Новое исследование Центра музыки в мозге при Орхусском университете и Центра эвдемонии и человеческого процветания при Оксфордском университете показало, что наш мозг обрабатывает музыку посредством определенной иерархической активации нескольких регионов. Результаты, опубликованные в Nature Communications , дают новое представление о нейронных механизмах, лежащих в основе нашей способности предвидеть и распознавать знакомые мелодии.
Хотя предыдущие исследования установили иерархическую организацию слухового восприятия, они в основном были сосредоточены на элементарных слуховых стимулах и автоматических предсказательных процессах. Однако гораздо меньше известно о том, как эта информация интегрируется со сложными когнитивными функциями, такими как осознанное распознавание и предсказание последовательностей с течением времени. Исследуя эти механизмы, исследователи стремились раскрыть новые идеи о том, как наш мозг справляется со сложными слуховыми задачами.
«Мой интерес к этой теме возник во время моего междисциплинарного образования. В детстве я увлекался как наукой, так и футболом, но в конечном итоге посвятил себя глубокому изучению классической гитары. В возрасте от 18 до 22 лет я выступал на нескольких концертах и преподавал игру на гитаре. Однако я понял, что моя детская страсть к науке зовет меня обратно», — сказал автор исследования Леонардо Бонетти из Орхусского университета и Оксфордского университета. «Сначала я перешел к изучению психологии, а затем перешел в нейронауку, с особым интересом к аналитическим методам. Во время учебы я обнаружил, что музыка может служить мощным инструментом для исследования определенных особенностей мозга, которые сложно понять с помощью немузыкальных стимулов. Это потому, что музыка состоит из серии иерархических звуков, расположенных во времени, что делает ее прекрасным средством для исследования того, как мозг сознательно обрабатывает информацию в течение периодов».
В исследовании приняли участие 83 участника в возрасте от 19 до 63 лет, все из которых имели нормальный слух и преимущественно имели университетское образование. Участникам сначала представили короткое музыкальное произведение, а именно первые четыре такта Прелюдии № 2 до минор Иоганна Себастьяна Баха, BWV 847. Они прослушали это произведение дважды и должны были его запомнить.
После этой фазы запоминания участники были подвергнуты заданию на слуховое распознавание, в то время как их мозговая активность регистрировалась с помощью магнитоэнцефалографии (МЭГ). МЭГ — это неинвазивный метод визуализации, который фиксирует магнитные поля, создаваемые нейронной активностью, обеспечивая точное временное и пространственное разрешение.
Задача распознавания состояла из 135 пятитоновых музыкальных последовательностей, некоторые из которых были идентичны оригинальному произведению, а другие систематически варьировались. Эти вариации вводились в разных точках последовательности, чтобы наблюдать, как мозг реагирует на изменения в знакомых шаблонах.
Бонетти и его коллеги обнаружили, что когда участники узнавали исходные запомненные последовательности, их мозговая активность следовала определенному иерархическому шаблону. Этот шаблон начинался в слуховой коре, области, отвечающей за обработку базовой звуковой информации, и распространялся на гиппокамп и поясную извилину, области, связанные с памятью и когнитивной оценкой.
Когда в последовательности вносились изменения, мозг генерировал ошибки предсказания. Эти ошибки начинались в слуховой коре, а затем распространялись на гиппокамп, переднюю поясную извилину и вентромедиальную префронтальную кору. Примечательно, что передняя поясная извилина и вентромедиальная префронтальная кора демонстрировали самые сильные реакции при внесении изменений.
Исследование также выявило последовательную иерархию мозга, характеризующуюся связями прямой и обратной связи. Были обнаружены связи прямой связи от слуховой коры к гиппокампу и поясной извилине, а также одновременные связи обратной связи в противоположном направлении.
Эта иерархическая организация была последовательной как для ранее запомненных, так и для измененных последовательностей, хотя сила и время ответов мозга различались. Это говорит о том, что хотя общая структура обработки мозга остается стабильной, динамика меняется в зависимости от того, знакома ли последовательность или нова.
«Наше исследование показывает, что мозг обрабатывает музыку (и информацию с течением времени), активируя несколько областей мозга в определенном иерархическом порядке», — сказал Бонетти. «Изначально сенсорные области, такие как слуховая кора, обрабатывают основные звуковые характеристики. Затем эта информация передается в более крупную сеть областей, которые, как утверждается, анализируют звуки более глубоко, включая отношения между ними (например, музыкальные интервалы). Этот процесс помогает мозгу определить, является ли последовательность звуков знакомой или новой».
Это исследование не только объясняет, как мы воспринимаем музыку, но и дает представление о том, как мозг обрабатывает и распознает информацию с течением времени. На практическом уровне будущие исследования могут быть сосредоточены на изучении этого явления при старении, как здоровом, так и патологическом (например, при деменции). Используя музыку, передовые нейробиологические инструменты и аналитические методы, мы можем получить более глубокое понимание деменции и расстройств памяти.
Бонетти сказал, что долгосрочными целями этого исследования являются разработка инструментов скрининга деменции, основанных на реакциях мозга на музыку, и улучшение методов сбора данных путем интеграции МЭГ с внутричерепными записями для более полного понимания механизмов музыкальной памяти.
«Изучая старение и деменцию с течением времени, я стремлюсь разработать инструменты скрининга, основанные на реакциях мозга во время распознавания музыки. Эти инструменты могли бы предсказать риск развития деменции у пожилых людей», — пояснил он. «Во-вторых, я хочу расширить наши методы сбора данных. В настоящее время мы используем магнитоэнцефалографию (МЭГ), которая является прекрасным неинвазивным инструментом, но не имеет возможности глубоко фокусироваться в мозге. В будущем я планирую интегрировать МЭГ с внутричерепными записями с электродов, имплантированных пациентам с эпилепсией. Эта комбинация поможет нам понять мозговые механизмы, участвующие в музыкальной памяти в более широком диапазоне временных и пространственных масштабов».
