Рискну предположить что почти весь мозг. Лимбическая система охватывающая почти всю внутреннюю часть мозга отвечающая за эмоциональную окраску песни и её извлечение из помять. Наружние части височной извилины, в особенности её верхняя извилина, включающая центры слуха и центры обработки и анализа звуковой информации. Эти центры теснейшим образом связаны с лобной долей, отвечающей за планировку действий и упорядоченность мысли, а также создающие эмоциональный фон. Если во время песни имеются зрительные образы, то тут же подключается затылочная доля. Так же со всеми этими структурами работают базальные ядра лежащие под корой мозга. Включается огромное количество проводящих путей, соединяющие доли, полушария мозга, ядра между собой и позволяющих синхронно циркулировать информации из одной части мозга в другую. В итоге получаем песню в голове. Самый простой ответ - весь мозг.