Are there controversies in pitch and timbre perception research? [in 333 words]

European Starling (Sturnus vulgaris)

At the heart of human musicality lie fundamental questions about how we perceive sound. In the coming academic year our group will dedicate several meetings on exploring and clarifying the spectral percepts that might underlie musicality with an agenda set around some enduring controversies. These span the roles of learning, culture, and cross-species comparisons, as well as evolutionary explanations for why music holds such sway over human minds. 

Among the most debated topics is the relationship between pitch and timbre perception. Both pitch and timbre are percepts: mental constructs arising from acoustic input. In humans, pitch perception is central to melodic recognition. When we hear a melody, we tend to identify it by its sequence of relative pitches—hearing it as the “same” tune regardless of changes in timbre, loudness, or duration. This reliance on relative pitch is a cornerstone of human music cognition. 

But is pitch such a universal perceptual anchor? For years, researchers assumed so, pointing to songbirds as an obvious parallel. Birds, it was thought, must also use pitch cues, though often in the form of absolute rather than relative pitch. Yet recent evidence complicates this narrative. In a striking study, Bregman et al. (2016) reported that European starlings do not, in fact, rely on pitch when recognizing sequences of complex harmonic tones. Instead, they appear to attend more closely to spectral shape, or the broader distribution of energy across frequencies. 

This finding raises a further question: is it really the spectral envelope (i.e. spectral shape) that matters, or something more subtle? Because the methods used—particularly contour-preserving noise vocoding—leave open another possibility: birds may actually be attuned to fine spectral-temporal modulations, the intricate contours woven into sound. Such results remind us that perceptual categories humans take for granted may not map cleanly onto other species, and that the universality of pitch as a cognitive anchor remains an open, and fascinating, controversy (cf. Patel, 2017; ten Cate & Honing, 2025). 

N.B. These entries are part of a new series of explorations on the notion of Spectral Percepts (in 333 words each). 

Bregman, M. R., Patel, A. D. & Gentner, T. Q. (2016). Songbirds use spectral shape, not pitch, for sound pattern recognition. Proceedings of the National Academy of Sciences, 113(6), 1666–1671. doi: 10.1073/pnas.1515380113 

Patel, A. D. (2017). Why Doesn’t a Songbird (the European Starling) Use Pitch to Recognize Tone Sequences? The Informational Independence Hypothesis. Comparative Cognition & Behavior Reviews, 12, 19–32. doi: 10.3819/CCBR.2017.120003 

ten Cate, C. & Honing, H. (2025). Precursors of music and language in animals. In D. Sammler (Ed.), The Oxford Handbook of Language and Music. Oxford University Press. doi: 10.1093/oxfordhb/9780192894700.001.0001

Wat is een absoluut gehoor en is het erfelijk? [Dutch]

Niet zo lang geleden verscheen op het internet een video [zie hieronder een nwe versie] met de tekst: ‘Kijk eens wat deze hond kan. Hij is muzikaler dan ik!’ 

 

De video laat een golden retriever zien die geconcentreerd naar zijn baas kijkt die tegenover hem zit. Als zij een toon laat horen reageert de hond door met zijn poot een toets in te drukken op een fors pianotoetsenbord dat voor hem op de grond ligt. Welke toon het baasje ook speelt, de hond herhaalt zonder aarzeling precies dezelfde toon op de piano. ‘Hij heeft absoluut gehoor!’ voegt een lezer al snel als commentaar aan de video toe. En dat klopt. De meeste dieren hebben absoluut gehoor, in de zin dat zij klanken onthouden en herkennen aan de absolute frequentie (het trillingsgetal) van het geluid, en niet zozeer aan het melodische verloop of de intervalstructuur, zoals wij mensen dat doen. Wij vinden absoluut gehoor daarom bijzonder. Als je aan musici vraagt een voorbeeld te noemen van een bijzondere muzikale vaardigheid dan noemen velen als eerste ‘absoluut gehoor’. Iemand met een absoluut gehoor kan een willekeurig aangeslagen pianotoon benoemen zonder gezien te hebben welke toets er werd ingedrukt. Vooral voor conservatoriumstudenten is dat handig, omdat zij dan minder moeite hebben met de muzikale dictees die ze regelmatig krijgen: het in notenschrift opschrijven van wat de docent voorspeelt of zingt.

Maar terug naar de golden retriever. Ik denk dat hij inderdaad de pianotonen aan hun frequentie kan herkennen. Maar ik vermoed ook dat als er een gordijn tussen hem en zijn baasje gehangen wordt, hij deze ingewikkelde taak niet meer vlekkeloos uitvoert. Deze hond doet immers meer dan alleen een toon herkennen aan zijn trillingsgetal. De term absoluut gehoor is wat dat betreft te beperkt. De hond moet namelijk behalve een toon horen, herkennen en herinneren, deze ook classificeren (is het een c of een cis?), bepalen welke toets daarbij hoort en deze vervolgens aanslaan op het grote toetsenbord dat voor hem ligt. Op de video zijn de ogen van de golden retriever en die van zijn eigenaar niet te zien, maar het zou me niet verbazen als de hond vooral haar blik volgt om te weten welke toets hij verwacht wordt aan te slaan, in plaats van zijn absolute gehoor. Het zou heel goed kunnen dat het klassieke Pavlov-effect – als ik doe wat baasje van mij verlangt, krijg ik een beloning – hier sterker is. (Dit is eenvoudig te testen door een gordijn tussen hond en baas te hangen. Voorspelling: de hond kan de taak niet meer vlekkeloos uitvoeren.) 

Absoluut gehoor is dus niet zo zeer een gehoorvaardigheid, zoals de term suggereert, als wel een cognitieve vaardigheid. Het bestaat uit zeker twee aspecten: je moet je een toon kunnen herinneren en vervolgens een naam geven. Daarnaast moet je voor dat laatste een toon – of hij nou door een piano, viool, stem of fluit wordt voortgebracht – kunnen classificeren als behorende tot eenzelfde categorie en hem vervolgens benoemen. Het eerste is een wijdverspreide vaardigheid die je eenvoudig kan testen. Stel je een bekend liedje voor, bijvoorbeeld Stayin’ alive van de Beegees, en zing het vervolgens. Grote kans dat de toonhoogte precies overeenkomt met het origineel. Wij mensen kunnen (net als veel andere dieren) heel goed de toonhoogte onthouden van bijvoorbeeld popliedjes of tv-tunes die we goed kennen. Maar een enkele toon horen en vervolgens weten of het een c is of een cis is een bijzondere vaardigheid die bij minder dan 1 op de 10.000 mensen voorkomt. Er zijn goede reden om absoluut gehoor te zien als het resultaat van een genetisch bepaalde aanleg. Diverse studies laten zien dat bepaalde chromosomen betrokken zijn bij het wel of niet hebben van de vaardigheid (zoals chromosoom 8q24.21). Daarnaast zijn er neurowetenschappelijke studies die anatomische verschillen tussen mensen met en zonder absoluut gehoor laten zien, met name in de temporaalkwab en diverse corticale gebieden. Niet alleen lijkt absoluut gehoor een genetische component te hebben en dus erfelijk te zijn, het ontwikkelen ervan is hoogstwaarschijnlijk het resultaat van blootstelling aan muziek op jonge leeftijd en intensieve muzikale training. In een land als Japan komt absoluut gehoor veel vaker voor dan elders. Bij Japanse conservatoriumstudenten loopt het percentage soms op tot wel 70 procent. Dat zou verklaard kunnen worden door het feit dat het een land is waar muziek een belangrijke plaats heeft in het onderwijs aan jonge kinderen. Maar voor zover we weten heeft absoluut gehoor niet zo veel met muzikaliteit te maken heeft. Mensen met absoluut gehoor zijn over het algemeen niet muzikaler dan andere mensen. Sterker nog: de overgrote meerderheid van de westerse professionele musici heeft helemaal geen absoluut gehoor. 

Ivan Pavlov ontdekte al in het begin van de vorige eeuw dat honden een enkele toon konden onthouden en associëren met bijvoorbeeld eten. Ook van wolven, en ratten, is bekend dat zij soortgenoten herkennen aan de absolute toonhoogte van hun roep, en dus onderscheid kunnen maken tussen de ene en de andere toon. En voor spreeuwen en resusapen, is dat niet anders, zo suggereren verschillende studies. Een veel muzikaler vaardigheid is ‘relatief gehoor’ – het herkennen van een melodie, los van de precieze toonhoogte waarop die klinkt of gezongen wordt. De meeste mensen luisteren niet naar de afzonderlijke tonen en hun trillingsgetal, maar naar de melodie als geheel. Of we Altijd is Kortjakje ziek nou lager of hoger gezongen horen worden, we herkennen het liedje toch wel. Het horen van verbanden en relaties tussen de tonen, in zowel melodische als harmonische zin, is deel van het plezier van het luisteren naar muziek. Het maakt de vraag of we relatief gehoor met andere diersoorten delen, inclusief honden, een van de centrale vragen in het onderzoek naar de biologische basis van de menselijke muzikaliteit.

Uit: Honing, H. (2017). Wat is een absoluut gehoor en is het erfelijk? In Rinnooy Kan & de Graaf (eds.), Hoe zwaar is licht? (pp. 74-76). Amsterdam: Uitgeverij Balans.

Is our capacity for music special?

In this conversation, Christopher Sutton of Musical U talks about: The crucial research study with newborn infants that changed Henkjan Honing's thinking about musicality research; Two surprising facts about absolute pitch (or perfect pitch) that might completely change how you think about this seemingly-magical skill; And what the state-of-the-art scientific research tells us about how much musicality is an innate part of us versus a purely-learned skill.

More information at the website of Musical U. Check it out!

Degelijk stemadvies? [Dutch]

In het partijprogramma van de Vrijzinnige Partij staat de volgende curieuze zin:

"Een vrijzinnig geluid is een zuiver geluid. [..] Muziek is goed voor de gezondheid van de mens, maar dan wel met de goede natuurlijke grondtoon van 432 Hz."

Wat klopt daar van? Kan een stemtoon natuurlijk zijn? Wanneer is muziek vals? En waarom vinden mensen dat zo belangrijk?

Waar de één het verschil tussen 10 trillingen per seconden weet te relativeren, heeft het voor een ander een genadeloze impact. (For a discussion in English, see here and here.)

Zie website Kostgangers en iTunes.

Update: 2 maart 2017
Hilarisch verslag in de Volkskrant: "Vrijzinnige Partij: verlaag de grondtoon, deze wekt verdeeldheid en agressie op"

Can humans listen like songbirds do?

European Starling © www.allaboutbirds.org

Humans and songbirds share many interesting similarities with regard to their auditory processing capabilities. For example, we know that humans and European Starlings have similar frequency sensitivity, perceive the pitch of the missing fundamental, and parse multiple pure-tone sequences into separate auditory streams. At higher levels, the “musical” nature of birdsong has long been appreciated by humans, and some songbirds can readily learn to discriminate and imitate human melodic sequences (cf. Hoeschele et al., 2015).

Given these similarities, it is surprising to find a major difference in how humans and songbirds perceive sequences of tones. Humans readily recognize tone sequences that are shifted up or down in log frequency because the pattern of relative pitches is maintained (referred to as relative pitch). In contrast, songbirds appear to have a strong bias to rely on absolute pitch for the recognition of tone sequences (a pitch-shifted melody might well be perceived as an altogether different melody; Hoeschele et al., 2015).

Interestingly, a recent study by Bregman et al. (2016), contrasting pitch and spectral patterns, shows that birds perceive their song more like humans perceive speech (Shannon, 2016). More precisely, songbirds might attend more to the acoustic spectral shape than to the absolute pitch of the acoustic signal. Stimuli that preserve acoustic spectral shape, even in the absence of pitch, seem to allow for generalization of learned acoustic patterns. Hence it could well be that a sensitivity to spectral shape is what is shared between human and avian cognition of musical signals, while relative pitch is the preferred mode of listening for humans. And one could wonder: why is sound "super normally stimulated" in humans (see earlier entry), and can humans be made to change their listening mode in the direction of birds (or vice versa) when manipulating melody and spectral shape?

Bregman, M., Patel, A., & Gentner, T. (2016). Songbirds use spectral shape, not pitch, for sound pattern recognition Proceedings of the National Academy of Sciences, 113 (6), 1666-1671 DOI: 10.1073/pnas.1515380113

Hoeschele, M., Merchant, H., Kikuchi, Y., Hattori, Y., & ten Cate, C. (2015). Searching for the origins of musicality across species Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 370 (1664), 20140094-20140094 DOI: 10.1098/rstb.2014.0094

Shannon, R. V. (2016). Is Birdsong More Like Speech or Music? Trends in Cognitive Sciences, 20 (4), 245-247 DOI: 10.1016/j.tics.2016.02.004

Do songbirds perceive melody different from humans?

European Starling (Sturnus vulgaris)

Last week a fascinating study appeared in PNAS on melody (re)cognition in sparrows (Sturnus vulgaris). It provides an alternative interpretation to the widespread believe that songbirds have a strong bias to rely on absolute pitch (AP) for the recognition of melodies (e.g. Hulse et al., 1992).

In a series of behavioral experiments, Bregman et al. (2016) find that the human percepts of both pitch and timbre are poor descriptions of the perceptual cues used for melody recognition by the five sparrows that participated in the study. The results suggest that auditory sequence recognition in sparrows might be largely dependent on the perception of acoustic spectral shape, and not just AP. Sounds that preserve this shape, even in the absence of pitch cues, seem to be perceived as equivalent. The finding suggests that songbirds (unlike humans, for whom pitch plays a dominant role in the perception of melodic sequences) rely on a perceptual representation that is a combination of pitch and timbre. It suggests that the perceptual separability of pitch and timbre might also in humans be largely based on experience.

Hulse, S., Takeuchi, A., & Braaten, R. (1992). Perceptual Invariances in the Comparative Psychology of Music Music Perception: An Interdisciplinary Journal, 10 (2), 151-184 DOI: 10.2307/40285605

Bregman, M., Patel, A., & Gentner, T. (2016). Songbirds use spectral shape, not pitch, for sound pattern recognition Proceedings of the National Academy of Sciences DOI: 10.1073/pnas.1515380113

Heb je uitzonderlijk muzikaal gehoor? (1/5) [Dutch]

Ben jij een beetje muzikaal? Kun jij een liedje op de perfecte toonhoogte meezingen? Hoor jij meteen of er een valse snaar op een gitaar zit? Sommigen mensen zijn volledig toondoof. Maar mensen met absoluut gehoor kunnen (zonder te kijken!) aan een pianotoets al horen welke noot het is. Een heel zeldzame gave! Maar is deze luistereigenschap wel zo bijzonder?

Voor de andere lezingen zie hier.

Bronnen:

01:00 Peretz et al. (2003)
02:00 Peretz & Zatorre (2005); Stewart et al. (2006)
02:30 Takeuchi & Hulse (1993)
05:30 Levitin (1994)
06:00 Schellenberg & Trehub (2003)
09:00 Trehub (2003); Trainor & Trehub (1993)

Peretz I, Champod AS, & Hyde K (2003). Varieties of musical disorders. The Montreal Battery of Evaluation of Amusia. Annals of the New York Academy of Sciences, 999, 58-75 PMID: 14681118

Peretz, I., & Zatorre, R. (2005). Brain Organization for Music Processing Annual Review of Psychology, 56 (1), 89-114 DOI: 10.1146/annurev.psych.56.091103.070225

Stewart L, von Kriegstein K, Warren JD, & Griffiths TD (2006). Music and the brain: disorders of musical listening. Brain : a journal of neurology, 129 (Pt 10), 2533-53 PMID: 16845129

Takeuchi, A., & Hulse, S. (1993). Absolute pitch. Psychological Bulletin, 113 (2), 345-361 DOI: 10.1037//0033-2909.113.2.345

Levitin, D. (1994). Absolute memory for musical pitch: Evidence from the production of learned melodies Perception & Psychophysics, 56 (4), 414-423 DOI: 10.3758/BF03206733

Schellenberg, E., & Trehub, S. (2003). Good Pitch Memory Is Widespread Psychological Science, 14 (3), 262-266 DOI: 10.1111/1467-9280.03432

Trehub SE (2003). The developmental origins of musicality. Nature neuroscience, 6 (7), 669-73 PMID: 12830157

Perfect Pitch: Is this for real?

Absolute Pitch (AP) or Perfect Pitch, as some prefer to call it, is common throughout the animal world, and dogs are no exception (Levitin & Rogers, 2005).*

However, the demonstration below is almost too good to be true. Is the dog like Clever Hans, picking up unconscious cuing, or is he indeed listening and converting the sounding pitches to key presses? 

My prediction: the dog primarily watches the eyes and other body movements of the trainer, and does not really listen. A curtain between the owner and the dog would confirm this.

Update Summer 2013: See below for a composition by Brechtje van Dijk broadcasted by Vrije Geluiden in May 2013, with the same two dogs. Look closely: they look carefully, but do they listen?

* N.B. Relative pitch is far more special, see earlier blogs.

Levitin, D., & Rogers, S. (2005). Absolute pitch: perception, coding, and controversies Trends in Cognitive Sciences, 9 (1), 26-33 DOI: 10.1016/j.tics.2004.11.007

Wanneer ben je muzikaal? [Dutch]

Niet zo lang geleden, op een zondagochtend, gaf ik een kinderlezing in het Nemo, Amsterdam voor kinderen van acht tot twaalf jaar. Wat is dat leuk!

Op de vraag Wie is er muzikaal? staken in eerste instantie ongeveer vijftien kinderen hun vinger op. Slechts een paar kinderen vonden zichzelf absoluut niet muzikaal, en bijna iedereen kende wel iemand die niet muzikaal is. 'Mijn papa zingt heel vals!', riep iemand.

Aan het einde van de lezing vroeg ik nog een keer wie zichzelf muzikaal vond en toen gingen bijna alle vingers omhoog. Missie geslaagd :-)

Voor een verslag van de kinderlezing van Edda Heinsman, met foto’s van Hanne Nijhuis, zie hier.

Do you have perfect pitch?

Glenn Schellenberg of the University of Toronto just started an online internet experiment on Absolute Pitch (AP). If you have, or suspect you have, absolute pitch do the online test here. It takes about 15 minutes and you get your score in the end.

Can music (cognition) save your life?

To explore the research finding I’m about to present, I asked my girlfriend this afternoon to think of the film Saturday Night Fever and the song Stayin’ Alive. Being of the generation that grew-up in the late seventies, she could sing it immediately. I tapped along on my computer spacebar (using MusicMath software) which indicated an average of 105 BPM. And, surprisingly, the original was recorded at 103 BPM (well within the just noticeable difference for tempo perception)!

Dan Levitin and Perry Cook did a similar, but more systematic experiment in the late nineties and found that most people can actually do this quite easily —roughly within a 4-8% tempo difference range—, and especially for songs they are quite familiar with. The results were interpreted as evidence for an (iconic) long term memory for tempo, especially for popsongs that are often heard in one single version.

I was reminded of this research because of a recent e-mail by Lauren Stewart (see earlier blog) pointing me at a news clipping from CNN.com/health with the title Stayin' Alive' has near-perfect rhythm to help jump-start heart, stating:

CHICAGO, Illinois (AP) -- "Stayin' Alive" might be more true to its name than the Bee Gees ever could have guessed: At 103 beats per minute, the old disco song has almost the perfect rhythm to help jump-start a stopped heart. In a small but intriguing study from the University of Illinois medical school, doctors and students maintained close to the ideal number of chest compressions doing CPR while listening to the catchy, sung-in-falsetto tune from the 1977 movie "Saturday Night Fever."

Well, I cannot oversee the impact of this for the medical world (it was published as a pilot study in the Annals of Emergency Medicine), yet it is an another interesting example of the fact that we can easily remember the tempo of a familiar or ‘sticky’ song. The pilot-experiment showed that the participants (ten doctors and five medical students, to be precise) when asked think of Stayin’ Alive could easily reproduce the tempo of the original (in this study an average of 108 BPM). Apparently the ‘stickiness’ of the song proves very useful as a kind of mental metronome in applying cardiopulmonary resuscitation (CPR).

This might well be the first, potential lifesaving application of music and music cognition research :-)

Levitin, D. J., Cook, P. R. (1996). Memory for musical tempo: Additional evidence that auditory memory is absolute. Perception & Psychophysics, 58, 927-935

D. Matlock, J.W. Hafner, E.G. Bockewitz, L.T. Barker, J.D. Dewar (2008). “Stayin' Alive”: A Pilot Study to Test the Effectiveness of a Novel Mental Metronome in Maintaining Appropriate Compression Rates in Simulated Cardiac Arrest Scenarios Annals of Emergency Medicine, 52 (4), S67-S68

E. Glenn Schellenberg, Sandra E. Trehub (2003). Good pitch memory is widespread Psychological Science, 14 (3), 262-266 DOI: 10.1111/1467-9280.03432

Perfect Pitch: You either have it or not?

Last week a paper was published in the Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA (PNAS) that generated quite a stir, both in the academic world and in the press. In that paper researchers from the University of California presented the results from an elaborated web-based study (with about 2200 participants) that investigated the ability of Absolute Pitch (AP): being able to name the pitch of a tone without the use of a reference tone. Something some see as a musical gift, others as a burden.

The researchers found a bimodal distribution in pitch-naming ability that was interpreted as “you either have it or not”. Furthermore, they suggested a genetic basis for AP. And that’s were the discussion started ...

While there is some research in the possible genetic basis for AP, related studies (not mentioned in the PNAS paper) have argued, and to a large extend shown, that AP might well be a result of biases due to the task and stimuli used, largely a result of training, and problably more widepread than some think.

For example, Glenn Schellenberg and Sandra Trehub form the University of Toronto found support for a normal, not bimodal, distribution once pitch-naming or reproduction requirements are eliminated (such knowledge about piano keyboards or music notation) and familiar materials (such as soundtracks of tv programs) are used. They argue that good pitch memory is actually widespread.

Oliver Vitouch from the University of Klagenfurt wrote a comment a few years ago, called “Absolute models of absolute pitch are absolutely misleading”, summarizing the state of affairs in AP research, and arguing that it is mainly a result of musical training. Clearly there is little agreement on the claim that AP is a trait.

In addition, I find AP actually not such a special phenomenon. Although we could agree that AP occurs at different levels of preciseness on a continuous scale, in the end we should also agree that Relative Pitch (RP) is far more special. While we might share AP with quite a few animals, RP is far less common, arguably making AP in humans less special.