Un team di neuroscienziati del Massachusetts Institute of Technology ha identificato, per la prima volta, una popolazione di neuroni nella corteccia uditiva del cervello umano che risponde solo alla voce cantata e non alla voce parlata o alla musica strumentale.
Per la prima volta, i neuroscienziati del Massachusetts Institute of Technology negli Stati Uniti ( MIT ) hanno identificato una popolazione di neuroni nel cervello umano che si illumina quando sentiamo cantare, ma non altri tipi di musica.
Questi neuroni, presenti nella corteccia uditiva , sembrano rispondere alla combinazione specifica di voce e musica (o voce cantata melodiosa), ma non al parlato normale o alla musica strumentale . I ricercatori affermano che ciò che fanno esattamente non è noto e che sarà necessario lavorare ancora per scoprirlo.
“Questo studio rivela alcune delle dimensioni di risposta dominanti che organizzano la corteccia uditiva umana, che è molto importante per comprendere e modellare i meccanismi neurali dell’elaborazione uditiva”, ha affermato il primo firmatario dello studio, Samuel Norman- Haignere , ex postdoc al MIT e ricercatore. ora assistente professore di neuroscienze presso l’ Università di Rochester Medical Center (USA).
Il lavoro suggerisce anche che le rappresentazioni musicali siano frazionate in popolazioni neuronali distinte che rispondono selettivamente a diversi tipi di musica. Samuel Norman-Haignere, autore principale
“Il lavoro suggerisce anche che le rappresentazioni musicali sono frazionate in popolazioni neuronali distinte che rispondono selettivamente a diversi tipi di musica. Capire come e perché si sviluppa questa organizzazione è una questione importante per la ricerca futura», aggiunge l’esperto.
Lo studio, pubblicato oggi sulla rivista Current Biology , si basa su un lavoro del 2015 in cui lo stesso gruppo di ricerca ha utilizzato la risonanza magnetica funzionale (fMRI) per identificare una popolazione di neuroni nella corteccia uditiva del cervello che risponde specificamente alla musica. Nella nuova ricerca, gli scienziati hanno utilizzato misurazioni dell’attività elettrica effettuate sulla superficie del cervello, che hanno fornito informazioni molto più precise rispetto alla fMRI.
“C’è una popolazione di neuroni che risponde al canto, e molto vicina ce n’è un’altra che risponde ampiamente a una grande quantità di musica. Sulla scala fMRI, sono così vicini che non possono essere separati, ma con le misurazioni intracraniche otteniamo una risoluzione aggiuntiva, e questo è ciò che pensiamo ci abbia permesso di distinguerli”, afferma Norman-Haignere.
Combinazione di tecniche
Nello studio del 2015, i neuroscienziati hanno utilizzato la fMRI per scansionare il cervello dei partecipanti mentre ascoltavano una raccolta di 165 suoni, inclusi diversi tipi di discorso e musica, nonché suoni quotidiani come il tocco di un dito o il tocco. abbaiare di un cane Grazie a questa ricerca, gli scienziati hanno identificato sei popolazioni neurali con diversi modelli di risposta, tra cui una popolazione selettiva per la musica e un’altra popolazione che risponde selettivamente al parlato.
Ora, nel loro nuovo lavoro, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica nota come elettrocorticografia (ECoG), per ottenere dati a risoluzione più elevata. Questa tecnica consente di registrare l’attività elettrica utilizzando elettrodi posizionati direttamente sulla superficie del cervello, fornendo un quadro molto più accurato dell’attività elettrica nel cervello rispetto alla fMRI, che misura il flusso sanguigno nel cervello come indicatore dell’attività neurale.
Una delle innovazioni metodologiche dello studio è stata quella di sviluppare una tecnica per combinare la precisione dell’elettrocorticografia con la densa copertura spaziale della fMRI.
"Con la maggior parte dei metodi di neuroscienza cognitiva umana, non è possibile vedere le rappresentazioni neurali", spiega Nancy Kanwisher , professoressa di neuroscienze cognitive e membro del McGovern Institute for Brain Research e del Center for Brains, Minds, and Machines ( CBMM ). dal MIT. “La maggior parte dei dati che possiamo raccogliere ci dicono che c’è una parte del cervello che fa qualcosa, ma si tratta di un metodo piuttosto limitato. "Vogliamo sapere cosa è rappresentato lì."
L’elettrocorticografia normalmente non può essere eseguita sugli esseri umani perché è una procedura invasiva, ma viene spesso utilizzata per monitorare i pazienti con epilessia che stanno per sottoporsi a un intervento chirurgico per curare le loro convulsioni. Le persone vengono monitorate per diversi giorni in modo che i medici possano determinare da dove hanno origine gli attacchi prima di operare. Durante questo periodo, se i pazienti sono d’accordo, possono partecipare a studi che misurano la loro attività cerebrale mentre svolgono determinati compiti. Per questo lavoro, il team del MIT è riuscito a raccogliere dati da 15 partecipanti nel corso di diversi anni.
“L’ECoG fornisce una misura molto più precisa della risposta neurale, ma le opportunità di registrare le risposte sono scarse e la copertura è molto peggiore della fMRI, poiché gli elettrodi vengono impiantati per ragioni cliniche (principalmente per localizzare i focolai delle crisi epilettiche). )”, spiega Norman-Haignere al SINC. “Una delle innovazioni metodologiche dello studio è stata quella di sviluppare una tecnica per combinare la precisione dell’ECoG con la densa copertura spaziale delle risposte fMRI”, aggiunge.
Scoperta di una nuova popolazione neuronale
Per questi partecipanti, i ricercatori hanno riprodotto la stessa serie di 165 suoni utilizzati nello studio precedente. Il posizionamento degli elettrodi di ciascun paziente è stato determinato dai chirurghi, quindi alcuni non hanno rilevato alcuna risposta all’input uditivo, ma molti sì. Attraverso una nuova analisi statistica sviluppata, gli esperti sono stati in grado di dedurre i tipi di popolazioni neuronali che hanno prodotto i dati registrati da ciascun elettrodo.
Analizzando i dati, gli scienziati hanno osservato un modello di risposta neurale che rispondeva solo al canto. Pertanto, questa popolazione era distinta dalle popolazioni selettive per la musica e il linguaggio identificate nel 2015.
"Quando abbiamo applicato questo metodo al set di dati, è emerso questo modello di risposta neurale che rispondeva solo al canto ." È stata una scoperta che davvero non ci aspettavamo, quindi giustifica ampiamente l’obiettivo del metodo, che è quello di rivelare cose potenzialmente nuove”, afferma Norman-Haignere.
Quella popolazione di neuroni aveva risposte molto deboli al parlato o alla musica strumentale, ed è quindi distinta dalle popolazioni selettive per la musica e il parlato identificate nella ricerca del 2015.
“Nel nostro studio precedente, abbiamo scoperto sei diversi modelli di risposta, due dei quali rispondevano selettivamente al parlato e alla musica, e quattro dei quali avevano risposte correlate con misure acustiche standard (ad esempio, la frequenza del suono). Qui abbiamo inoltre scoperto una risposta neurale che rispondeva selettivamente al canto», sottolinea l’esperto.
La musica nel cervello
Nella seconda parte del loro studio, i ricercatori hanno ideato un metodo matematico per combinare i dati delle scansioni intracraniche con i dati fMRI del loro studio del 2015. Poiché la risonanza magnetica può coprire una porzione molto più ampia del cervello, ciò ha permesso loro di determinare con maggiore precisione la posizione delle popolazioni neuronali che rispondono al canto.
"Questo modo di combinare ECoG e fMRI rappresenta un importante progresso metodologico", afferma Josh McDermott , professore associato presso il dipartimento di Scienze del cervello e cognitive del MIT. “Molte persone hanno fatto ECoG negli ultimi 10 o 15 anni, ma sono sempre state limitate da questo problema della scarsità di registrazioni. “Samuel Norman-Haignere è davvero la prima persona che ha capito come combinare la migliore risoluzione delle registrazioni degli elettrodi con i dati fMRI per ottenere una migliore localizzazione delle risposte globali”.
La loro posizione suggerisce che questi neuroni possono rispondere a caratteristiche come l’interazione delle parole o il tono percepito, prima di inviare informazioni ad altre parti del cervello per un’ulteriore elaborazione.
Questa popolazione di neuroni selettivi per il canto si trova nella parte superiore del lobo temporale , vicino a regioni selettive per il linguaggio e la musica . La loro posizione suggerisce che questi neuroni possono rispondere a caratteristiche come il tono percepito, o l’interazione tra le parole e il tono percepito, prima di inviare le informazioni ad altre parti del cervello per un’ulteriore elaborazione, spiegano gli scienziati.
I ricercatori sperano di saperne di più su quali aspetti del canto guidano le risposte di questi neuroni. Inoltre, insieme al laboratorio della professoressa del MIT Rebecca Saxe, intendono studiare se i bambini hanno aree selettive per la musica, nella speranza di saperne di più su quando e come si sviluppano queste regioni del cervello.
Riferimento:
Samuel Norman-Haignere et al. (2022) “Una popolazione neurale selettiva per il canto nella corteccia uditiva umana”. Biologia attuale . DOI: 10.1016/j.cub.2022.01.069
