Po raz pierwszy neuronaukowcy z MIT zidentyfikowali populację neuronów w ludzkim mózgu, które zapalają się, gdy słyszymy śpiew, ale nie inne rodzaje muzyki.
Neurony te, znajdujące się w korze słuchowej, wydają się reagować na specyficzną kombinację głosu i muzyki, ale nie na zwykłą mowę czy muzykę instrumentalną. Dokładnie to, co robią, jest nieznane i będzie wymagało więcej pracy, aby to odkryć, jak twierdzą naukowcy.
„Praca dostarcza dowodów na stosunkowo drobną segregację funkcji w korze słuchowej, w sposób, który jest zgodny z intuicyjnym rozróżnieniem w muzyce” – mówi Sam Norman-Haignere, były podoktorat MIT, który jest obecnie adiunktem w dziedzinie neurologii w Centrum Medycznym Uniwersytetu Rochester.
Praca opiera się na badaniu z 2015 roku, w którym ten sam zespół badawczy wykorzystał obrazowanie metodą funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (fMRI) do zidentyfikowania populacji neuronów w korze słuchowej mózgu, które reagują specyficznie na muzykę. W nowej pracy naukowcy wykorzystali zapisy aktywności elektrycznej wykonane na powierzchni mózgu, co dało im znacznie dokładniejsze informacje niż fMRI.
„Istnieje jedna populacja neuronów, która reaguje na śpiew, a bardzo blisko znajduje się inna populacja neuronów, która reaguje szeroko na dużo muzyki. W skali fMRI są one tak blisko, że nie można ich rozplątać, ale w przypadku wewnątrzczaszkowych nagrań, uzyskujemy dodatkową rozdzielczość i wierzymy, że to pozwoliło nam je rozróżnić” – mówi Norman-Haignere.
Norman-Haignere jest głównym autorem badania, które ukazało się w czasopiśmie Current Biology. Josh McDermott, profesor nadzwyczajny nauk o mózgu i kognitywistyce, oraz Nancy Kanwisher, profesor neuronauki kognitywnej Waltera A. Rosenblitha, obaj członkowie McGovern Institute for Brain Research oraz Center for Brains, Minds and Machines (CBMM) są starszymi autorzy badania.
W badaniu z 2015 roku naukowcy wykorzystali fMRI do skanowania mózgów uczestników, którzy słuchali zbioru 165 dźwięków, w tym różnych rodzajów mowy i muzyki, a także codziennych dźwięków, takich jak stukanie palcami lub szczekanie psa. Na potrzeby tego badania naukowcy opracowali nowatorską metodę analizy danych fMRI, która pozwoliła im zidentyfikować sześć populacji neuronowych o różnych wzorcach reakcji, w tym populację selektywną muzycznie i inną populację, która reaguje selektywnie na mowę.
W nowym badaniu naukowcy mieli nadzieję na uzyskanie danych o wyższej rozdzielczości przy użyciu techniki znanej jako elektrokortykografia (ECoG), która umożliwia rejestrowanie aktywności elektrycznej za pomocą elektrod umieszczonych wewnątrz czaszki. Daje to znacznie dokładniejszy obraz aktywności elektrycznej w mózgu w porównaniu z fMRI, które mierzy przepływ krwi w mózgu jako wskaźnik aktywności neuronów.
„W przypadku większości metod stosowanych w neuronauce poznawczej człowieka nie można zobaczyć reprezentacji neuronowych” — mówi Kanwisher. „Większość danych, które możemy zebrać, może nam powiedzieć, że jest to kawałek mózgu, który coś robi, ale to dość ograniczone. Chcemy wiedzieć, co jest tam reprezentowane”.
Elektrokortykografii nie można zwykle wykonywać u ludzi, ponieważ jest to procedura inwazyjna, ale często stosuje się ją do monitorowania pacjentów z padaczką, którzy mają przejść operację leczenia napadów padaczkowych. Pacjenci są monitorowani przez kilka dni, aby przed operacją lekarze mogli ustalić, skąd biorą się ich napady padaczkowe. W tym czasie, jeśli pacjenci wyrażą zgodę, mogą uczestniczyć w badaniach, które obejmują pomiar aktywności ich mózgu podczas wykonywania określonych zadań. Na potrzeby tego badania zespół MIT był w stanie zebrać dane od 15 uczestników przez kilka lat.
W przypadku tych uczestników naukowcy odtwarzali ten sam zestaw 165 dźwięków, którego użyli we wcześniejszym badaniu fMRI. Lokalizacja elektrod każdego pacjenta była określana przez ich chirurgów, więc niektórzy nie odbierali żadnych odpowiedzi na sygnały dźwiękowe, ale wielu tak. Wykorzystując nowatorską analizę statystyczną, którą opracowali, naukowcy byli w stanie wywnioskować typy populacji neuronów, które wytworzyły dane rejestrowane przez każdą elektrodę.
„Kiedy zastosowaliśmy tę metodę do tego zestawu danych, pojawił się ten wzorzec odpowiedzi neuronalnej, który reagował tylko na śpiew” – mówi Norman-Haignere. „To było odkrycie, którego naprawdę się nie spodziewaliśmy, więc bardzo uzasadnia cały punkt podejścia, który polega na ujawnieniu potencjalnie nowatorskich rzeczy, których możesz nie szukać”.
Ta specyficzna dla piosenki populacja neuronów wykazała bardzo słabe reakcje na mowę lub muzykę instrumentalną, a zatem różni się od populacji selektywnych względem muzyki i mowy zidentyfikowanych w ich badaniu z 2015 roku.
Muzyka w mózgu
W drugiej części badania naukowcy opracowali matematyczną metodę łączenia danych z nagrań wewnątrzczaszkowych z danymi fMRI z badania z 2015 roku. Ponieważ fMRI może objąć znacznie większą część mózgu, umożliwiło im to dokładniejsze określenie lokalizacji populacji neuronów, które reagują na śpiew.
„Ten sposób łączenia ECoG i fMRI jest znaczącym postępem metodologicznym” – mówi McDermott. „Wiele osób robiło ECoG w ciągu ostatnich 10 lub 15 lat, ale zawsze ograniczała go kwestia rzadkości nagrań. Sam jest naprawdę pierwszą osobą, która odkryła, jak połączyć lepszą rozdzielczość elektrody nagrania z danymi fMRI, aby uzyskać lepszą lokalizację ogólnych odpowiedzi”.
Znaleziony hotspot specyficzny dla utworu znajduje się w górnej części płata skroniowego, w pobliżu regionów, które są selektywne dla języka i muzyki. Ta lokalizacja sugeruje, że populacja specyficzna dla utworu może reagować na takie cechy, jak postrzegana tonacja lub interakcja między słowami a postrzeganą tonacją, zanim wyśle informacje do innych części mózgu w celu dalszego przetwarzania, twierdzą naukowcy.
Naukowcy mają teraz nadzieję dowiedzieć się więcej o tym, jakie aspekty śpiewu kierują odpowiedziami tych neuronów. Współpracują również z laboratorium profesor Rebecca Saxe z MIT, aby zbadać, czy niemowlęta mają obszary selektywne pod względem muzycznym, w nadziei, że dowiedzą się więcej o tym, kiedy i jak rozwijają się te obszary mózgu.
