Chúng ta dễ dàng phân biệt được đàn cello với piano, kèn clarinet với kèn trombone. Ngay cả khi các nhạc cụ này cùng chơi một nốt nhạc với âm lượng như nhau, mỗi loại vẫn giữ được bản sắc âm thanh riêng biệt.
Đặc tính này được gọi là âm sắc.
Nhưng sự khác biệt này bắt nguồn từ đâu? Liệu nó chỉ nằm ở bản thân âm thanh – hay mỗi nhạc cụ còn để lại một dấu ấn đặc biệt trong hoạt động của não bộ?
Một nghiên cứu mới, công bố năm 2026 trên tạp chí NeuroImage, đã chỉ ra rằng: chỉ dựa vào một đoạn điện não đồ (EEG) ngắn, một thuật toán học máy có thể xác định chính xác hơn mức ngẫu nhiên về âm sắc nào trong số năm âm sắc mà một người đang nghe vào thời điểm đó.
Trong hoạt động điện của não bộ, thông tin được lưu giữ không chỉ về cao độ và âm lượng của âm thanh, mà còn về đặc tính riêng của nó.
Một nốt nhạc – năm thế giới âm thanh
Nghiên cứu được thực hiện bởi các chuyên gia Pravina Satkunarajah, Sarah Power và Benjamin Zendel từ Đại học Memorial Newfoundland ở Canada.
Bài báo được xuất bản trực tuyến vào ngày 19 tháng 5 năm 2026 và nằm trong số ra tháng 8 của tạp chí NeuroImage.
Mười người có thính giác bình thường đã tham gia vào thí nghiệm. Trong số đó có các nhạc sĩ, người tự học và những người không có nền tảng âm nhạc.
Những người tham gia đã nghe cùng một nốt nhạc – A3 (la ở quãng ba), với tần số cơ bản là 220 hertz. Nốt nhạc này được trình bày dưới năm biến thể:
- piano;
- kèn clarinet;
- đàn cello;
- kèn trombone;
- âm hình sin thuần túy không có âm bội.
Mỗi âm thanh kéo dài một giây. Âm lượng của tất cả các biến thể được điều chỉnh cân bằng để tránh trở thành một gợi ý đơn giản cho cả người tham gia lẫn quá trình phân tích sau này.
Mỗi trong số năm âm thanh được phát 200 lần, và hoạt động não bộ được ghi lại liên tục bằng phương pháp EEG với 73 điện cực.
Như vậy, yếu tố thay đổi chủ yếu là âm sắc – đặc tính âm thanh mà nhờ đó chúng ta nhận biết được nguồn gốc của nó.
Âm sắc là gì?
Âm sắc thường được gọi là “màu sắc” của âm thanh, nhưng định nghĩa này không bao quát hết sự phức tạp của nó.
Đây không chỉ là một lớp màu được tô lên một nốt nhạc.
Nó là tiểu sử của âm thanh.
Cùng một nốt nhạc được chơi trên piano, kèn clarinet hay đàn cello đều có cùng cao độ cơ bản. Tuy nhiên, cùng với nó, có vô số tần số phụ – hay còn gọi là âm bội – vang lên. Số lượng, cường độ và sự phân bố của các âm bội này tạo nên một cấu trúc phổ âm độc đáo cho mỗi nhạc cụ.
Các đặc điểm khác cũng khác nhau:
- cường độ khởi đầu – tốc độ xuất hiện âm thanh;
- sự tăng và giảm âm lượng;
- sự phân bố năng lượng giữa các sóng hài;
- độ sáng;
- độ thô ráp;
- sự cộng hưởng của vật liệu và thân nhạc cụ.
Với đàn cello, âm thanh được tạo ra từ sự tương tác của vĩ, dây đàn, thân gỗ và không khí bên trong nó.
Với kèn clarinet, hơi thở của nhạc công làm rung lưỡi gà, và cột khí bên trong nhạc cụ tạo ra sự cộng hưởng.
Trong đàn piano, búa gõ vào dây đàn, sau đó bảng cộng hưởng và thân đàn khuếch đại, biến đổi sự rung động đã tạo ra.
Vì vậy, âm sắc không phải là một sự trang trí hay sản phẩm phụ.
Nó là cách âm thanh được tạo ra, là vật liệu mà rung động đã truyền qua, và là chuyển động đã khởi tạo sự sống cho nó.
Có thể xác định nhạc cụ bằng EEG không?
Các nhà nghiên cứu đã kiểm tra xem liệu có thể xác định được âm sắc nào mà người tham gia đang nghe vào thời điểm đó chỉ từ một đoạn EEG riêng lẻ hay không.
Đây không phải là một nhiệm vụ dễ dàng. Con người nhận được thông tin âm thanh đầy đủ, trong khi thuật toán chỉ phân tích các tín hiệu điện được ghi lại trên bề mặt đầu.
Bốn thuật toán học máy đã được sử dụng để xử lý dữ liệu:
- phân tích phân biệt tuyến tính;
- Gradient Boosting;
- phương pháp máy học véc-tơ hỗ trợ;
- phương pháp hàng xóm gần nhất.
Các nhà khoa học đã so sánh một số loại dữ liệu: các đoạn EEG thô, đặc điểm của các điện thế gợi, và các đặc trưng hài hòa và phổ.
Nếu thuật toán chỉ đơn thuần đoán một trong năm lựa chọn, độ chính xác dự kiến sẽ vào khoảng 20%.
Tuy nhiên, khi phân tích các đoạn EEG thô, cả bốn mô hình đều cho kết quả cao hơn mức ngẫu nhiên:
- Gradient Boosting — khoảng 35%;
- phân tích phân biệt tuyến tính — khoảng 34%;
- phương pháp máy học véc-tơ hỗ trợ — khoảng 33%;
- phương pháp hàng xóm gần nhất — khoảng 26%.
Độ chính xác còn xa mới đạt đến mức hoàn hảo. Tuy nhiên, mục tiêu chính không phải là nhận diện nhạc cụ một cách hoàn hảo, mà là kiểm tra xem liệu thông tin về âm sắc có hiện diện trong một phản ứng đơn lẻ của não bộ hay không.
Thuật toán không hề nghe được âm thanh gốc và cũng không phân tích bản ghi âm của nó. Nó chỉ nhận được dữ liệu EEG.
Và dù vậy, trong các tín hiệu điện vẫn còn đủ thông tin có thể phân biệt được để xác định âm sắc được cảm nhận với độ chính xác cao hơn mức ngẫu nhiên.
Nghiên cứu trên cơ sở dữ liệu PubMed
Đàn Cello để lại dấu vết rõ rệt nhất
Các nhà khoa học cũng phân tích các thành phần N1 và P2 của điện thế gợi thính giác – những thay đổi ngắn hạn trong hoạt động điện của não bộ, xuất hiện ngay sau khi âm thanh vang lên.
Thành phần N1 được nghiên cứu trong khoảng từ 100 đến 200 mili giây sau khi âm thanh bắt đầu, còn P2 thì từ 150 đến 290 mili giây.
Các phản ứng với những âm sắc khác nhau có sự khác biệt về thời điểm xuất hiện và biên độ.
Đàn cello đã tạo ra phản ứng P2 rõ rệt nhất, trong khi âm hình sin thuần túy thì tạo ra phản ứng yếu nhất. Phản ứng N1 đối với đàn cello xuất hiện sớm hơn, trong khi phản ứng với kèn clarinet lại là muộn nhất.
Điều này không có nghĩa là não bộ “ưa thích” đàn cello.
Sự khác biệt có thể liên quan đến các đặc điểm của cường độ khởi đầu, thành phần phổ, độ thô ráp và sự phân bố của các sóng hài. Chẳng hạn, âm thanh kèn clarinet trong thí nghiệm có sự khởi đầu mượt mà nhất trong số các âm thanh nhạc cụ được sử dụng.
Nhưng kết quả cho thấy điều cốt yếu: các âm sắc khác nhau không gây ra phản ứng thần kinh hoàn toàn giống nhau.
Trong âm thanh của một nhạc cụ, não bộ phân biệt được nhiều điều hơn là cao độ và âm lượng.
Con người xử lý tốt hơn đáng kể so với thuật toán
Những người tham gia thí nghiệm cũng ý thức xác định các âm thanh mà họ nghe được. Độ chính xác nhận diện trung bình của con người đạt khoảng 94%.
Những người tham gia nhận biết kèn trombone tốt nhất – khoảng 97% trường hợp. Âm thanh thuần túy được xác định với độ chính xác khoảng 96%, đàn cello – 95%, kèn clarinet – 92%, piano – 89%.
Đây là một so sánh quan trọng.
Thuật toán hiện tại vẫn chưa giải mã được nhận thức một cách tự tin như cách con người nhận biết một âm thanh quen thuộc. Nghiên cứu chỉ cho thấy bước đầu tiên: thông tin về âm sắc vẫn có mặt ngay cả trong các đoạn EEG ngắn, riêng lẻ và có thể được giải mã một phần.
Liệu máy trợ thính có thể hiểu được sự chú ý của chúng ta không?
Một trong những hướng ứng dụng thực tế tiềm năng của nghiên cứu này liên quan đến máy trợ thính.
Các thiết bị hiện đại rất phù hợp để khuếch đại lời nói, nhưng âm nhạc vẫn là một nhiệm vụ khó khăn đối với chúng. Khi nhiều nhạc cụ cùng vang lên đồng thời, vô số tần số và sắc thái động có thể bị trộn lẫn, mất đi sự tự nhiên hoặc trở nên chói tai sau khi được xử lý.
Trong tương lai, một máy trợ thính có khả năng ghi nhận hoạt động não bộ, về mặt lý thuyết, có thể xác định nhạc cụ nào mà người dùng đang cố gắng nghe và chỉ khuếch đại có chọn lọc âm thanh của nhạc cụ đó.
Chẳng hạn, nếu người nghe tập trung sự chú ý vào đàn cello trong dàn nhạc – thiết bị sẽ giúp tách riêng âm thanh của nó ra khỏi dòng chảy âm nhạc tổng thể.
Tuy nhiên, còn một chặng đường dài để đạt được ứng dụng như vậy.
Chỉ có 10 người tham gia thí nghiệm. Các âm thanh riêng lẻ kéo dài một giây được sử dụng, trong khi âm nhạc thực sự phức tạp hơn đáng kể: các nhạc cụ vang lên đồng thời, thay đổi cao độ, âm lượng, động lực và cách thể hiện.
Độ chính xác phân loại cũng chỉ ở mức vừa phải — từ 26% đến 35%.
Do đó, đây không phải là một công nghệ đọc suy nghĩ đã hoàn thiện, mà là sự xác nhận đầu tiên về một khả năng cơ bản: một phản ứng ngắn của não bộ chứa đựng thông tin có thể phân biệt được về âm sắc đang được cảm nhận.
Khám phá này đã bổ sung gì vào âm thanh của Hành tinh?
Nó cho thấy: ý thức không cảm nhận âm thanh như một tần số vô danh.
Não bộ phân biệt được các thuộc tính của rung động, liên quan đến vật liệu, sự chạm, hơi thở và cách âm thanh được tạo ra. Một nốt nhạc, khi đi qua các nhạc cụ khác nhau, trở thành vô số thế giới âm thanh độc lập – và mỗi thế giới đều để lại dấu vết riêng trong hoạt động thần kinh.
Âm nhạc không chỉ phát sinh từ những gì vang lên.
Nó được sinh ra từ cách thức, qua cái gì và qua ai mà rung động truyền qua.
Piano, đàn cello, kèn clarinet và kèn trombone có thể chơi cùng một nốt nhạc – nhưng ý thức đón nhận mỗi âm thanh như một sự hiện diện riêng biệt.
Âm sắc là cá tính của rung động. Nó là ký ức của vật liệu. Dấu ấn của chuyển động.
Cách vật chất đi vào âm nhạc.
Và chúng ta càng lắng nghe cẩn thận, chúng ta càng nghe rõ: Hành tinh không lặp lại cùng một nốt nhạc.
Nó tiết lộ sự đa dạng vô tận của nốt nhạc đó – thông qua gỗ, kim loại, dây đàn, hơi thở của nhạc công và ý thức tiếp nhận của người nghe.
