الموسيقى إلى أذني! يعيد الباحثون بناء أغنية بينك فلويد من نشاط الدماغ

في مقال نشر مؤخرا في بلوس علم الأحياءأعاد الباحثون بناء مقطوعة موسيقية من التسجيلات العصبية باستخدام النمذجة الحاسوبية أثناء بحثهم في الديناميكيات العصبية المكانية التي تدعم إدراك الموسيقى باستخدام نماذج التشفير وتحليل الاجتثاث.

يذاكر: يمكن إعادة بناء الموسيقى من نشاط القشرة السمعية البشرية باستخدام نماذج فك التشفير غير الخطية. حقوق الصورة: ليانليونتي / شترستوك

خلفية

الموسيقى، وهي تجربة إنسانية عالمية، تنشط العديد من مناطق الدماغ نفسها التي ينشط بها الكلام. لقد تابع الباحثون في علم الأعصاب الأساس العصبي لإدراك الموسيقى لسنوات عديدة وحددوا ارتباطات عصبية متميزة للعناصر الموسيقية، بما في ذلك الجرس واللحن والتناغم وطبقة الصوت والإيقاع. ومع ذلك، لا يزال من غير الواضح كيف تتفاعل هذه الشبكات العصبية لمعالجة تعقيد الموسيقى.

“أحد الأشياء بالنسبة لي فيما يتعلق بالموسيقى هو أنها تحتوي على عروض (إيقاعات ونغمات) ومحتوى عاطفي. ويوضح أنه مع تقدم مجال الواجهات البينية بين الدماغ والآلة، يمكن أن يساعد هذا البحث في إضافة طابع موسيقي إلى عمليات زرع الدماغ المستقبلية للأشخاص الذين يعانون من إعاقة عصبية. أو اضطرابات النمو التي تؤثر على الكلام”.

-دكتور. روبرت نايت، جامعة كاليفورنيا، بيركلي

حول الدراسة

في الدراسة الحالية، استخدم الباحثون إعادة البناء التحفيزي لفحص كيفية معالجة الدماغ للموسيقى. قاموا بزراعة 2668 قطبًا كهربائيًا لتخطيط كهربية القشرة (ECoG) على 29 سطحًا قشريًا لمريض جراحة أعصاب (الدماغ) لتسجيل النشاط العصبي أو جمع بيانات تخطيط كهربية الدماغ (iEEG) أثناء استماعهم بشكل سلبي إلى مقتطف مدته ثلاث دقائق من أغنية بينك فلويد: “طوب آخر في الجدار الجزء الأول.”

إن استخدام الاستماع السلبي كطريقة لعرض التحفيز يمنع الخلط بين المعالجة العصبية للموسيقى والنشاط الحركي وصنع القرار.

واستنادًا إلى بيانات من 347/2668 قطبًا كهربائيًا، أعادوا بناء الأغنية، التي تشبه إلى حد كبير الأغنية الأصلية، وإن كان ذلك بتفاصيل أقل، على سبيل المثال، كانت الكلمات في الأغنية المعاد بناؤها أقل وضوحًا بكثير. على وجه التحديد، قاموا بنشر نماذج فك التشفير القائمة على الانحدار لإعادة بناء هذا التحفيز السمعي بدقة (في هذه الحالة، مقتطف من أغنية مدته ثلاث دقائق) من النشاط العصبي.

في الماضي، استخدم الباحثون أساليب مماثلة لإعادة بناء الكلام من نشاط الدماغ؛ ومع ذلك، فهذه هي المرة الأولى التي يحاولون فيها إعادة بناء الموسيقى باستخدام مثل هذا النهج.

يتمتع iEEG بدقة زمنية عالية ونسبة إشارة إلى ضوضاء ممتازة. فهو يوفر الوصول المباشر إلى النشاط عالي التردد (HFA)، وهو مؤشر للنشاط العصبي غير التذبذبي الذي يعكس معالجة المعلومات المحلية.

وبالمثل، قدمت النماذج غير الخطية لفك التشفير من القشرة السمعية والحسية الحركية أعلى دقة في فك التشفير وقدرة ملحوظة على إعادة بناء الكلام الواضح. لذلك، قام الفريق بدمج نماذج iEEG ونماذج فك التشفير غير الخطية للكشف عن الديناميكيات العصبية الكامنة وراء إدراك الموسيقى.

قام الفريق أيضًا بقياس تأثير مدة مجموعة البيانات وكثافة القطب على دقة إعادة البناء.

الموقع التشريحي للأقطاب الكهربائية المستجيبة للأغنية.أ) تغطية القطب الكهربائي لجميع المرضى الـ 29 الموضحين في قالب MNI (العدد = 2379). جميع الأقطاب الكهربائية المقدمة خالية من أي نشاط اصطناعي أو صرع. يتم رسم نصف الكرة الأيسر على اليسار. (ب) موقع الأقطاب الكهربائية التي تشفر صوتيات الأغنية بشكل كبير (N_سيج = 347). تم تحديد الأهمية من خلال دقة تنبؤات STRF التي تم تمهيدها لأكثر من 250 عينة من مجموعات التدريب والتحقق من الصحة والاختبار. يشير لون العلامة إلى التسمية التشريحية كما تم تحديدها باستخدام أطلس FreeSurfer، ويشير حجم العلامة إلى دقة تنبؤات STRF (معامل بيرسون بين HFA الفعلي والمتوقع). نحن نستخدم نفس رمز اللون في اللوحات والأشكال التالية. (ج) عدد الأقطاب الكهربائية الهامة لكل منطقة تشريحية. يشير اللون الداكن إلى موقع نصف الكرة الأيمن. (د) متوسط ​​دقة التنبؤ STRF لكل منطقة تشريحية. يتم تجميع الأقطاب الكهربائية التي تم تصنيفها سابقًا على أنها فوق هامشية، وأقطاب زمنية أخرى (أي بخلاف STG)، وأقطاب أمامية أخرى (أي بخلاف SMC أو IFG) معًا، ويتم تصنيفها على أنها أخرى ويتم تمثيلها باللون الأبيض/الرمادي. تشير أشرطة الخطأ إلى SEM. يمكن الحصول على البيانات الكامنة وراء هذا الرقم في https://doi.org/10.5281/zenodo.7876019. HFA، نشاط عالي التردد؛ IFG، التلفيف الجبهي السفلي. MNI، معهد مونتريال للأعصاب؛ SEM، الخطأ القياسي للوسط؛ SMC، القشرة الحسية الحركية. STG، التلفيف الصدغي العلوي؛ يعنيSTRF المجال الاستقبالي الزماني الطيفي.​​​​​​​https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3002176.g002

نتائج

وأظهرت نتائج الدراسة أن كلا نصفي الدماغ كانا متورطين في معالجة الموسيقى، حيث يلعب التلفيف الصدغي العلوي (STG) في النصف الأيمن من الكرة الأرضية دورًا أكثر أهمية في إدراك الموسيقى. بالإضافة إلى ذلك، على الرغم من أن الفص الصدغي والأمامي كانا نشطين أثناء إدراك الموسيقى، إلا أن منطقة STG الفرعية الجديدة تم ضبطها على الإيقاع الموسيقي.

ساعدت البيانات المأخوذة من 347 قطبًا كهربائيًا من حوالي 2700 قطب كهربائي ECoG الباحثين على اكتشاف تشفير الموسيقى. أظهرت البيانات أن نصفي الدماغ كانا منخرطين في معالجة الموسيقى، حيث تستجيب الأقطاب الكهربائية الموجودة في النصف الأيمن للموسيقى بشكل أكثر نشاطًا من النصف الأيسر (16.4% مقابل 13.5%)، وهي نتيجة تتناقض بشكل مباشر مع الكلام. والجدير بالذكر أن الكلام يثير استجابات أكثر أهمية في نصف الكرة الأيسر من الدماغ.

ومع ذلك، في كلا نصفي الكرة الأرضية، تم زرع معظم الأقطاب الكهربائية المستجيبة للموسيقى في منطقة تسمى التلفيف الصدغي العلوي (STG)، مما يشير إلى أنها لعبت على الأرجح دورًا حاسمًا في إدراك الموسيقى. يقع STG فوق الأذن وخلفها مباشرةً.

علاوة على ذلك، أظهرت نتائج الدراسة أن النماذج غير الخطية قدمت أعلى دقة في فك التشفير، r-squared بنسبة 42.9%. ومع ذلك، فإن إضافة أقطاب كهربائية بما يتجاوز كمية معينة يقلل أيضًا من دقة فك التشفير؛ وبالتالي، أدت إزالة 43 قطبًا إيقاعيًا صحيحًا إلى تقليل دقة فك التشفير.

تتمتع الأقطاب الكهربائية المضمنة في نموذج فك التشفير بميزات وظيفية وتشريحية فريدة، مما أثر أيضًا على دقة فك تشفير النموذج.

أخيرًا، فيما يتعلق بتأثير مدة مجموعة البيانات على دقة فك التشفير، لاحظ المؤلفون أن النموذج حقق 80% من الحد الأقصى لدقة فك التشفير الملحوظة في 37 ثانية. تؤكد هذه النتيجة على استخدام أساليب النمذجة التنبؤية (كما هو مستخدم في هذه الدراسة) في مجموعات البيانات الصغيرة.

يمكن أن يكون لبيانات الدراسة آثار على تطبيقات واجهة الدماغ والحاسوب (BCI)، على سبيل المثال، أدوات الاتصال للأشخاص ذوي الإعاقة الذين يعانون من ضعف في الكلام. نظرًا لأن تقنية BCI جديدة نسبيًا، فإن الواجهات المتاحة المستندة إلى BCI تولد كلامًا بجودة آلية غير طبيعية، والتي قد تتحسن مع دمج العناصر الموسيقية. علاوة على ذلك، يمكن أن تكون نتائج الدراسة ذات صلة سريريًا بالمرضى الذين يعانون من اضطرابات المعالجة السمعية.

خاتمة

تؤكد نتائجنا وتوسع النتائج السابقة حول إدراك الموسيقى، بما في ذلك اعتماد إدراك الموسيقى على شبكة ثنائية مع الجانب الصحيح. ضمن التوزيع المكاني للمعلومات الموسيقية، تم توزيع المكونات الزائدة والفريدة من نوعها بين STG والتلفيف الصدغي الأوسط (SMC) والتلفيف الجبهي السفلي (IFG) في نصف الكرة الأيسر وتركزت في STG في نصف الكرة الأيمن، على التوالي.

يمكن أن تستهدف الأبحاث المستقبلية توسيع تغطية القطب الكهربائي إلى مناطق قشرية أخرى، وتغيير ميزات نماذج فك التشفير غير الخطية، وحتى إضافة بُعد سلوكي.