Ein Team von Neurowissenschaftlern am Massachusetts Institute of Technology hat zum ersten Mal eine Population von Neuronen im auditorischen Kortex des menschlichen Gehirns identifiziert, die nur auf die Singstimme und nicht auf die gesprochene Stimme oder Instrumentalmusik reagiert.
Zum ersten Mal haben Neurowissenschaftler am Massachusetts Institute of Technology in den USA ( MIT ) eine Population von Neuronen im menschlichen Gehirn identifiziert , die aufleuchtet, wenn wir Gesang hören, nicht jedoch bei anderen Arten von Musik.
Diese Neuronen im auditorischen Kortex scheinen auf die spezifische Kombination von Stimme und Musik (oder melodischer Singstimme) zu reagieren, nicht jedoch auf normale Sprache oder Instrumentalmusik . Forscher sagen, dass nicht bekannt ist, was genau sie tun, und dass noch mehr Arbeit geleistet werden muss, um das herauszufinden.
„Diese Studie enthüllt einige der dominanten Reaktionsdimensionen, die den menschlichen auditorischen Kortex organisieren, was für das Verständnis und die Modellierung der neuronalen Mechanismen der Hörverarbeitung sehr wichtig ist“, sagte der Erstunterzeichner der Studie, Samuel Norman- Haignere , ehemaliger Postdoc am MIT und jetzt Assistenzprofessor für Neurowissenschaften am University of Rochester Medical Center (USA).
Die Arbeit legt auch nahe, dass Musikdarstellungen in verschiedene neuronale Populationen aufgeteilt werden, die selektiv auf verschiedene Arten von Musik reagieren. Samuel Norman-Haignere, Hauptautor
„Die Arbeit legt auch nahe, dass Musikdarstellungen in verschiedene neuronale Populationen aufgeteilt werden, die selektiv auf verschiedene Arten von Musik reagieren. Zu verstehen, wie und warum sich diese Organisation entwickelt, ist eine wichtige Frage für zukünftige Forschung“, fügt der Experte hinzu.
Die heute in der Fachzeitschrift Current Biology veröffentlichte Studie baut auf einer Arbeit aus dem Jahr 2015 auf, bei der dasselbe Forschungsteam mithilfe der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) eine Neuronenpopulation im auditorischen Kortex des Gehirns identifizierte , die speziell auf Musik reagiert. In der neuen Forschung nutzten die Wissenschaftler Messungen der elektrischen Aktivität auf der Oberfläche des Gehirns, die ihnen viel genauere Informationen lieferten als die fMRT.
„Es gibt eine Population von Neuronen, die auf Gesang reagieren, und ganz in der Nähe gibt es eine andere, die allgemein auf eine große Menge Musik reagiert.“ Auf der fMRT-Skala sind sie so nah beieinander, dass sie nicht getrennt werden können, aber mit intrakraniellen Messungen erhalten wir eine höhere Auflösung, und das hat unserer Meinung nach es uns ermöglicht, sie zu unterscheiden“, sagt Norman-Haignere.
Kombination von Techniken
In der Studie aus dem Jahr 2015 verwendeten Neurowissenschaftler fMRT, um die Gehirne der Teilnehmer zu scannen , während sie einer Sammlung von 165 Geräuschen lauschten, darunter verschiedene Arten von Sprache und Musik sowie alltägliche Geräusche wie Fingertippen oder Klopfen. Bellen eines Hundes Dank dieser Forschung identifizierten die Wissenschaftler sechs neuronale Populationen mit unterschiedlichen Reaktionsmustern, darunter eine Population, die selektiv auf Musik reagiert, und eine andere Population, die selektiv auf Sprache reagiert.
In ihrer neuen Arbeit verwendeten die Forscher nun eine Technik namens Elektrokortikographie (ECoG), um Daten mit höherer Auflösung zu erhalten. Diese Technik ermöglicht die Aufzeichnung der elektrischen Aktivität mithilfe von Elektroden, die direkt auf der Oberfläche des Gehirns platziert werden, und liefert so ein viel genaueres Bild der elektrischen Aktivität im Gehirn im Vergleich zur fMRT, bei der der Blutfluss im Gehirn als Indikator für die neuronale Aktivität gemessen wird.
Eine der methodischen Neuerungen der Studie bestand darin, eine Technik zu entwickeln, um die Präzision der Elektrokortikographie mit der dichten räumlichen Abdeckung der fMRT zu kombinieren.
„Mit den meisten Methoden der kognitiven Neurowissenschaft beim Menschen kann man keine neuronalen Darstellungen sehen“, erklärt Nancy Kanwisher , Professorin für kognitive Neurowissenschaften und Mitglied des McGovern Institute for Brain Research und des Center for Brains, Minds, and Machines ( CBMM ). vom MIT. „Die meisten Daten, die wir sammeln können, sagen uns, dass es sich hier um ein Stück Gehirn handelt, das etwas tut, aber das ist ziemlich begrenzt. „Wir wollen wissen, was dort dargestellt wird.“
Die Elektrokortikographie kann normalerweise nicht am Menschen durchgeführt werden, da es sich um ein invasives Verfahren handelt. Sie wird jedoch häufig zur Überwachung von Epilepsiepatienten eingesetzt, die sich einer Operation zur Behandlung ihrer Anfälle unterziehen müssen. Die Patienten werden mehrere Tage lang überwacht, damit Ärzte vor der Operation feststellen können, woher die Anfälle kommen. Wenn die Patienten damit einverstanden sind, können sie während dieser Zeit an Studien teilnehmen, die ihre Gehirnaktivität messen, während sie bestimmte Aufgaben ausführen. Für diese Arbeit konnte das MIT-Team über mehrere Jahre Daten von 15 Teilnehmern sammeln.
„Das ECoG liefert eine viel präzisere Messung der neuronalen Reaktion, aber die Möglichkeiten, Reaktionen aufzuzeichnen, sind rar und die Abdeckung ist viel schlechter als bei der fMRT, da die Elektroden aus klinischen Gründen implantiert werden (hauptsächlich, um die Herde epileptischer Anfälle zu lokalisieren). )“, erklärt Norman-Haignere gegenüber SINC. „Eine der methodischen Innovationen der Studie bestand darin, eine Technik zu entwickeln, um die Präzision des ECoG mit der dichten räumlichen Abdeckung der fMRT-Antworten zu kombinieren“, fügt er hinzu.
Entdeckung einer neuen neuronalen Population
Für diese Teilnehmer spielten die Forscher die gleichen 165 Klänge ab, die sie in der vorherigen Studie verwendet hatten. Die Platzierung der Elektroden jedes Patienten wurde von seinen Chirurgen festgelegt, sodass einige keine Reaktion auf akustische Eingaben wahrnahmen, viele jedoch schon. Durch eine neuartige statistische Analyse, die sie entwickelten, konnten die Experten die Arten neuronaler Populationen ableiten, die die von jeder Elektrode aufgezeichneten Daten erzeugten.
Bei der Analyse der Daten beobachteten die Wissenschaftler ein neuronales Reaktionsmuster, das nur auf Singen reagierte. Daher unterschied sich diese Population von den 2015 identifizierten musik- und sprachselektiven Populationen.
„Als wir diese Methode auf den Datensatz anwendeten, entstand dieses neuronale Reaktionsmuster, das nur auf Singen reagierte .“ „Das war ein Ergebnis, das wir wirklich nicht erwartet hatten, und es rechtfertigt weitgehend das Ziel der Methode, potenziell neue Dinge aufzudecken“, sagt Norman-Haignere.
Diese Neuronenpopulation reagierte sehr schwach auf Sprache oder Instrumentalmusik und unterscheidet sich daher von den in der Studie von 2015 identifizierten musik- und sprachselektiven Populationen.
„In unserer vorherigen Studie haben wir sechs verschiedene Reaktionsmuster entdeckt, von denen zwei selektiv auf Sprache und Musik reagierten und vier davon Reaktionen aufwiesen, die mit standardmäßigen akustischen Maßen (z. B. Tonfrequenz) korrelierten. „Hier haben wir außerdem eine neuronale Reaktion entdeckt, die selektiv auf das Singen reagiert“, betont der Experte.
Musik im Gehirn
Im zweiten Teil ihrer Studie entwickelten die Forscher eine mathematische Methode, um die Daten der intrakraniellen Scans mit den fMRT-Daten ihrer Studie aus dem Jahr 2015 zu kombinieren. Da die MRT einen viel größeren Teil des Gehirns abdecken kann, konnten sie die Orte der Neuronenpopulationen, die auf Gesang reagieren, genauer bestimmen.
„Diese Art der Kombination von ECoG und fMRT ist ein wichtiger methodischer Fortschritt“, sagt Josh McDermott , außerordentlicher Professor in der Abteilung für Gehirn- und Kognitionswissenschaften am MIT. „Viele Leute haben in den letzten 10 oder 15 Jahren ein EKG gemacht, aber sie waren immer durch das Problem der Knappheit an Aufzeichnungen eingeschränkt. „Samuel Norman-Haignere ist wirklich der Erste, der herausgefunden hat, wie man die verbesserte Auflösung von Elektrodenaufzeichnungen mit fMRT-Daten kombinieren kann, um eine bessere Lokalisierung globaler Reaktionen zu erreichen.“
Ihre Position legt nahe, dass diese Neuronen auf Merkmale wie Wortinteraktion oder wahrgenommenen Ton reagieren können, bevor sie Informationen zur weiteren Verarbeitung an andere Teile des Gehirns senden.
Diese Population gesangsselektiver Neuronen befindet sich im oberen Teil des Temporallappens , in der Nähe von Regionen, die für Sprache und Musik selektiv sind . Ihre Position legt nahe, dass diese Neuronen auf Merkmale wie die wahrgenommene Tonhöhe oder die Interaktion zwischen Wörtern und wahrgenommener Tonhöhe reagieren können, bevor sie die Informationen zur weiteren Verarbeitung an andere Teile des Gehirns senden, erklären die Wissenschaftler.
Die Forscher hoffen, mehr darüber zu erfahren, welche Aspekte des Gesangs die Reaktionen dieser Neuronen steuern. Darüber hinaus wollen sie gemeinsam mit dem Labor von MIT-Professorin Rebecca Saxe untersuchen, ob Babys selektive Bereiche für Musik haben, in der Hoffnung, mehr darüber zu erfahren, wann und wie sich diese Gehirnregionen entwickeln.
Referenz:
Samuel Norman-Haignere et al. (2022) „Eine für Gesang selektive neuronale Population im menschlichen auditorischen Kortex“. Aktuelle Biologie . DOI: 10.1016/j.cub.2022.01.069
