比了它們和聲調(diào)激活腦區(qū)的異同。

圖片來(lái)源：梁柏?zé)?，姜欣桐繪制

為了對(duì)比“歪果仁”(不說(shuō)聲調(diào)的人)和說(shuō)聲調(diào)的人，我們將聲調(diào)腦激活的結(jié)果按志愿者的母語(yǔ)背景分成了兩類。又因?yàn)轫嵚捎虚L(zhǎng)有短，我們按韻律長(zhǎng)度分成了兩組韻律加工任務(wù)。

換言之，我們收集了五組研究:聲調(diào)母語(yǔ)者的聲調(diào)感知(tonal tone)，非聲調(diào)母語(yǔ)者的聲調(diào)感知(non-tonal tone)，音位感知(phoneme)，詞長(zhǎng)度的韻律感知(word prosody)和句子長(zhǎng)度的韻律感知(sentence prosody)。我們對(duì)每個(gè)組的腦激活結(jié)果分別進(jìn)行元分析。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，大腦是按著聽(tīng)起來(lái)像什么（聲學(xué)分析）、說(shuō)起來(lái)是什么（發(fā)音模擬）以及有什么語(yǔ)言功能的方式來(lái)加工聲調(diào)的。

元分析的激活結(jié)果圖：紅色表示聲調(diào)母語(yǔ)者的聲調(diào)感知，藍(lán)色表示非聲調(diào)母語(yǔ)者的聲調(diào)感知，綠色表示音位感知，紫色和黃色分別表示詞長(zhǎng)度和句子長(zhǎng)度的韻律感知(圖片來(lái)源：Liang & Du, 2018)。

具體而言，聲調(diào)的激活區(qū)域在聽(tīng)皮層(耳朵附近的腦區(qū))中更加偏向右側(cè)，只有聲調(diào)母語(yǔ)者加工聲調(diào)時(shí)出現(xiàn)了左側(cè)的激活，這說(shuō)明決定意義的角色使得聲調(diào)在聲調(diào)母語(yǔ)者腦中有更多的語(yǔ)言功能(因?yàn)檎Z(yǔ)言區(qū)域偏向左腦)。

在左側(cè)聽(tīng)皮層中，聲調(diào)激活區(qū)與音位激活區(qū)重疊，位于句子長(zhǎng)度韻律的前面，這也體現(xiàn)了聲調(diào)的語(yǔ)言功能。而在右側(cè)聽(tīng)皮層中，聲調(diào)激活區(qū)域位于音位的后面和韻律的前面，這更加體現(xiàn)出聲調(diào)長(zhǎng)度夾在音位和韻律之間這一聲學(xué)屬性。

另一個(gè)更加神秘的激活區(qū)位于負(fù)責(zé)說(shuō)話的區(qū)域。我們?cè)谧髠?cè)運(yùn)動(dòng)皮層發(fā)現(xiàn)了音位、聲調(diào)和韻律的激活。

而且，聲調(diào)與韻律(都是用喉部控制)重疊并位于音位(唇舌控制)的下方，符合大腦運(yùn)動(dòng)皮層的拓?fù)浞植迹ㄟ\(yùn)動(dòng)皮層的不同小區(qū)域負(fù)責(zé)傳達(dá)身體不同區(qū)域的運(yùn)動(dòng)指令，按區(qū)域的比例畫(huà)成人形，就是“運(yùn)動(dòng)小人”，motor homunculus，如下圖1）。發(fā)音系統(tǒng)的參與其實(shí)是人感知言語(yǔ)的一種獨(dú)特方式，聽(tīng)者會(huì)通過(guò)重構(gòu)和預(yù)測(cè)說(shuō)話者的發(fā)音動(dòng)作來(lái)輔助言語(yǔ)理解（如下圖2）。

圖1（圖片來(lái)源：梁柏?zé)觯劳├L制）

圖2：聲調(diào)感知的腦機(jī)制模型：（A）普通話“咦？你在吃飯嗎？”的語(yǔ)音頻譜圖（spectrogram）和音高輪廓（pitch contour）；（B）聲調(diào)感知的腹側(cè)通路（ventral stream，在聽(tīng)皮層，對(duì)聲調(diào)進(jìn)行聲學(xué)分析和語(yǔ)義辨認(rèn)）和背側(cè)通路（dorsal stream，在發(fā)音運(yùn)動(dòng)區(qū)域，對(duì)聲調(diào)進(jìn)行發(fā)音運(yùn)動(dòng)模擬）(圖片來(lái)源：Liang & Du, 2018)

總而言之，通過(guò)這些文獻(xiàn)整理，我們進(jìn)一步了解了大腦處理聲調(diào)的方式。然而，研究的路還有很長(zhǎng)的一段要走。

比如，如何讓“歪果仁”們學(xué)習(xí)普通話時(shí)不再那么痛苦呢？這就像是遙遠(yuǎn)的夜空中閃爍的北斗星，指示著我們前行的路。

圖片來(lái)源：梁柏?zé)?，姜欣桐繪制

參考文獻(xiàn)：

Du, Y., Buchsbaum, B. R., Grady, C. L., & Alain, C. (2014). Noise differentially impacts phoneme representations in the auditory and speech motor systems. Proceedings of the National Academy of Sciences, 111(19), 7126–7131. https://doi.org/10.1073/pnas.1318738111

Du, Y., Buchsbaum, B. R., Grady, C. L., & Alain, C. (2016). Increased activity in frontal motor cortex compensates impaired speech perception in older adults. Nature Communications, 7, 12241. https://doi.org/10.1038/ncomms12241

Gandour, J., Wong, D., & Hutchins, G. (1998). Pitch processing in the human brain is influenced by language experience. NeuroReport, 9(9), 2115–2119. https://doi.org/10.1097/00001756-199806220-00038

Liang, B., & Du, Y. (2018). The functional neuroanatomy of lexical tone perception: An activation likelihood estimation meta-analysis. Frontiers in Neuroscience, 12, 495. https://doi.org/https://doi.org/10.3389/fnins.2018.00495

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