旋律是被大腦主動「預測」。聽覺系統在處理音樂時是持續推算下一個音高、節奏與和聲的可能性。這種能力構成聽覺愉悅的基礎，亦使音樂能夠跨越文化背景，引發一致的情感反應。大腦的反應源於一套自動運行的統計模型。這些模型在長期經驗中形成，使大腦能在毫秒級的時間內運算結構、張力與走勢。
大腦在接收旋律時，最先運作的是模式辨識能力。音高與節奏的組合會形成特定規律，而大腦會迅速在規律中捕捉重複、變化與趨勢。旋律的上行與下行、跳進與級進、強拍與弱拍都能反映一首歌曲的語法。當旋律呈現穩定走向時，大腦會建立一條「最有可能」的延伸線。聽者會自然感到旋律下一步應該上升或下降。這種預測能力來自經驗的累積，大腦會在大量作品中萃取統計特徵，以推斷最具機率的延續方式。所以即使聽者並不具備樂理知識，也能感受旋律的合理性。
旋律的預測亦與張力釋放機制相關。大腦對張力的感應十分敏銳，旋律中每一次上行或下行都可能構成微型張力，張力的結束則帶來愉悅感。旋律停留在半句或未落地時，大腦會產生預期，使聽者感到旋律「應該」發生某種走向。這種張力調節神經系統對不穩定狀態的本能處理。旋律的預測往往根據張力的方向運作，例如上行後傾向下降、跳進後傾向回落、懸掛音後傾向解決。這些語法特徵構成音樂理解的基礎，使聽者能在短時間內把握旋律結構。
和聲的暗示亦影響大腦的預測方式。旋律與和弦的張力同時被運算。當和弦提供特定穩定度或緊張度時，大腦會根據和聲結構推算旋律的落點。屬和弦會強化回到主音的方向感，下屬和弦會擴張旋律的可行範圍，而小和弦會促使旋律往較低的張力點收束。所以旋律與和聲的互動在不知不覺間影響聽者的預測，使旋律的下一步在大腦中形成高機率模型。這些模型都是神經網絡會在音樂經驗中自動學習的結果。
預測的愉悅與落空的刺激是音樂表達的核心。當旋律按大腦預測行進時，會產生安全感與熟悉感；當旋律出現軽微偏離時，大腦會感到新鮮，並在張力增加後期待解決。預測成功與預測落空之間的交替，使音樂能持續引發注意力與情緒反應。創作者往往利用此機制，使作品在可理解的框架內保留變化，使聽者在穩定與驚喜之間保持投入。旋律的記憶度亦與此相關，當一首旋律在預測上提供適當平衡，聽者便能在短時間內形成深刻印象。
預測能力亦會因文化語法而不同。不同地域的音樂語言使用不同旋法與節奏結構，大腦會依據熟悉的語法建立預測模型。聽者在接觸陌生音樂時會因缺乏語法基礎而無法順利預測，使旋律更難被記住。相反，若旋律符合文化中的常見語法，大腦便能迅速理解並形成期待。華語流行的旋律語法常採拋物線式走向，使大腦能在極短時間內運算旋律方向，所以更容易被大眾接受。此現象反映音樂語言的共通性，也顯示預測能力受文化框架影響。
整體而言，大腦預測旋律的能力包含模式辨識、張力分析、和聲暗示與經驗統計四大核心。旋律之所以能令人著迷是因為其與大腦的預測機制持續互動。聽者在每一瞬間預測、比較、修正，並在預期與現實之間感受情緒。音樂的力量因而來自結構的運動，而大腦的預測能力正是此種運動得以被感受到的原因。
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