FMRI Mapping of Brain Activity Associated met de Vocal Production of Consonant en Dissonant Intervals
Summary
De neurale correlaten van het luisteren naar consonante en dissonante intervallen zijn in grote mate bestudeerd, maar de neurale mechanismen die verband houden met de productie van consonante en dissonante intervallen zijn minder bekend. In dit artikel worden gedragstesten en fMRI gecombineerd met intervalidentificatie en zangtaken om deze mechanismen te beschrijven.
Abstract
De neurale correlaten van consonantie en dissonantie perceptie zijn veelal bestudeerd, maar niet de neurale correlaten van consonantie en dissonantie productie. De meest eenvoudige manier van muzikale productie zingt, maar vanuit een beeldvormend perspectief is het nog steeds meer uitdagingen dan luisteren omdat het motoractiviteit betreft. De nauwkeurige zang van muzikale intervallen vereist integratie tussen auditieve feedbackverwerking en vocale motorbesturing om elke notitie correct te produceren. Dit protocol presenteert een methode die het mogelijk maakt om neurale activaties die verband houden met de vocale productie van consonante en dissonante intervallen toe te staan. Vier muzikale intervallen, twee consonant en twee dissonante, worden gebruikt als stimuli, zowel voor een auditieve discriminatie test en een taak die de eerste luistert en vervolgens de gegeven intervallen reproduceert. Deelnemers, alle vrouwelijke vocale studenten op het conservatorium niveau, werden onderzocht met behulp van functionele Magnetic ResOnance Imaging (fMRI) tijdens de uitvoering van de zangtaak, met de luistertaak die als controle conditie dient. Op deze manier werd de activiteit van zowel de motor- als auditieve systemen waargenomen en werd ook een mate van vocale nauwkeurigheid tijdens de zangtaak verkregen. Zo kan het protocol ook gebruikt worden om activaties bij te houden die samenhangen met het zingen van verschillende soorten intervallen of met de vereiste notities nauwkeuriger te zingen. De resultaten wijzen erop dat zangende dissonante intervallen een grotere deelname nodig hebben van de neurale mechanismen die verantwoordelijk zijn voor de integratie van externe feedback van de auditieve en sensorimotorische systemen dan het zingen van consonantintervallen.
Introduction
Bepaalde combinaties van muzikale toonhoogtes worden in het algemeen erkend als consonant, en ze zijn typisch geassocieerd met een aangename sensatie. Andere combinaties worden doorgaans aangeduid als dissonant en zijn geassocieerd met een onaangenaam of onopgelost gevoel 1 . Hoewel het verstandig is om aan te nemen dat enculturatie en training een rol spelen in de perceptie van consonantie 2 , is onlangs aangetoond dat de verschillen in perceptie van consonante en dissonante intervallen en akkoorden waarschijnlijk minder afhankelijk zijn van de muzikale cultuur dan eerder werd gedacht 3 en mei Zelfs afkomstig van eenvoudige biologische bases 4 , 5 , 6 . Ter voorkoming van een dubbelzinnig begrip van de term consonantie, introduceerde Terhardt 7 het begrip zintuiglijke consonantie, in tegenstelling tot consonantie in een muzikale context, Waar harmonie bijvoorbeeld de reactie op een bepaald akkoord of interval kan beïnvloeden. In het onderhavige protocol werden alleen geïsoleerde tweetentintervallen precies gebruikt om activaties uit te sluiten die uitsluitend verband houden met sensorische consonantie, zonder inmenging van contextafhankelijke verwerking 8 .
Pogingen om consonantie door middel van zuiver fysieke middelen te karakteriseren begon met Helmholtz 9 , die de waargenomen ruwheid geassocieerd met dissonante akkoorden toonde aan de kloof tussen aangrenzende frequentiecomponenten. Meer recent is echter aangetoond dat zintuiglijke consonantie niet alleen verband houdt met de afwezigheid van ruwheid, maar ook met harmoniciteit, dat wil zeggen de uitlijning van de gedeelten van een gegeven toon of akkoord met die van een ongehoorde toon van een Lagere frequentie 10 , 11 . Gedragsstudies bevestigen dat subjectieve consonantie inderdaad door pu beïnvloed wordtVertrouwen op fysieke parameters, zoals frequentieafstanden 12 , 13 , maar een breder scala aan studies heeft ongetwijfeld aangetoond dat fysieke verschijnselen niet alleen rekening kunnen houden met de verschillen tussen waargenomen consonantie en dissonantie 14 , 15 , 16 , 17 . Al deze studies rapporteren echter deze verschillen bij het luisteren naar een verscheidenheid aan intervallen of akkoorden. Een verscheidenheid aan studies met behulp van Positron Emission Tomography (PET) en functionele Magnetische Resonantie Imaging (fMRI) hebben significante verschillen in de corticale gebieden zichtbaar die actief worden bij het luisteren naar ofwel consonante of dissonante intervallen en akkoorden 8 , 18 , 19 , 20 . Het doel van de onderhavige studie is om de verschillen te onderzoekenIn de hersenactiviteit bij het produceren, in plaats van te luisteren, consonante en dissonante intervallen.
De studie van sensorische motorische controle tijdens muzikale productie houdt gewoonlijk het gebruik van muziekinstrumenten in, en vaak vereist het dan ook de fabricage van instrumenten die specifiek zijn aangepast voor hun gebruik tijdens neuroimaging 21 . Zingen lijken echter vanaf het begin een passend mechanisme te bieden voor de analyse van sensorische motorische processen tijdens de productie van muziek, aangezien het instrument de menselijke stem zelf is en het vocale apparaat geen aanpassing nodig heeft om geschikt te zijn gedurende Beeldvorming 22 . Hoewel de neurale mechanismen geassocieerd met zangaspecten, zoals pitchcontrole 23 , vocale imitatie 24 , trainingsgeïnduceerde adaptieve veranderingen 25 en de integratie van externe feedback 25 , <sUp class = "xref"> 26 , 27 , 28 , 29 , hebben de laatste twee decennia een aantal studies ondergaan, de neurale correlaten van zangcononant en dissonante intervallen werden pas kort beschreven 30 . Voor dit doel beschrijft het huidige document een gedragstest die is ontworpen om de adequate herkenning van consonante en dissonante intervallen door de deelnemers vast te stellen. Dit wordt gevolgd door een fMRI studie van deelnemers die een verscheidenheid aan consonant en dissonante intervallen zingen. Het fMRI-protocol is relatief eenvoudig, maar zoals bij alle MRI-onderzoeken moet er goed voor worden gezorgd dat de experimenten correct worden opgesteld. In dit geval is het bijzonder belangrijk om de hoofd-, mond- en lipbeweging tijdens zangtaken te minimaliseren, waardoor de identificatie van effecten die niet direct verband houden met de lichamelijke daad van zingen, eenvoudiger zijn. Deze methode kan gebruikt worden inVestig de neurale mechanismen in verband met een verscheidenheid aan activiteiten die muzikale productie door zingen betreffen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit werk beschrijft een protocol waarin zang wordt gebruikt als middel om de hersenactiviteit te bestuderen tijdens de productie van consonante en dissonante intervallen. Hoewel het zingen biedt wat mogelijk is de eenvoudigste methode voor de productie van muzikale intervallen 22 , staat het niet toe voor de productie van akkoorden. Hoewel de meeste fysieke karakteriseringen van het begrip consonantie in zekere mate afhankelijk zijn van de superpositie van gelijktijdige noten, hebben een aantal s…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs erkennen financiële steun voor dit onderzoek van Secretaría de Salud de México (HIM / 2011/058 SSA. 1009), CONACYT (SALUD-2012-01-182160) en DGAPA UNAM (PAPIIT IN109214).
Materials
| Achieva 1.5-T magnetic resonance scanner | Philips | Release 6.4 | |
| Audacity | Open source | 2.0.5 | |
| Audio interface | Tascam | US-144MKII | |
| Audiometer | Brüel & Kjaer | Type 1800 | |
| E-Prime Professional | Psychology Software Tools, Inc. | 2.0.0.74 | |
| Matlab | Mathworks | R2014A | |
| MRI-Compatible Insert Earphones | Sensimetrics | S14 | |
| Praat | Open source | 5.4.12 | |
| Pro audio condenser microphone | Shure | SM93 | |
| SPSS Statistics | IBM | 20 | |
| Statistical Parametric Mapping | Wellcome Trust Centre for Neuroimaging | 8 |
References
- Burns, E., Deutsch, D. . Intervals, scales, and tuning. The psychology of music. , 215-264 (1999).
- Lundin, R. W. Toward a cultural theory of consonance. J. Psychol. 23, 45-49 (1947).
- Fritz, T., Jentschke, S., et al. Universal recognition of three basic emotions in music. Curr. Biol. 19, 573-576 (2009).
- Schellenberg, E. G., Trehub, S. E. Frequency ratios and the discrimination of pure tone sequences. Percept. Psychophys. 56, 472-478 (1994).
- Trainor, L. J., Heinmiller, B. M. The development of evaluative responses to music. Infant Behav. Dev. 21 (1), 77-88 (1998).
- Zentner, M. R., Kagan, J. Infants’ perception of consonance and dissonance in music. Infant Behav. Dev. 21 (1), 483-492 (1998).
- Terhardt, E. Pitch, consonance, and harmony. J. Acoust. Soc. America. 55, 1061 (1974).
- Minati, L., et al. Functional MRI/event-related potential study of sensory consonance and dissonance in musicians and nonmusicians. Neuroreport. 20, 87-92 (2009).
- Helmholtz, H. L. F. . On the sensations of tone. , (1954).
- McDermott, J. H., Lehr, A. J., Oxenham, A. J. Individual differences reveal the basis of consonance. Curr. Biol. 20, 1035-1041 (2010).
- Cousineau, M., McDermott, J. H., Peretz, I. The basis of musical consonance as revealed by congenital amusia. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 109, 19858-19863 (2012).
- Plomp, R., Levelt, W. J. M. Tonal Consonance and Critical Bandwidth. J. Acoust. Soc. Am. 38, 548-560 (1965).
- Kameoka, A., Kuriyagawa, M. Consonance theory part I: Consonance of dyads. J. Acoust. Soc. Am. 45, 1451-1459 (1969).
- Tramo, M. J., Bharucha, J. J., Musiek, F. E. Music perception and cognition following bilateral lesions of auditory cortex. J. Cogn. Neurosci. 2, 195-212 (1990).
- Schellenberg, E. G., Trehub, S. E. Children’s discrimination of melodic intervals. Dev. Psychol. 32 (6), 1039-1050 (1996).
- Peretz, I., Blood, A. J., Penhune, V., Zatorre, R. J. Cortical deafness to dissonance. Brain. 124, 928-940 (2001).
- Mcdermott, J. H., Schultz, A. F., Undurraga, E. A., Godoy, R. A. Indifference to dissonance in native Amazonians reveals cultural variation in music perception. Nature. 535, 547-550 (2016).
- Blood, A. J., Zatorre, R. J., Bermudez, P., Evans, A. C. Emotional responses to pleasant and unpleasant music correlate with activity in paralimbic brain regions. Nat. Neurosci. 2, 382-387 (1999).
- Pallesen, K. J., et al. Emotion processing of major, minor, and dissonant chords: A functional magnetic resonance imaging study. Ann. N. Y. Acad. Sci. 1060, 450-453 (2005).
- Foss, A. H., Altschuler, E. L., James, K. H. Neural correlates of the Pythagorean ratio rules. Neuroreport. 18, 1521-1525 (2007).
- Limb, C. J., Braun, A. R. Neural substrates of spontaneous musical performance: An fMRI study of jazz improvisation. PLoS ONE. 3, (2008).
- Zarate, J. M. The neural control of singing. Front. Hum. Neurosci. 7, 237 (2013).
- Larson, C. R., Altman, K. W., Liu, H., Hain, T. C. Interactions between auditory and somatosensory feedback for voice F0 control. Exp. Brain Res. 187, 613-621 (2008).
- Belyk, M., Pfordresher, P. Q., Liotti, M., Brown, S. The neural basis of vocal pitch imitation in humans. J. Cogn. Neurosci. 28, 621-635 (2016).
- Kleber, B., Veit, R., Birbaumer, N., Gruzelier, J., Lotze, M. The brain of opera singers: Experience-dependent changes in functional activation. Cereb. Cortex. 20, 1144-1152 (2010).
- Jürgens, U. Neural pathways underlying vocal control. Neurosci. Biobehav. Rev. 26, 235-258 (2002).
- Kleber, B., Birbaumer, N., Veit, R., Trevorrow, T., Lotze, M. Overt and imagined singing of an Italian aria. Neuroimage. 36, 889-900 (2007).
- Kleber, B., Zeitouni, A. G., Friberg, A., Zatorre, R. J. Experience-dependent modulation of feedback integration during singing: role of the right anterior insula. J. Neurosci. 33, 6070-6080 (2013).
- Zarate, J. M., Zatorre, R. J. Experience-dependent neural substrates involved in vocal pitch regulation during singing. Neuroimage. 40, 1871-1887 (2008).
- González-García, N., González, M. A., Rendón, P. L. Neural activity related to discrimination and vocal production of consonant and dissonant musical intervals. Brain Res. 1643, 59-69 (2016).
- Oldfield, R. C. The assessment and analysis of handedness: The Edinburgh inventory. Neuropsychologia. 9, 97-113 (1971).
- Samuels, M. L., Witmer, J. A., Schaffner, A. . Statistics for the Life Sciences. , (2015).
- Eickhoff, S. B., et al. A new SPM toolbox for combining probabilistic cytoarchitectonic maps and functional imaging data. NeuroImage. 25, 1325-1335 (2005).
- Evans, A. C., Kamber, M., Collins, D. L., MacDonald, D., Shorvon, S. D., Fish, D. R., Andermann, F., Bydder, G. M., Stefan, H. An MRI-based probabilistic atlas of neuroanatomy. Magnetic Resonance Scanning and Epilepsy. 264, 263-274 (1994).
- Ashburner, J., et al. . SPM8 Manual. , (2013).
- Özdemir, E., Norton, A., Schlaug, G. Shared and distinct neural correlates of singing and speaking. Neuroimage. 33, 628-635 (2006).
- Brown, S., Ngan, E., Liotti, M. A larynx area in the human motor cortex. Cereb. Cortex. 18, 837-845 (2008).
- Worsley, K. J. Statistical analysis of activation images. Functional MRI: An introduction to methods. , 251-270 (2001).
- . FSL Atlases Available from: https://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki/Atlases (2015)
- Bidelman, G. M., Krishnan, A. Neural correlates of consonance, dissonance, and the hierarchy of musical pitch in the human brainstem. J. Neurosci. 29, 13165-13171 (2009).
- McLachlan, N., Marco, D., Light, M., Wilson, S. Consonance and pitch. J. Exp. Psychol. – Gen. 142, 1142-1158 (2013).
- Thompson, W. F., Deutsch, D. Intervals and scales. The psychology of music. , 107-140 (1999).
- Hurwitz, R., Lane, S. R., Bell, R. A., Brant-Zawadzki, M. N. Acoustic analysis of gradient-coil noise in MR imaging. Radiology. 173, 545-548 (1989).
- Ravicz, M. E., Melcher, J. R., Kiang, N. Y. -. S. Acoustic noise during functional magnetic resonance imaging. J Acoust. Soc. Am. 108, 1683-1696 (2000).
- Cho, Z. H., et al. Analysis of acoustic noise in MRI. Magn. Reson. Imaging. 15, 815-822 (1997).
- Belin, P., Zatorre, R. J., Hoge, R., Evans, A. C., Pike, B. Event-related fMRI of the auditory cortex. Neuroimage. 429, 417-429 (1999).
- Hall, D. A., et al. "Sparse" temporal sampling in auditory fMRI. Hum. Brain Mapp. 7, 213-223 (1999).
- Ternström, S., Sundberg, J. Acoustical factors related to pitch precision in choir singing. Speech Music Hear. Q. Prog. Status Rep. 23, 76-90 (1982).
- Ternström, S., Sundberg, J. Intonation precision of choir singers. J. Acoust. Soc. Am. 84, 59-69 (1988).
