Heb je altijd al een popklassieker willen schrijven? Goed nieuws: prof. dr. Stefan Kölsch en promovendus Vincent Ka Ming Cheung van het Leipziger Max-Planck-Instituut voor Cognitieve en Neurowetenschappen hebben een deel van het succesvolle DNA van de muziek gedecodeerd. Nummers als James Taylor’s Country Road, UB40’s Red, Red Wine of The Beatles’ Ob-La-Di, Ob-La-Da zijn onweerstaanbaar dankzij hun perfecte combinatie van verwachting en verrassing. Muziekgenot hangt af van de toekomstige én retrospectieve verwachtingen.

Andere IO-artikelen over muziekonderzoek

“Het is fascinerend dat mensen kunnen genieten van een muziekstuk, alleen al door de manier waarop de akkoorden in de loop der tijd zijn gearrangeerd,” zegt Vincent Cheung. “Liedjes die wij prettig vinden, zijn waarschijnlijk liedjes die een goede balans vinden tussen onze kennis van wat er gaat gebeuren en de verrassing van iets wat we niet hadden verwacht.” De neurowetenschapper voegt daar nog aan toe:

Luister nu naar De IO Show!

Elke week het nieuws van Innovation Origins in je oren!

“Als we begrijpen hoe muziek ons systeem van plezier in de hersenen activeert, zouden we ook kunnen verklaren waarom we ons vaak beter voelen als we naar muziek luisteren, zelfs als we melancholisch zijn.”

Hersenbeeldvorming en machinaal leren

Voor hun onderzoek gebruikten de experts een machine learning model om in totaal 80.000 akkoorden uit 745 klassieke Amerikaanse billboard popsongs te analyseren. Hiermee konden ze onzekerheid en verrassing wiskundig kwantificeren. En het is een van de punten die deze studie onderscheidt van de vorige. Voorheen werd er pas rekening gehouden met reacties op verrassende muzikale gebeurtenissen wanneer het muziekstuk daadwerkelijk werd gehoord, legt Cheung uit. Hij en zijn collega’s hebben daarentegen ook rekening gehouden “met de onzekerheid van een eerdere verwachting”.

We weten het allemaal: de eerste maat van een muziekstuk wordt gehoord en we herkennen het lied (sneller nog dan Shazam dat kan). Om dit te voorkomen hebben de onderzoekers volgens Cheung de liederen bevrijd van elementen als tekst, melodie en ritme. Ze behielden alleen de akkoordensequenties van de originele popsongs. De hits waren dus niet meer herkenbaar voor de testpersonen.

Cheung legt de bijzonderheid van het onderzoek uit:

“Onze studie combineert hersenbeeldvorming en machinaal leren om erachter te komen hoe de verwachting van muziek er plezier aan geeft en om de direct onderliggende neurale netwerken te laten zien.”

Mix van verrassing en vertrouwdheid

© Cell.com

Het resultaat: als de testpersonen relatief zeker wisten welke akkoorden er daarna te verwachten waren, vonden ze het prettig om zich te laten verrassen – dat wil zeggen dat hun verwachtingen werden geschonden. Omgekeerd hebben de onderzoekers ook bewezen dat als de proefpersonen niet zeker wisten wat ze vervolgens konden verwachten, ze het prettig vonden als de volgende akkoorden juist wel bekend waren in plaats van verrassend.

“Hoewel componisten het al eeuwenlang intuïtief weten, was het onderliggende proces van hoe de verwachting in de muziek vreugde oproept nog onbekend”, bevestigt Kölsch. “In het verleden is in de meeste studies alleen gekeken naar de effecten van verrassing op het muzikale genot, maar niet naar de onzekerheid in de verwachtingen van de luisteraars.”

De wetenschappers gebruikten hersenbeelden van functionele magnetische resonantie beeldvorming (fMRI) voor hun werk. Ze ontdekten daarbij ook dat de ervaring van muziekplezier wordt weerspiegeld in drie hersengebieden: de amygdala (voor het verwerken van externe impulsen), de hippocampus (voor het controleren van affecten en geheugen) en de auditieve cortex (auditief centrum). Deze regio’s verwerken emoties, kennis en geheugen en geluid. Daarentegen – en voor de onderzoekers volkomen verrassend – weerspiegelt de activiteit in de zogenaamde nucleus accumbens, waar de verwachting van beloning wordt verwerkt, alleen de onzekerheid van de luisteraars. Tot nu toe werd gedacht dat dit deel van de hersenen (gekoppeld aan het menselijke beloningssysteem) ook een rol speelde in de verwerking van muzikaal genot. Volgens Cheung zal verder onderzoek moeten uitwijzen hoe de processen uit deze hersenregio’s samenkomen en hoe ze precies tot vreugde in de muziek leiden.

Dans en film

De resultaten van de onderzoekers laten samengevat zien dat het gevoel van plezier de hersengebieden beïnvloedt die geluiden, emoties en herinneringen verwerken. “En dat muzikaal plezier afhangt van de dynamische wisselwerking tussen toekomstige en retrospectieve verwachtingen. Ons fundamenteel menselijk voorspellend vermogen is daarom een belangrijk mechanisme waardoor abstracte klanksequenties een emotionele betekenis krijgen en veranderen in een universeel cultureel fenomeen dat we ‘muziek’ noemen”, aldus de onderzoekers.

Een andere belangrijke uitkomst van de studie is dat de verwachtingen die mensen hebben van akkoorden impliciet tijdens het leven worden verworven. Zo bepalen onze eerdere ervaringen in de muziek – bijvoorbeeld het luisteren naar de radio of het geluid in bars en restaurants – onze verwachtingen. Deze kunnen ook gevolgen hebben op het soort muziek waar we van genieten.

Op basis van hun bevindingen moedigen de auteurs van de studie toekomstig hersenonderzoek aan om meer aandacht te besteden aan de gecombineerde rol van onzekerheid en verrassing. Men zou bijvoorbeeld kunnen nagaan waarom andere kunstvormen zoals dans en film zo’n hoge waarde voor mensen hebben. De resultaten kunnen ook gebruikt worden om kunstmatige algoritmes die muziek genereren te verbeteren, om componisten te helpen bij het schrijven van muziek of om muzikale trends te voorspellen.

Vergemakkelijken, niet vervangen

De volgende stap voor de neurowetenschappers is om te onderzoeken hoe informatie over verschillende delen van de hersenen stroomt bij het luisteren naar muziek. Ze willen weten waarom en hoe het gebeurt dat mensen die naar muziek luisteren soms kippenvel krijgen. Cheung ziet in de uitkomst van dat onderzoek nog veel grotere resultaten: “Wij denken dat er een groot potentieel zit in de combinatie van computermodellering en hersenbeeldvorming om niet alleen te begrijpen waarom we van muziek genieten, maar ook wat het betekent om mens te zijn.”

Terug naar de muziek zelf, zijn we op basis van Cheungs bevindingen dichter bij het moment gekomen waarop er een kunstmatige compositieset voor muzieknummers zou kunnen komen? “Onze resultaten kunnen worden gebruikt om kunstmatige algoritmes voor het genereren van muziek te verbeteren of om de compositie te vergemakkelijken.” Maar een vervanger van de menselijke compositie is dat nog niet, want een perfect nummer heeft tenslotte de tekst, de melodie en een opzwepend ritme nodig.

De studie werd onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Current Biology.