Une équipe de neuroscientifiques du Massachusetts Institute of Technology a identifié, pour la première fois, une population de neurones dans le cortex auditif du cerveau humain qui réagit uniquement à la voix chantée, et non à la voix parlée ou à la musique instrumentale.
Pour la première fois, des neuroscientifiques du Massachusetts Institute of Technology aux États-Unis ( MIT ) ont identifié une population de neurones dans le cerveau humain qui s’allument lorsque nous entendons du chant, mais pas d’autres types de musique.
Ces neurones, situés dans le cortex auditif , semblent réagir à la combinaison spécifique de voix et de musique (ou de voix chantée mélodieuse), mais pas à la parole normale ou à la musique instrumentale . Les chercheurs disent que ce qu’ils font exactement est inconnu et qu’il faudra faire davantage de travail pour le découvrir.
"Cette étude révèle certaines des dimensions de réponse dominantes qui organisent le cortex auditif humain, ce qui est très important pour comprendre et modéliser les mécanismes neuronaux du traitement auditif", a déclaré le premier signataire de l’étude, Samuel Norman- Haignere , ancien postdoctorant au MIT et aujourd’hui professeur adjoint de neurosciences au centre médical de l’université de Rochester (États-Unis).
Les travaux suggèrent également que les représentations musicales sont fractionnées en populations neuronales distinctes qui répondent sélectivement à différents types de musique. Samuel Norman-Haignere, auteur principal
« Les travaux suggèrent également que les représentations musicales sont fractionnées en populations neuronales distinctes qui répondent sélectivement à différents types de musique. Comprendre comment et pourquoi cette organisation se développe est une question importante pour les recherches futures », ajoute l’expert.
L’étude, publiée aujourd’hui dans la revue Current Biology , s’appuie sur des travaux de 2015 dans lesquels la même équipe de recherche a utilisé l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) pour identifier une population de neurones dans le cortex auditif du cerveau qui répond spécifiquement à la musique. Dans la nouvelle recherche, les scientifiques ont utilisé des mesures de l’activité électrique prises à la surface du cerveau, ce qui leur a fourni des informations beaucoup plus précises que l’IRMf.
« Il existe une population de neurones qui réagissent au chant, et tout près, il y en a une autre qui réagit largement à une grande quantité de musique. Sur l’échelle IRMf, ils sont si proches qu’ils ne peuvent pas être séparés, mais avec les mesures intracrâniennes, nous obtenons une résolution supplémentaire, et c’est ce qui, selon nous, nous a permis de les distinguer », explique Norman-Haignere.
Combinaison de techniques
Dans l’étude de 2015, les neuroscientifiques ont utilisé l’IRMf pour scanner le cerveau des participants pendant qu’ils écoutaient une collection de 165 sons, y compris différents types de parole et de musique, ainsi que des sons quotidiens comme taper du doigt ou taper du doigt. aboiement d’un chien Grâce à cette recherche, les scientifiques ont identifié six populations neuronales avec des modèles de réponse différents, dont une population sélective pour la musique et une autre population qui répond sélectivement à la parole.
Désormais, dans leurs nouveaux travaux, les chercheurs ont utilisé une technique connue sous le nom d’électrocorticographie (ECoG), afin d’obtenir des données à plus haute résolution. Cette technique permet d’enregistrer l’activité électrique à l’aide d’électrodes placées directement sur la surface du cerveau, fournissant ainsi une image beaucoup plus précise de l’activité électrique dans le cerveau par rapport à l’IRMf, qui mesure le flux sanguin dans le cerveau comme indicateur de l’activité neuronale.
L’une des innovations méthodologiques de l’étude a été de développer une technique combinant la précision de l’électrocorticographie avec la couverture spatiale dense de l’IRMf.
"Avec la plupart des méthodes de neurosciences cognitives humaines, vous ne pouvez pas voir les représentations neuronales", explique Nancy Kanwisher , professeur de neurosciences cognitives et membre du McGovern Institute for Brain Research et du Center for Brains, Minds, and Machines ( CBMM ). du MIT. « La plupart des données que nous pouvons collecter nous indiquent qu’il existe une partie du cerveau qui fait quelque chose, mais qui est assez limité. "Nous voulons savoir ce qui y est représenté."
L’électrocorticographie ne peut normalement pas être réalisée sur des humains car il s’agit d’une procédure invasive, mais elle est souvent utilisée pour surveiller les patients épileptiques qui sont sur le point de subir une intervention chirurgicale pour traiter leurs crises. Les personnes sont surveillées pendant plusieurs jours afin que les médecins puissent déterminer l’origine des crises avant d’opérer. Pendant ce temps, si les patients sont d’accord, ils peuvent participer à des études qui mesurent leur activité cérébrale pendant qu’ils effectuent certaines tâches. Pour ce travail, l’équipe du MIT a pu collecter les données de 15 participants sur plusieurs années.
« L’ECoG fournit une mesure beaucoup plus précise de la réponse neuronale, mais les possibilités d’enregistrer les réponses sont rares et la couverture est bien pire que celle de l’IRMf, puisque les électrodes sont implantées pour des raisons cliniques (principalement pour localiser les foyers de crises d’épilepsie). ) », explique Norman-Haignere au SINC. "L’une des innovations méthodologiques de l’étude a été de développer une technique permettant de combiner la précision de l’ECoG avec la couverture spatiale dense des réponses IRMf", ajoute-t-il.
Découverte d’une nouvelle population neuronale
Pour ces participants, les chercheurs ont joué le même ensemble de 165 sons que ceux utilisés dans l’étude précédente. L’emplacement des électrodes de chaque patient était déterminé par leurs chirurgiens, de sorte que certains n’ont détecté aucune réponse aux signaux auditifs, mais beaucoup l’ont fait. Grâce à une nouvelle analyse statistique développée, les experts ont pu déduire les types de populations neuronales qui produisaient les données enregistrées par chaque électrode.
Lors de l’analyse des données, les scientifiques ont observé un modèle de réponse neuronale qui ne répondait qu’au chant. Par conséquent, cette population était distincte des populations sélectives en matière de musique et de parole identifiées en 2015.
"Lorsque nous avons appliqué cette méthode à l’ensemble de données, ce modèle de réponse neuronale est apparu et ne répondait qu’au chant ." C’est une découverte à laquelle on ne s’attendait vraiment pas et qui justifie donc largement l’objectif de la méthode, qui est de révéler des choses potentiellement inédites », explique Norman-Haignere.
Cette population de neurones avait des réponses très faibles à la parole ou à la musique instrumentale et est donc distincte des populations sélectives de musique et de parole identifiées dans la recherche de 2015.
"Dans notre étude précédente, nous avons découvert six modèles de réponse différents, dont deux répondaient sélectivement à la parole et à la musique, et quatre d’entre eux avaient des réponses corrélées avec des mesures acoustiques standard (par exemple, la fréquence sonore). Ici, en outre, nous avons découvert une réponse neuronale qui répondait de manière sélective au chant », souligne l’expert.
La musique dans le cerveau
Dans la deuxième partie de leur étude, les chercheurs ont conçu une méthode mathématique pour combiner les données des scintigraphies intracrâniennes avec les données IRMf de leur étude de 2015. Puisque l’IRM peut couvrir une partie beaucoup plus grande du cerveau, cela leur a permis de déterminer avec une plus grande précision l’emplacement des populations neuronales qui répondent au chant.
"Cette façon de combiner ECoG et IRMf constitue une avancée méthodologique importante", déclare Josh McDermott , professeur agrégé au département des sciences du cerveau et des sciences cognitives du MIT. « Beaucoup de gens ont fait des ECoG ces 10 ou 15 dernières années, mais ils ont toujours été limités par ce problème de rareté des enregistrements. "Samuel Norman-Haignere est vraiment la première personne à avoir compris comment combiner la résolution améliorée des enregistrements d’électrodes avec les données d’IRMf pour obtenir une meilleure localisation des réponses globales."
Leur emplacement suggère que ces neurones peuvent répondre à des caractéristiques telles que l’interaction des mots ou le ton perçu, avant d’envoyer des informations à d’autres parties du cerveau pour un traitement ultérieur.
Cette population de neurones sélectifs pour le chant est située dans la partie supérieure du lobe temporal , à proximité des régions sélectives pour le langage et la musique . Leur emplacement suggère que ces neurones peuvent répondre à des caractéristiques telles que la hauteur perçue ou l’interaction entre les mots et la hauteur perçue, avant d’envoyer l’information à d’autres parties du cerveau pour un traitement ultérieur, expliquent les scientifiques.
Les chercheurs espèrent en savoir plus sur les aspects du chant qui déterminent les réponses de ces neurones. De plus, en collaboration avec le laboratoire de Rebecca Saxe, professeur au MIT, ils ont l’intention d’étudier si les bébés possèdent des zones sélectives pour la musique, dans l’espoir d’en apprendre davantage sur le moment et la manière dont ces régions du cerveau se développent.
Référence:
Samuel Norman-Haignere et al. (2022) « Une population neuronale sélective pour le chant dans le cortex auditif humain ». Biologie actuelle . DOI : 10.1016/j.cub.2022.01.069
