The Biology of Auditory Stress

Background: Darwin (1871) originally proposed the possibility that the evolutionary origins of music and language were shared. Both language and music occur in all human cultures, are primarily auditory but have closely related non-auditory components (e.g., sign/body language, dance). They can also both be analyzed in terms of phonology (sound system) and syntax (rules governing structure; see Fitch 2005; Masataka 2009; Patel & Daniele 2003 for reviews). Through comparing the behavioral capabilities of human and non-human animals, researchers can tease apart what aspects of language and music are uniquely human, and what aspects we share with other species in order to address their evolutionary origins (Hauser Chomsky & Fitch 2002; Fitch 2005). Goal: To date, phonology has received less attention than syntax in nonhuman animals despite its fundamentality in language (Yip 2006). One critical aspect of phonology is lexical stress, which helps a listener segment speech and distinguishes the meaning of words and sentences. Although there are differences in stress patterns across languages, there are also important universally perceived patterns suggesting that linguistic stress patterns are rooted in the biology of auditory communication (Hayes 1995; Cutler 2012). In music, the importance of stress is even more evident, with specific patterns of strong and weak components underlying rhythms popular all over the world. Here the goal is to systematically evaluate whether these stress patterns in language and music are domain-specific, and also whether they are a human-specific adaptation. Methods: The budgerigar (Melopsittacus undulatus) shares both the ability of vocal mimicry (being able to reproduce sounds experienced in their environment; Gramza 1970) and of rhythmic entrainment (being able to synchronize with a beat; Hasegawa et al., 2011) with humans and thus is an ideal candidate for cross-species analyses of stress perception. In contrast, the pigeon (Columba livia) and marmoset (Callithrix jacchus) do not have these capacities, but share closer phylogenetic histories with budgerigars and humans respectively. Accordingly, these four species will be trained to discriminate trochaic (stressed-unstressed) from iambic (unstressed-stressed) nonsense words (study 1), tones (study 2), or analogous visual stimuli (study 3) and then tested using a go/nogo operant conditioning paradigm (with which I have had much success in related work e.g., Hoeschele et al. 2011; 2012a; 2012b; 2013). Contribution: Auditory stress is a fundamental component of human language and music. These studies will determine: (1) whether the perception auditory stress is specific to the domain of language or music; and (2) whether the perception of auditory stress is uniquely human or shared with other species. The answers to these questions are relevant to ongoing work in cognitive science addressing linguistic and musical perception as well as animal behavior research aimed at understanding the evolution of what makes us human.

Kann es sein, dass Sprache und Musik gleichzeitig und zusammen entstanden sind? Diese Vermutung geht schon auf Charles Darwin zurück. Sprache und Musik haben viel gemeinsam wie zum Beispiel, dass sie beide hauptsächlich akustisch sind, aber eng mit nicht-akustischen Komponenten zusammenhängen (wie Gebärden/Körpersprache und Tanz). Beide haben Regeln in ihrer Struktur, auch Syntax genannt, und bei beiden leitet sich die Bedeutung von den produzierten Tönen ab, auch als Phonetik bekannt. Seit kurzem vergleichen Forscher nun Menschen mit anderen Tierarten, um herauszufinden ob jene Tierarten welche einen Teil unserer Sprachfähigkeiten besitzen auch Teile unserer Musikalität aufweisen, und umgekehrt. Dadurch können wir mehr über die Evolution dieser wichtigen Fähigkeiten lernen. Und letztendlich auch darüber was uns als Menschen ausmacht. Ein Großteil dieser vergleichenden Forschung zwischen Menschen und Tieren ist dem Syntax gewidmet, so dass vor diesem Projekt kaum etwas bezüglich der Phonetik bekannt war. Ein wichtiger Aspekt der Phonetik ist der sogenannte akustische Stress. Der akustische Stress ist die Betonung die man sowohl in der Sprache als auch in der Musik findet. In der Sprache ist die Wahrnehmung der Betonung wichtig, denn dies hilft dem Zuhörer das gesagte in Abschnitte zu unterteilen und ändert vor allem die Bedeutung von Wörtern und Sätzen. Obwohl es Unterschiede in den Betonungsmustern zwischen den Sprachen gibt, gibt es auch wichtige universale Betonungsregeln die von allen erkannt werden. Dies deutet darauf hin, dass die sprachliche Betonung tief in der Biologie der akustischen Kommunikation verwurzelt ist. In der Musik ist die Bedeutung der Betonung noch offensichtlicher, denn gewisse Betonungsmuster aus starken und schwachen Bestandteilen liegen Rhythmen auf der ganzen Welt zugrunde. Durch das Trainieren von mehreren Tierarten darauf, gewisse Betonungen zu unterscheiden, haben wir in diesem Projekt herausgefunden, dass wir Menschen nicht die einzige Art sind die diese Muster wahrnehmen und nutzen können. Wir konnten zeigen das sowohl der Wellensittich, ein kleiner Papagei der häufig als Haustier gehalten wird, als auch Ratten diese Betonungsmuster wahrnehmen konnten. Dabei stellte sich heraus, dass Wellensittiche viel flexibler im Erkennen von Betonungen waren als Ratten. Und nicht nur das: durch einen Test bei dem man misst wo sich ein Tier lieber aufhält konnten wir auch zeigen, dass weibliche Wellensittiche lieber rhythmischer Musik lauschen als unrhythmischer; genau wie wir Menschen. Diese Gemeinsamkeiten zwischen Menschen und Wellensittichen könnten darauf zurückzuführen sein, dass Wellensittiche mittels komplexen erlernten Lautäußerungen kommunizieren, Lautäußerungen und Geräusche aus ihrer Umwelt imitieren, und einen Takt erkennen und sich dazu bewegen können, ähnlich wie wir Menschen beim Tanzen. Die Ergebnisse dieses Projektes unterstützen die Idee, dass die der Sprache und Musik zu Grunde liegenden Fähigkeiten nicht einmalig nur im Menschen vorkommen, und dass Tierarten die komplexe, sprach-ähnliche Fähigkeiten aufweisen auch musikalische Fähigkeiten mit uns gemeinsam haben, so wie die Vorliebe für rhythmische Musik