Hoe kan het dat muziek, in de basis een abstracte verzameling geluiden, zulke sterke emoties teweegbrengt? En hoe verwerken onze hersenen melodieën en teksten? Over dit soort vragen buigt neurowetenschapper Robert Zatorre zich dagelijks in zijn laboratorium in Montreal. Met zijn baanbrekende hersenonderzoek hoopt hij zelfs de basis van het mens-zijn te ontrafelen. In 2020 ontving hij hiervoor de C.L. de Carvalho-Heinekenprijs voor de Cognitieve Wetenschappen.
The English translation of this article can be found here, together with a video about Robert Zatorre.
Zijn eerste stappen in de muziek maakte Robert Zatorre, hoogleraar neurowetenschappen aan de McGill-universiteit in Canada, toen hij zo’n dertien jaar oud was. Hij wilde dolgraag de sensationele orgelpartijen uit de rockmuziek van de jaren zestig leren spelen, dus klopte hij aan bij een orgeldocent. Deze verzekerde hem echter dat hij deze rotzooi beter links kon laten liggen en zich op het echte werk moest richten. Hij nam Zatorre mee naar de kerk en speelde Bach. Zatorre: ‘Naderhand zei ik: oké, je hebt gelijk. De rest is rotzooi.’
Hoe gevaarlijk zijn supervulkanen?
In het verleden stortten zogeheten supervulkanen de aarde meermaals in een desastreuze ‘vulkanische winter’. Gaat dat opnieuw gebeuren?
Toen Zatorre jaren later een opleiding tot organist met een studie psychologie combineerde, ging in hem ook het vlammetje voor de wetenschap branden. Hij wilde erachter komen hoe het toch kan dat muziek zo’n grote invloed op ons brein heeft. Zatorre groeide daarna uit tot pionier in de cognitieve neurowetenschap van muziek, het vakgebied dat de effecten van muziek op onze hersenen onderzoekt. Hij deed vele baanbrekende ontdekkingen, met belangrijke implicaties voor de neurowetenschappen in het algemeen.
Het orgel zei hij geen vaarwel. Sterker nog: midden in zijn lab staat een prachtig digitaal orgel, waarvan de geluiden zijn gebaseerd op een orgel in Zwolle. Als wij hem in Montreal opzoeken, verrast hij ons door een prachtig stuk van de vijftiende-eeuwse Vlaamse componist Jacob Obrecht ten gehore te brengen. Zatorre vertelt dat het orgel niet alleen vanwege zijn eigen achtergrond de ideale toevoeging aan zijn lab is. ‘Het orgel is een van de weinige instrumenten waarbij je twee handen én twee voeten gebruikt. Dat maakt het bij uitstek geschikt voor muziekcognitie-experimenten, vanwege de vereiste coördinatie en flexibiliteit’, zegt hij. Zijn twee handen en twee voeten vliegen over de toetsen, prachtige klanken voortbrengend.
Anticipatie op beloning
Een van de belangrijkste vragen die Zatorre met zijn onderzoek wil beantwoorden, is waarom muziek zulke sterke emoties veroorzaakt. ‘We zijn geneigd dit als vanzelfsprekend te zien’, zegt Zatorre. ‘Maar hoe kan het dat we een volledig abstract patroon van geluid mooi vinden, dat dit ons plezier geeft, en soms zelfs een rilling of kippenvel? Wat gebeurt er dan in je brein?’
Het mechanisme hierachter is pas de afgelopen jaren ontdekt, en het onderzoek van Zatorres groep speelde hierin een belangrijke rol. Het liet zien dat muziek inwerkt op het beloningssysteem in het brein, op dezelfde manier als bijvoorbeeld eten en seks: via de neurotransmitter dopamine. Van eten en seks is vrij voor de hand liggend waarom het ons een gevoel van beloning geeft: we hebben het nodig om te overleven en ons voort te planten. Muziek daarentegen heeft op het eerste gezicht niet zo’n essentiële functie. Waarom reageren we er dan toch zo sterk op?
‘Verschillende zaken spelen een rol’, vertelt Zatorre. ‘Een van de belangrijkste heeft te maken met het vermogen van muziek om verwachtingen te genereren, en daar dan op sommige momenten net een beetje van af te wijken. We weten al heel lang dat ons beloningssysteem niet alleen gevoelig is voor een beloning, maar ook voor de anticipatie daarop. Geef je een dorstige rat herhaaldelijk water na een lichtflits, dan reageert zijn beloningssysteem op een gegeven moment ook al op de lichtflits zelf. Maar wat nog interessanter is: als je wat suiker in het water doet, reageert het beloningssysteem nog veel sterker, omdat de beloning beter is dan verwacht. We denken dat muziek inspeelt op dit systeem van voorspelling, waar je een volgorde van gebeurtenissen hebt, en je vervolgens nét een beetje van de verwachting afwijkt.’
Statistische voorspelling
Wat die verwachtingen zijn, heeft alles te maken met je eerdere blootstelling aan muziek. Kinderen hebben nog niet zoveel verwachtingen, daarom geven heel eenvoudige liedjes ze al een respons. Volwassenen vinden deze liedjes meestal saai. Om hun beloningssysteem te prikkelen moeten de componist en muzikanten iets beter hun best doen. Door jarenlange blootstelling aan muziek hebben volwassenen een bepaalde statistische voorspelling van hoe muziek in elkaar zit. Dit kan ’m zitten in standaard akkoordvolgordes, of melodieën die bestaan uit noten van een specifieke toonladder. Een goede componist stopt af en toe expres een ‘overtreding’ van deze statistische regelmatigheden in zijn stukken. Juist die afwijkingen prikkelen ons beloningssysteem. ‘Maar de balans tussen voorspelbaarheid en verrassing is erg belangrijk’, benadrukt Zatorre. ‘Het moet ook weer niet té verrassend zijn. Daarom is het zo moeilijk om prachtige muziek te schrijven.’
Die eerdere blootstelling, en de statistische informatie die je daaruit haalt, verklaart ook waarom verschillende mensen van verschillende soorten muziek houden. Wanneer je gewend bent om naar popmuziek te luisteren, heb je een ander referentiekader dan wanneer je al van jongs af aan naar jazz luistert. Verschillen tussen culturen zijn nog veel groter, zo ondervond Zatorre eens aan den lijve. ‘Collega’s namen me een keer mee naar een concert in India. Ik had geen idee wat er gebeurde, maar uit beleefdheid zei ik achteraf dat ik het heel mooi vond. Mijn collega’s verontschuldigden zich juist om de vele fouten die de muzikant had gemaakt. Ik had geen idee, het klonk mij allemaal vreemd in de oren.’
Tekst en melodie
Veel muziek bevat naast akkoorden en melodieën ook tekst, en die combinatie zet onze hersenen nog harder aan het werk. Als we naar een liedje luisteren, klinkt dat ons als één geheel in de oren. Maar ons brein verwerkt de melodie en de tekst van een liedje op een totaal andere manier, in verschillende hersenhelften. Zatorres team liet zien hoe dit komt. ‘Geluid bevat twee verschillende soorten aanwijzingen’, aldus Zatorre. ‘Bij de eerste soort, de zogeheten temporele aanwijzingen, gaat het erom hoe snel dingen in de tijd veranderen: het ritme van het geluid. Daarnaast heb je de spectrale aanwijzingen: welke frequenties, oftewel toonhoogtes, zitten er in het signaal.’
Zatorres team filterde deze aanwijzingen om beurten uit een liedje. En wat bleek: als ze de spectrale informatie verwijderden, kon je de tekst goed volgen, maar was de melodie volledig weg. Andersom, zonder temporele informatie, was de melodie prima waar te nemen, maar de spraak onbegrijpelijk. Zatorre: ‘Toen we dat hadden laten zien, was de volgende stap om in de MRI-scanner te kijken naar de hersenactiviteit.’ In een zogeheten functionele MRI-scan is te zien welke hersengebieden op een bepaald moment actief zijn. Daar is dan meer doorbloeding met zuurstofrijk bloed. ‘Toen we de proefpersonen in de MRI-scanner naar de gefilterde liedjes lieten luisteren, zagen we dat de linker auditieve cortex de temporele aanwijzingen goed kon volgen (en dus de spraak), maar de spectrale niet. De rechter auditieve cortex kon juist de spectrale informatie (en dus de melodie) goed volgen, maar de temporele niet.’ Het brein verwerkt deze elementen dus afzonderlijk. Hoe ons brein deze elementen daarna weer samenvoegt tot één ervaring, hoopt Zatorre in de komende jaren uit te vinden.
Spraakherkenning
Het werk van Zatorre is vrij fundamenteel van aard, maar dat neemt niet weg dat er allerlei praktische toepassingen uit zijn onderzoek voortvloeien. Zo toonde hij aan dat muzikaal getrainde mensen beter zijn in het onderscheiden van spraak in een omgeving met veel achtergrondgeluid, vergeleken met mensen zonder muzikale training. Hij hoopt dit resultaat te kunnen gebruiken om (oudere) mensen met gehoorproblemen te helpen. Een collega heeft dit al uitgeprobeerd, vertelt Zatorre. ‘Hij gaf een groep ouderen, zonder eerdere muzikale training, zes maanden lang pianoles. Hierna waren ze beter in het onderscheiden van spraak ten opzichte van achtergrondgeluid. Het effect was klein, maar bemoedigend.’ Op deze manier schiet je echter nog wel een beetje met hagel. Zatorre: ‘We willen erachter komen wát het is in de muzikale training dat deze verbetering veroorzaakt. Dan kun je een lesmethode ontwerpen die specifiek toegepast is op dit probleem, en ze niet zomaar een instrument leren spelen.’
Zatorres groep ontdekte al dat twee verschillende mechanismen hierbij een rol spelen. Ten eerste scherp je als muzikant je waarnemingsvaardigheden aan. ‘Het vermogen om informatie over frequenties, en dus toonhoogtes, te volgen, is nauwkeuriger bij musici’, legt Zatorre uit. ‘Dit komt doordat ze gedurende hun leven heel vaak naar verschillende frequenties luisteren, die zijn ingebed in andere geluiden. Als je in een orkest of band speelt, is het soms bijvoorbeeld belangrijk om één instrument eruit te pikken tussen alle andere geluiden. Dit mechanisme zorgt ervoor dat afzonderlijke geluiden beter worden geregistreerd in het brein, waar het bij niet-muzikanten eerder één brij van geluid wordt. Het tweede mechanisme zorgt ervoor dat musici ook beter kunnen selecteren op welke van die geluiden ze moeten focussen. We zien bij musici meer hersenactiviteit in de frontale gebieden. We denken dat dat te maken heeft met controlesignalen die in staat zijn sommige geluiden te onderdrukken en andere juist te versterken.’
Maar als je iemand in een drukke omgeving wilt horen praten, moet je temporele informatie onderscheiden. Daarvoor gebruik je, zoals Zatorres groep eerder had aangetoond, een andere hersenhelft dan bij het onderscheiden van frequenties. Waarom helpt het veelvuldig luisteren naar verschillende frequenties dan toch bij het filteren van spraak? ‘Dat weten we nog niet zeker’, vertelt Zatorre. ‘Onze hypothese is dat je in eerste instantie voornamelijk de frequentie-informatie gebruikt om de doeltekst van de achtergrond te onderscheiden. Vervolgens heb je inderdaad voornamelijk de temporele informatie nodig om de tekst te vertalen naar de daadwerkelijke lettergrepen.’
Fundamentele vragen
Ook Zatorres andere werk heeft belangrijke toepassingen. Hoe beter we bijvoorbeeld weten hoe muziek op het beloningssysteem inwerkt, hoe beter we deze inzichten kunnen gebruiken in muziektherapie. Bijvoorbeeld bij het helpen reguleren van een minder actief beloningssysteem, zoals bij depressie of Parkinson, of juist een overactief beloningssysteem, zoals bij verslaving. Maar verreweg de meeste voldoening haalt Zatorre eruit om samen met zijn team nieuwe fundamentele vragen te onderzoeken en beantwoorden. ‘Als wij onze experimenten doen, richten we ons op heel specifieke vragen. Maar die specifieke vragen zijn deel van iets veel breders. Muziek en spraak zijn dingen die ons onderscheiden van andere diersoorten. Door te bestuderen hoe het brein ons in staat stelt deze zaken te produceren, te ervaren en ervan te genieten, krijgen we inzicht in wat het betekent om mens te zijn.’
Onderzoek
Muziek en spraak zijn belangrijke, maar gecompliceerde menselijke communicatievormen. Robert Zatorre onderzoekt samen met zijn team hoe onze hersenen muziek en spraak verwerken. Als een van de pioniers op het vakgebied van de muziekcognitie gebruikt hij muziek als een kader om complexe cognitieve functies te onderzoeken, zoals emotie, perceptie, beweging, geheugen, aandacht en esthetiek. Zo liet hij zien dat muziek op dezelfde manier inwerkt op ons beloningssysteem als eten en seks. Ook ontrafelde hij hoe en waarom verschillende delen van ons brein muziek en spraak verwerken, en onderzoekt hij hoe mensen muziek leren en hoe dit proces te beïnvloeden is.
Heinekenprijzen
Elke twee jaar kent de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen de Heinekenprijzen toe aan vijf gerenommeerde internationale onderzoekers en één kunstenaar. De eerste van de prijzen, de Dr. H.P. Heinekenprijs voor de Biochemie en Biofysica, werd in 1964 in het leven geroepen door Alfred H. Heineken, als eerbetoon aan zijn vader, dr. Henry P. Heineken. Aan deze prijs werden vervolgens nog Heinekenprijzen voor de Kunst (1988), de Geneeskunde (1989), de Milieuwetenschappen (1990) en de Historische Wetenschap (1990) toegevoegd. De dochter van Alfred Heineken, Charlene L. de Carvalho-Heineken, zet deze traditie voort. Naar haar is de C.L. de Carvalho-Heinekenprijs voor de Cognitieve Wetenschappen (2006) vernoemd.
CV
Robert Zatorre (Buenos Aires, 1955) studeerde psychologie en muziek aan de Boston-universiteit en promoveerde in 1981 aan de Brown-universiteit in Providence. Daarna vervolgde hij zijn carrière als onderzoeker aan het neurologisch instituut aan de McGill-universiteit in Montreal. Sinds 2001 is hij hier hoogleraar neurowetenschappen. In 2006 richtte hij samen met Isabelle Peretz het International Laboratory for Brain, Music and Sound Research (BRAMS) op, waar hij momenteel nog steeds co-directeur van is. Naast de C.L. de Carvalho-Heinekenprijs ontving Zatorre voor zijn werk onder andere de IPSEN Foundation Neuronal Plasticity Prize, de Hugh Knowles Prize, de Oliver Sacks award en de Grand Prix Scientifique van de Fondation Pour l’Audition in Parijs.