«Разделяй и властвуй»: как в мозге кодируются звуки

В эксперименте, посвященном тому, как мозг обезьян обрабатывает звук, команда нейробиологов и статистиков из Университета Дьюка обнаружила, что один нейрон может кодировать информацию о двух разных звуках. Для этого он умеет переключаться между сигналом, связанным с одним звуком, и сигналом, связанным с другим звуком. Подробности этого опубликованы в журнале Nature Communications.

Credit:Neurosciencenews.com


Эта работа объясняет, как мозг обрабатывает сложную информацию, поступающую из окружающего нас мира, а также может дать представление о некоторых когнитивных ограничениях.

Наш мозг способен анализировать сразу несколько звуковых раздражителей: например, слушать друга на вечеринке с музыкой, играющей на фоне, или выделять стрекотание цикады на фоне птичьих трелей. Чтобы смоделировать подобную ситуацию в эксперименте, обезьян в затемненной комнате обучали смотреть в направлении звуков, которые они слышали. Исследователи воспроизводили либо один, либо два звука, каждый из которых находился на другой частоте и издавался из разных мест.

Когда два стимула звучали вместе, обезьяны смотрели сначала в направлении одного, а затем в направлении другого звука. Это говорило, что обезьяны животные улавливали два разных звука.

Чтобы узнать, как мозг обезьян реагировал на оба импульса одновременно, команда установила электроды в нижних коленчатых телах – структурах, играющих ключевую роль момент в слуховых путях мозга. По ним ученые измеряли малые пики в локальном электрическом поле, которыми выражались потенциалы действия нейронов. В задачу входило подсчитать, сколько пиков образуется в течение определенного периода времени, и вычислить среднее.

Однако, этот метод обладал своими слабыми сторонами, нивелируя различия в нейрональной активности, поэтому исследователи применили комбинацию статистических методов, включая один из новых, называемых моделью процесса динамической аддитивной точки. Его разработали также в Университете Дьюка для создания более подробных шаблонов данных.

Ученые обнаружили, что один нейрон может реагировать на один звук с одной скоростью потенциалов действия, а на другой – с другой скоростью соответственно. Если же оба звука воспроизводились одновременно, он будто колебался между двумя вариантами своей активности.

Иногда эти колебания были достаточно быстрыми, чтобы нейроны переключались в течение половины секунды, а в других случаях переключение происходило медленнее.

Авторы считают, что эти данные помогают раскрыть работу мозга и в других обстоятельствах, когда он должен разделять «области влияния» с ограниченным набором нейронов: например, в будущем чуть лучше понять механизмы памяти.


Текст: Анна Хоружая

Single neurons may encode simultaneous stimuli by switching between activity patterns by Valeria C. Caruso, Jeff T. Mohl, Christopher Glynn, Jungah Lee, Shawn M. Willett, Azeem Zaman, Akinori F. Ebihara, Rolando Estrada, Winrich A. Freiwald, Surya T. Tokdar & Jennifer M. Groh in Nature Communications. Published July 2018.

doi:10.1038/s41467-018-05121-8

 

Читайте материалы нашего сайта в FacebookВКонтактеЯндекс-Дзен и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.

Игра на фортепиано помогла китайским детям лучше различать звуки

Американские учёные нашли способ улучшить языковые способности детей — для этого оказалось полезным играть на фортепиано. Результаты исследования были опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. 

Credit: Nan et al


Известно, что музыканты лучше обрабатывают слуховую информацию и способны эффективнее распознавать речь на фоне постороннего шума. Однако как музыкальные упражнения влияют на восприятие речи у детей, известно не было.

Участниками исследования стали 74 ребёнка дошкольного возраста, говорящих на китайском языке — в нём значение слова зависит от тона, и его повышение или понижение может полностью изменить смысл.

Учёные разделили детей на три группы. В одной из них участники трижды в неделю по 45 минут играли на фортепиано, в другой — занимались внеклассным чтением, а третья была контрольной.

Спустя полгода все малыши стали лучше различать звуки разной высоты, но между группами разницы не наблюдалось. А вот слоги игравшие на фортепиано дети стали различать лучше остальных. Результаты были получены при помощи электроэнцефалографии, которую исследователи проводили во время заданий на распознавание.

Хотя связи с успеваемостью исследователи не выявили, они полагают, что косвенно занятия музыкой способны на неё повлиять, улучшив восприятие и распознавание звуков.


Текст: Алла Салькова 

https://doi.org/10.1073/pnas.1808412115 

Piano training enhances the neural processing of pitch and improves speech perception in Mandarin-speaking children 

Yun Nan, Li Liu, Eveline Geiser, Hua Shu, Chen Chen Gong, Qi Dong, John D. E. Gabrieli, and Robert Desimone C

 

Читайте материалы нашего сайта в FacebookВКонтактеЯндекс-Дзен и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.

 

Как улучшить мозг при помощи виолончели

Сотрудники Университета Макгилла в Канаде обнаружили укрепление связей между моторными и аудиторными отделами головного мозга. Это выяснилось в ходе сканирования мозга участников на фМРТ во время уроков игры на виолончели, причём такой эффект никак не зависел от успешности освоения музыкального инструмента. Подробности эксперимента опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Credit: public domain

Известно, что новые нейронные связи способны образовываться в головном мозге в любом возрасте: всё зависит от образа жизни, желаний и опыта человека. Например, подобную нейропластичность можно наблюдать во время обучения игре на музыкальных инструментах, при которой активно работают моторные и аудиторные системы мозга. В ходе постоянных тренировок деятельность обеих систем улучшается, однако до сих не найден механизм, лежащий в основе этого процесса.

На пластичность мозга способен влиять вид инструмента. Уже не раз исследовали функциональную активность мозга пианистов, в то время как игра на струнных требует иной степени координации движений, и следовательно другой, более сложной работы нейронов исполнителя.

В новом исследовании учёные из Монреальского неврологического института во главе с Роберто Заторре (Robert Zatorre) выяснили, как образуются связи между аудиторными и моторными отделами мозга. В ходе эксперимента они обучали 13 участников игре на виолончели, которую сконтруировали из инертных материалов – пластика, стекловолокна и кетгута. Такое преобразование инструмента понадобилось для того, чтобы добровольцы смогли играть прямо в аппарате фМРТ, где звук, записанный с помощью оптических сенсоров, помещённых прямо на струны, передавался в наушники играющему.

Процесс тренировки в сканере. Credit: Robert Zatorre et al. / PNAS


Во время урока участники помещались в специально сконструированную конструкцию, которая имитировала аппарат МРТ. Испытуемые либо сами играли на виолончели, либо просто слушали выученные ранее мелодии. В итоге авторы измеряли активность мозга три раза – до начала обучения, через неделю и после окончания.

Результатом эксперимента стало увеличение активности моторной и левой теменной зон при простом прослушивании выученных мелодий по сравнению с началом обучения. Между участками внутри дорсального аудиторно-моторного пути, а именно дополнительной зоной, аудиторной корой и левой теменной зоной, наблюдалось повышение функциональных связей во время обучения и приобретения опыта игры.

Зоны мозга, в которых повысилась функциональная связность после четырех недель прослушивания музыки и трех недель игры. Credit: Robert Zatorre et al. / PNAS


Важно, что функциональные улучшения связей не зависели от правильности исполнения мелодии, а происходили из-за самого факта обучения. Индивидуальные достижения влияли на другие области мозга, например, гиппокамп, который отвечает за память и координацию движений. В конце занятий почти все участники играли без ошибок: в правильном темпе и нужной высоте.

Исследование авторов вновь подтвердило факт нейропластичности и изменчивости мозга под воздействием опыта, а также то, что активность и улучшение связей в мозге зависит от вида деятельности, которую необходимо освоить. Так, игра на виолончели помогла укрепить аудиторно-моторный нейронный путь даже без каких-то высоких достижений. Учёные отмечают, что полученные результаты помогут специалистам в области педагогики и реалибилитации.


Текст: Екатерина Заикина

Neural network retuning and neural predictors of learning success associated with cello training by Indiana Wollman, Virginia Penhune, Melanie Segado, Thibaut Carpentier, and Robert J. Zatorre in Proceedings of the National Academy of Sciences. Рublished June 2018.

https://doi.org/10.1073/pnas.1721414115

Читайте материалы нашего сайта в FacebookВКонтактеЯндекс-Дзен и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.

Как мозг реагирует на когнитивные искажения в музыке

Человеческий мозг по-разному воспринимают музыку, если слушателю заранее сообщили, кто её исполняет – профессионал или ученик.Исследователи из Университета Арканзаса, Аризонского университета и Университета Коннектикута изучили это явление, опубликовав свои выводы в журнале Scientific Reports.

Джошуа Белл в метро и на сцене. Credit: lifehacker


Ожидания и предубеждения или так называемый «эффект обрамления» играют большую роль в нашем опыте. Это продемонстрировали в исследованиях, связанных с искусством, вином и даже газировкой. В 2007 году всемирно известный музыкант Джошуа Белл (Joshua Bell) проиллюстрировал роль контекста в нашем наслаждении музыкой – он играл на своей скрипке Страдивари в метро города Вашингтон, ​​и прохожие проходили мимо без интереса.

Учёные обнаружили, что информация о мастерстве исполнителя сильно влияет на то, как мозг слушателя будет реагировать на музыку. Они также выявили, что преодоление этой предвзятости требует осознанных усилий.

В исследовании приняли участие 20 участников без музыкального образования. Во время функциональной МРТ в недавно созданном Исследовательском центре мозга в Университете Коннектикута участники слушали восемь пар 70-секундных музыкальных отрывков, представленных в случайном порядке. Каждая пара состояла из двух разных исполнений одного и того же отрывка.

Участников предварительно поставили в известность, что одна из пар сыграна «учеником фортепиано из консерватории», а другая — «всемирно известным профессиональным пианистом». Хотя участники на самом деле слушали работы ученика и профессионала, они во время эксперимента дважды слышали каждую пару с перепутанными местами ярлыками исполнителя. Это гарантировало, что учёные могли бы исследовать влияние ярлыка вне зависимости от качества самого исполнения.

Участники оценили своё удовольствие от каждого отрывка по шкале от одного до десяти и указали, какой из двух отрывков в каждой паре им больше понравился. Исследователи использовали снимки fMRI для изучения областей мозга, связанных со слуховой обработкой, удовольствием и вознаграждением, а также с когнитивным контролем.

Чтобы изучить активность мозга, связанную с предвзятостью, учёные сравнили снимки мозга участников, которые предпочли «профессиональные» отрывки с изображениями активности мозга тех, кто предпочёл «ученические». Они обнаружили, что в случае, когда участник выбирал отрывок, приписываемый профессионалу, значительно больше активности наблюдалось в первичной слуховой коре, а также в области мозга, связанной с удовольствием и вознаграждением.

Активность мозга во время эксперимента. (A, B) Во время более предпочитаемого отрывка профессионала, по мнению человека, в первичной слуховой коре возникает значительно большая активность относительно той ситуации, когда играл пианист-ученик. (C, D) Та же ситуация наблюдается и в вентро-медиальной префронтальной коре.Credit: Gökhan Aydogan et al.


Эта активность начиналась тогда, когда участнику сообщали, что исполнитель был профессионалом, длилась до того, как включали музыку, и оставалась постоянной во время прослушивания. Таким образом, убеждённость в том, что музыкант профессионал, заставляло участников уделять больше внимания их музыке и особым образом настраивало их не только в начале, но и на протяжении всего отрывка.

Исследователи также изучили активность мозга участников, которые предпочитали «ученические» записи «профессиональным». В то время как эти участники слушали записи, присваиваемые профессионалу, учёные видели более высокую активность в области мозга, связанной с когнитивным контролем и совещательным мышлением, на протяжении всего отрывка. Также оказалось, что у таких людей было больше связей между частями мозга, связанными с когнитивным контролем и вознаграждением.

«Были и другие ситуации, когда люди слушали достаточно внимательно, чтобы понять, что мы их дурачим, то есть, когда они осознавали, что им больше нравилось исполнение с ярлыком “ученик”», — говорил Эдвард Лардж (Edward Large), нейробиолог-теоретик из UConn.

Учёные отметили, что участники, которые могли противостоять предвзятости (решившие, что им больше нравится работа ученика или меньше нравится работа профессионала), «привлекали к участию» отделы мозга, предназначенные для исполнительного контроля, и это выглядело как усилие для подавления предубеждения. Эти данные демонстрируют, как критическое мышление вне информации об исполнителе (явно в виде его имени или неявно в виде его позиции на сцене Карнеги Холл или платформе метро), может преобразовать способность слушать и то, как человек оценивает музыкальное выступление.

Исследователи объясняют, что такие открытия имеют значимость и за пределами области музыкальных предпочтений.

«Наши выводы актуальны для нейроэкономистов, психологов и художников, поскольку они демонстрируют, что «совещательное и усиленное мышление» может сыграть решающую роль в преодолении когнитивных искажений, связанных с социально сконструированными концепциями и стереотипами», — пишут они в статье.

Текст: Юрий Пономарёв

Overcoming Bias: Cognitive Control Reduces Susceptibility to Framing Effects in Evaluating Musical Performance by Gökhan Aydogan, Nicole Flaig, Srekar N. Ravi, Edward W. Large, Samuel M. McClure & Elizabeth Hellmuth Margulis inScientific Reports. Published April 2018.

doi:10.1038/s41598-018-24528-3

Читайте материалы нашего сайта в FacebookВКонтакте и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.