Während eines Gesprächs versucht unser Gehirn ständig zu antizipieren, welches Wort unser Gesprächspartner als nächstes sagt. Diese Fähigkeit hilft uns, das Gesagte in einem lauten Café zu verstehen oder den nächsten Satz vorauszuahnen. Diese Fähigkeit zum Vorausdenken zeigt sich auch sehr deutlich darin, wie wir Musik erleben.

Professor Shihab Shamma ist Neurowissenschaftler mit dem Schwerpunktgebiet auditive Wahrnehmung und lehrt der an der École Normale Supérieure in Paris und der University of Maryland in den USA. Für ihn ist das Verständnis dessen, wie das Gehirn Musik verarbeitet, ein zentrales Forschungsthema.

Zwischen 2018 und 2025 leitete er das von der EU finanzierte Projekt NEUME, das untersuchte, welche Erkenntnisse Musik darüber liefern kann, wie das Gehirn lernt, wie es Vorhersagen trifft und sich anpasst.

„Sprache hat einen offensichtlichen Zweck“, sagt er. „Bei Musik ist das anders. Wir könnten zwar ohne sie überleben, doch wäre das Leben ein vollkommen anderes. Musik beansprucht das gesamte Gehirn, doch wir verstehen immer noch nicht ganz, warum der Mensch sie geschaffen hat.“

Seit Jahrhunderten diskutieren Philosophen, Musiker und Wissenschaftler darüber, warum Menschen Musik machen. Jede Kultur hat ihre eigenen musikalischen Traditionen, doch es gibt es nicht die eine Erklärung, die die tiefgreifende Wirkung, die Musik auf uns hat, vollständig erfassen kann. Anstatt einfach nur zu fragen, warum Menschen Freude an Musik haben, stellte das NEUME-Team eine weiter gehende Frage: Was kann uns Musik über das menschliche Gehirn verraten?

Musik als Fenster ins Gehirn

Professor Shamma hat einen Großteil seiner beruflichen Laufbahn damit verbracht, zu erforschen, wie das Gehirn akustische Signale – vor allem Sprache – verarbeitet. Musik, so sagt er, stellt eine faszinierende Herausforderung dar, da sie viele Eigenschaften mit Sprache gemein hat und gleichzeitig etwas, das der nur der Mensch allein geschaffen hat.

„Musik ist ein ganz besonderes akustisches Signal“, erklärt er. „Man erkennt sofort, dass es sich um Musik handelt und nicht um Sprache oder Umgebungsgeräusche. Irgendwie hat Musik Eigenschaften, die Wahrnehmung, Gedächtnis, Gefühle und Denken gleichzeitig ansprechen.“

Im Gegensatz zu alltäglichen Gesprächen lässt sich die musikalische Struktur mit bemerkenswerter Präzision beschreiben, weshalb Forschende Antizipation und Lernen so untersuchen können, wie es bei Sprache allein nur schwer möglich ist.

Die Forschenden wollten herausfinden, wie Musik das Gehirn in unterschiedlichsten Zeitrahmen prägt – vom lebenslangen Musikhören bis hin zum Hören von Musik in Bruchteilen einer Sekunde. Durch jahrelanges Hören lernen wir die musikalischen „Regeln“ unserer Kultur, wodurch wir mit jeder Note nahezu sofort antizipieren können, was als Nächstes kommt.

„Das kann ein lebenslanger Prozess sein“, sagt Professor Shamma. „Es kann aber auch schon nach einigen wenigen gehörten Noten passieren. „Das sind ganz unterschiedliche Zeitrahmen, die wir alle verstehen wollten.“

Die Musik der Stille

Eine der bemerkenswertesten Entdeckungen des Projekts kam aus einer unerwarteten Quelle: der Stille. Giovanni Di Liberto, Assistenzprofessor am Trinity College Dublin, schloss sich dem Team als Postdoktorand an, nachdem er untersucht hatte, wie das Gehirn in lauten Umgebungen Gesprochenes verarbeitet.

Unterstützt wurde er von der Neurowissenschaftlerin und ausgebildeten Geigerin Claire Pelofi, die mittlerweile an der New York University tätig ist und deren musikalischer Hintergrund maßgeblich zur Formulierung vieler Forschungsfragen beitrug.

Musik bot eine ideale Möglichkeit, sich mit Antizipation zu befassen, da sich ihre Struktur – anders als bei der gesprochenen Sprache – mit bemerkenswerter Präzision modellieren lässt. Giovanni Di Liberto brachte sein Fachwissen zur Entschlüsselung komplexer Gehirnsignale ein, während Claire Pelofi die Perspektive einer ausgebildeten Musikerin beisteuerte und half, musikalische Reize zu entwickeln, die die musikalische Struktur bewahrten und sich gleichzeitig für die computergestützte Analyse eigneten.

„Wenn man sich mit Musiktheorie befasst hat, sind diese Fragen nicht neu“, sagt die Geigerin. „Als Musikerin oder Musiker fragt man sich ständig, warum durch bestimmte Momente Spannung entsteht, wie diese aufgelöst wird oder wie Emotionen hervorgerufen werden.“

Die Arbeit von Giovanni Di Liberto konzentrierte sich auf die prädiktive Verarbeitung: die Vorstellung, dass das Gehirn ständig Muster lernt und sie nutzt, um zu antizipieren, was als Nächstes kommt. „Unser Gehirn lernt permanent Muster“, sagt er. „Musik darf nicht zu überraschend sein, aber sie darf auch nicht zu vorhersehbar sein. Sonst wird sie langweilig.“

Anstatt nur die Noten zu untersuchen, die die Menschen hörten, untersuchten die Forschenden, was passierte, wenn überhaupt keine Note gespielt wurde. Anhand der Elektroenzephalographie (EEG), einem Test zur Messung der elektrischen Aktivität im Gehirn, stellten sie fest, dass das Gehirn während der Musikpausen hochaktiv bleibt. Wenn die Hörenden die nächste Note erwarteten, erzeugte ihr Gehirn messbare Signale, obwohl noch kein Ton ihre Ohren erreicht hatte.

„Durch die Stille isolieren wir die Antizipation“, erklärt Di Liberto. „Normalerweise beobachtet man die Reaktion des Gehirns auf den akustischen Reiz zusammen mit der entsprechenden Antizipation. Wenn der Ton jedoch ausbleibt, sieht man nur die Erwartung des Gehirns.“

Im weiteren Verlauf bat das Team Musikschaffende, sich bekannte Melodien vorzustellen, ohne sie zu hören. Dabei wurden viele gleiche Mechanismen im Gehirn aktiviert, was zeigt, dass sowohl in der Vorstellung als real auch gehörte Musik auf ähnlichen Vorhersageprozessen beruhen.

Diese Studien zur „Musik der Stille“ haben seitdem Forschende weltweit inspiriert, während frühere Arbeiten gezeigt haben, dass das Gehirn die grammatikalische Struktur von Musik nachverfolgt, was neue Wege für die Erforschung musikalischer Erwartungen in verschiedenen Kulturen eröffnet.

Die Forschenden stellten ferner fest, dass sich das Gehirn rasch an unbekannte Musiksysteme anpasst, was neue Erkenntnisse darüber liefert, wie wir vollkommen neue Muster lernen. Diese Erkenntnisse sind jedoch möglicherweise nicht nur für die Musik nützlich, sondern auch für Sprache und andere Lernformen.

Von Melodien zur Medizin

Obwohl die Erkenntnisse auf Grundlagenforschung beruhen, könnten dadurch Anwendungen entwickelt werden, die weit über den Bereich der Musik hinaus gehen. Bei Erkrankungen wie Autismus, Legasthenie und Schizophrenie liegen Störungen prädiktiver Mechanismen vor, während es durch die Fortschritte, die bei Gehirn-Computer-Schnittstellen erzielt werden, bald möglich sein wird, imaginierte Sprache – und sogar imaginierte Musik – zu rekonstruieren.

Die vom Team frei zur Verfügung gestellten Datensätze und Analysewerkzeuge helfen auch anderen Forschenden dabei, auf diesen Erkenntnissen aufzubauen. Professor Shamma ist der Ansicht, dass sich dieses Fachgebiet rasant weiterentwickeln wird. „Die nicht-invasive Entschlüsselung von imaginierter Sprache oder Musik rückt in immer greifbarere Nähe“, sagte er.

Solche Technologien könnten eines Tages Menschen, die ihre Sprachfähigkeit verloren haben, dabei helfen, allein mithilfe ihrer Gedanken zu kommunizieren. Sie können auch bei pädagogischen Hilfsmitteln zum Einsatz kommen, mit denen im schulischen Musik- oder Sprachunterricht individuelles Feedback gegeben werden kann.

Aber auch wenn man jahrelang Musik studiert hat, bleibt Musik immer noch geheimnisvoll, so Claire Pelofi. „Je besser wir verstehen, wie Musik funktioniert, desto faszinierender wird sie“, sagt sie. „Wir können Überraschung, Erwartung und Emotionen immer präziser erklären, doch Musik hat nach wie vor eine ungeheure Energie, die sich unserem Verständnis entzieht.“

Für Professor Shamma besteht der größte Beitrag des Projekts darin, aufzuzeigen, dass wir bei Musik sehr klare Einblick dazu erhalten, wie das Gehirn lernt, wie es antizipiert und sich anpasst. „Musik ist etwas Universelles“, sagt er. „Jede Kultur bringt sie anders zum Ausdruck, aber überall reagieren die Menschen darauf.“ Indem sie der Frage nachgehen, warum eine Melodie noch lange nachklingt, nachdem der letzte Ton verklungen ist, decken Forschende grundlegende Prinzipien des Lernens, der Antizipation und der Vorstellungskraft auf – genau jene Eigenschaften, die uns zu Menschen machen.

Von Maria Vlastara

Nähere Informationen:

NEUME (CORDIS)