Еще один кирпич к стене

Еще один кирпич к стене

Музыка может быть реконструирована на основе активности слуховой коры

внутричерепная электроэнцефалография

Музыка является основой человеческого опыта, однако точная нейронная динамика, лежащая в основе восприятия музыки, остается неизвестной. Авторы проанализировали данные внутричерепной электроэнцефалографии (iEEG) 29 пациентов, которые слушали песню Pink Floyd. Реконструировали песню по прямым нейронным записям и количественно оценили влияние различных факторов на точность декодирования. Обнаружили доминирование правого полушария в восприятии музыки с основной ролью верхней височной извилины (STG). В исследовании приняли участие пациенты с фармакорезистентной эпилепсией (15 женщин, возраст от 16 до 60 лет, среднее значение 33,4, 23 правши, полный коэффициент умственного развития от 74 до 122, среднее значение 96,6). У всех хирургически имплантированы внутричерепные сетки или полоски электродов (ECoG) для локализации их эпилептических очагов. Записи проходили в медицинском центре Олбани (Олбани, штат Нью-Йорк). Все пациенты имели нормальный слух.

Пациенты пассивно слушали песню Pink Floyd Another Brick in the Wall, Part 1 (выпущена на альбоме The Wall, Harvest Records/Columbia Records, 1979). Им было предложено внимательно слушать музыку, не обращая внимания на какие-либо особые детали. Общая продолжительность песни составила 190,72 секунды. Слуховой стимул был оцифрован на частоте 44,1 кГц и подавался через наушники-вкладыши (полоса пропускания от 12 Гц до 23,5 кГц, изоляция от окружающего шума 20 дБ) с комфортным уровнем звука, адаптированным для каждого пациента (50–60 дБ SL). Внутричерепные записи получены через сетки или полоски платино-иридиевых электродов (Ad-Tech Medical, Oak Creek, WI) с межцентровыми расстояниями 10 мм для 21 пациента, 6 мм для 4, 4 мм для 3, 3 мм для одного. Набирали пациентов в исследование, если их карта имплантации хотя бы частично покрывала STG (левый или правый). Когорта состоит из 28 односторонних случаев (18 слева, 10 справа) и 1 двустороннего случая. Общее количество электродов у всех 29 пациентов - 2668 (диапазон от 36 до 250, в среднем 92). Активность ECoG регистрировали с частотой дискретизации 1200 Гц с использованием устройств сбора биосигналов g.USBamp (g.tec, Грац, Австрия) и BCI2000.

Чтобы идентифицировать электроды, кодирующие акустическую информацию о песне, подобрали спектрально-временные рецептивные поля (STRF) для всех электродов в наборе данных. Из плотного, двустороннего, преимущественно лобно-височного покрытия определили 347 электродов со значительным STRF. Обнаружили более высокую долю электродов, реагирующих на песню, в правом полушарии. В левом полушарии было 199 значимых электродов из 1479 и 148 из 900 в правом ( 13,5% против 16,4% соответственно).

Большинство из 347 значимых электродов (87%) были сосредоточены в 3 областях: 68% в билатеральных верхних височных извилинах (STG), 14,4% в билатеральных сенсомоторных корах (SMC, на пре- и постцентральных извилинах) и 4,6% в двусторонняя IFG. Доля чувствительных к песне электродов на область составила 55,7% для STG (236 из 424 электродов), 11,6% для SMC (45/389) и 7,4% для IFG (17/229). Остальные 13% значимых электродов располагались в супрамаргинальных извилинах и других лобных и височных областях. Чтобы выяснить, была ли более высокая доля реагирующих на песню электродов в правом полушарии обусловлена разным неравномерным покрытием обоих полушарий (например, более плотным покрытием неслуховых областей в левом полушарии, чем в правом полушарии), ограничили анализ 3 основных региона, реагирующих на песню (STG, SMC и IFG). Обнаружили более высокую долю чувствительных к песне электродов в этих правых чувствительных к песне областях: 133 значимых электрода из 374 в целом по сравнению со 165 из 654 в соответствующих левых областях (35,6% против 25,3% соответственно).

Результаты показывают возможность применения прогностического моделирования на коротких наборах данных, полученных у отдельных пациентов, что прокладывает путь для добавления музыкальных элементов в приложения интерфейса мозг-компьютер (BCI). Нелинейные модели обеспечили самую высокую точность декодирования (r-квадрат 42,9%), более подробную декодированную спектрограмму, узнаваемую песню и более высокую скорость идентификации песни-отрывка. Это показывает, что предыдущие методологические открытия в области декодирования речи также применимы к декодированию музыки.

Анатомо-функциональная организация, описанная в этом исследовании, может иметь клиническое значение для пациентов с нарушениями слуховой обработки. Например, результаты музыкального восприятия могут способствовать развитию общего слухового декодера, который включает просодические элементы речи на основе относительно небольшого количества хорошо расположенных электродов. Будущие исследования должны изучить различные представления музыкальной информации более высокого порядка в слуховом мозге, которые, как известно, представляют актуальную акустическую информацию, добавляя еще один кирпичик в стену нашего понимания обработки музыки в человеческом мозгу.

Людовик Белье (Ludovic Bellier), Анаис Льоренс (Anais Llorens), Дебора Марчиано (Deborah Marciano), Роберт Т. Найт (Robert T. Knight), Калифорнийский университет в Беркли, Айсегуль Гундуз (Aysegul Gunduz), Университет Флориды, Гервин Шалк (Gerwin Schalk), Питер Бруннер (Peter Brunner), Медицинский колледж Олбани, США, опубликовали труд "Музыка может быть реконструирована на основе активности слуховой коры человека с использованием моделей нелинейного декодирования", PLOS Biology, 15 авгуса 2023.

23.08.23