Dans un article récent publié dans Biologie PLOSles chercheurs ont reconstruit un morceau de musique à partir d’enregistrements neuronaux à l’aide d’une modélisation informatique alors qu’ils étudiaient la dynamique neuronale spatiale qui sous-tend la perception musicale à l’aide de modèles d’encodage et d’analyses d’ablation.
Étude : La musique peut être reconstruite à partir de l’activité du cortex auditif humain à l’aide de modèles de décodage non linéaires. Crédit d’image : lianleonte/Shutterstock
Sommaire
Arrière-plan
La musique, une expérience humaine universelle, active bon nombre des mêmes régions du cerveau que la parole. Les chercheurs en neurosciences étudient les bases neuronales de la perception musicale depuis de nombreuses années et ont identifié des corrélats neuronaux distincts des éléments musicaux, notamment le timbre, la mélodie, l’harmonie, la hauteur et le rythme. Cependant, on ne sait toujours pas comment ces réseaux de neurones interagissent pour traiter la complexité de la musique.
« Pour moi, l’un des aspects de la musique est qu’elle a une prosodie (rythmes et intonations) et un contenu émotionnel. À mesure que le domaine des interfaces cerveau-machine progresse, explique-t-il, cette recherche pourrait contribuer à ajouter de la musicalité aux futurs implants cérébraux destinés aux personnes atteintes de troubles neurologiques invalidants. ou des troubles du développement qui compromettent la parole ».
-Dr. Robert Knight, Université de Californie, Berkeley
À propos de l’étude
Dans la présente étude, les chercheurs ont utilisé la reconstruction de stimulus pour examiner comment le cerveau traitait la musique. Ils ont implanté 2 668 électrodes d’électrocorticographie (ECoG) sur 29 surfaces corticales (cerveau) de patients neurochirurgicaux pour enregistrer l’activité neuronale ou collecter leurs données d’électroencéphalographie intracrânienne (iEEG) tout en écoutant passivement un extrait de trois minutes de la chanson de Pink Floyd : « Another Brick in le mur, partie 1. »
L’utilisation de l’écoute passive comme méthode de présentation du stimulus a permis d’éviter de confondre le traitement neuronal de la musique avec l’activité motrice et la prise de décision.
Sur la base des données de 347/2668 électrodes, ils ont reconstruit la chanson, qui ressemblait beaucoup à l’originale, quoique avec moins de détails. Par exemple, les paroles de la chanson reconstruite étaient beaucoup moins claires. Plus précisément, ils ont déployé des modèles de décodage basés sur la régression pour reconstruire avec précision ce stimulus auditif (dans ce cas, un extrait de chanson de trois minutes) à partir de l’activité neuronale.
Dans le passé, les chercheurs ont utilisé des méthodes similaires pour reconstruire la parole à partir de l’activité cérébrale ; cependant, c’est la première fois qu’ils tentent de reconstruire la musique en utilisant une telle approche.
L’iEEG a une résolution temporelle élevée et un excellent rapport signal/bruit. Il fournit un accès direct à l’activité haute fréquence (HFA), un indice d’activité neuronale non oscillatoire reflétant le traitement local de l’information.
De même, les modèles non linéaires décodés à partir des cortex auditifs et sensorimoteurs ont fourni la plus grande précision de décodage et une capacité remarquable à reconstruire la parole intelligible. Ainsi, l’équipe a combiné des modèles de décodage iEEG et non linéaire pour découvrir la dynamique neuronale qui sous-tend la perception musicale.
L’équipe a également quantifié l’effet de la durée de l’ensemble de données et de la densité des électrodes sur la précision de la reconstruction.
Localisation anatomique des électrodes sensibles au chant.(UN) Couverture des électrodes sur les 29 patients indiqués sur le modèle MNI (N = 2 379). Toutes les électrodes présentées sont exemptes de toute activité artificielle ou épileptique. L’hémisphère gauche est tracé à gauche. (B) Emplacement des électrodes codant de manière significative pour l’acoustique de la chanson (Nsig = 347). La signification a été déterminée par la précision de la prédiction STRF amorcée sur 250 rééchantillons des ensembles de formation, de validation et de test. La couleur du marqueur indique l’étiquette anatomique déterminée à l’aide de l’atlas FreeSurfer, et la taille du marqueur indique la précision de la prédiction du STRF (r de Pearson entre le HFA réel et prédit). Nous utilisons le même code couleur dans les panneaux et figures suivants. (C) Nombre d’électrodes significatives par région anatomique. Une teinte plus foncée indique un emplacement dans l’hémisphère droit. (D) Précision moyenne de la prédiction STRF par région anatomique. Les électrodes précédemment étiquetées comme supramarginales, autres temporales (c’est-à-dire autres que STG) et autres frontales (c’est-à-dire autres que SMC ou IFG) sont regroupées, étiquetées comme autres et représentées en blanc/gris. Les barres d’erreur indiquent SEM. Les données qui sous-tendent ce chiffre peuvent être obtenues sur https://doi.org/10.5281/zenodo.7876019. HFA, activité à haute fréquence ; IFG, gyrus frontal inférieur ; INM, Institut Neurologique de Montréal; SEM, erreur type de la moyenne ; SMC, cortex sensorimoteur ; STG, gyrus temporal supérieur ; STRF, champ récepteur spectrotemporel.https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3002176.g002
Résultats
Les résultats de l’étude ont montré que les deux hémisphères cérébraux étaient impliqués dans le traitement de la musique, le gyrus temporal supérieur (STG) de l’hémisphère droit jouant un rôle plus crucial dans la perception musicale. De plus, même si les lobes temporaux et frontaux étaient actifs lors de la perception musicale, une nouvelle sous-région STG s’est adaptée au rythme musical.
Les données de 347 électrodes d’environ 2 700 électrodes ECoG ont aidé les chercheurs à détecter l’encodage musical. Les données ont montré que les deux hémisphères cérébraux étaient impliqués dans le traitement de la musique, les électrodes de l’hémisphère droit répondant plus activement à la musique que celles de l’hémisphère gauche (16,4 % contre 13,5 %), une découverte en contraste direct avec la parole. Notamment, la parole évoque des réponses plus significatives dans l’hémisphère gauche du cerveau.
Cependant, dans les deux hémisphères, la plupart des électrodes sensibles à la musique ont été implantées dans une région appelée gyrus temporal supérieur (STG), ce qui suggère qu’elle a probablement joué un rôle crucial dans la perception musicale. STG est situé juste au-dessus et derrière l’oreille.
En outre, les résultats de l’étude ont montré que les modèles non linéaires offraient la précision de décodage la plus élevée, soit un r carré de 42,9 %. Cependant, l’ajout d’électrodes au-delà d’une certaine quantité diminue également la précision du décodage ; ainsi, la suppression de 43 électrodes rythmiques droites réduisait la précision du décodage.
Les électrodes incluses dans le modèle de décodage présentaient des caractéristiques fonctionnelles et anatomiques uniques, qui influençaient également la précision du décodage du modèle.
Enfin, concernant l’impact de la durée de l’ensemble de données sur la précision du décodage, les auteurs ont noté que le modèle atteignait 80 % de la précision de décodage maximale observée en 37 secondes. Cette découverte met l’accent sur l’utilisation d’approches de modélisation prédictive (telles qu’utilisées dans cette étude) dans de petits ensembles de données.
Les données de l’étude pourraient avoir des implications pour les applications d’interface cerveau-ordinateur (BCI), par exemple, les outils de communication pour les personnes handicapées ayant des troubles de la parole. Étant donné que la technologie BCI est relativement nouvelle, les interfaces disponibles basées sur BCI génèrent une parole avec une qualité robotique non naturelle, qui pourrait s’améliorer avec l’incorporation d’éléments musicaux. De plus, les résultats de l’étude pourraient être cliniquement pertinents pour les patients souffrant de troubles du traitement auditif.
Conclusion
Nos résultats confirment et étendent les découvertes antérieures sur la perception musicale, y compris le recours à la perception musicale sur un réseau bilatéral avec une latéralisation droite. Dans la distribution spatiale des informations musicales, des composants redondants et uniques ont été répartis entre le STG, le gyrus temporal moyen (SMC) et le gyrus frontal inférieur (IFG) dans l’hémisphère gauche et concentrés dans le STG dans l’hémisphère droit, respectivement.
Les recherches futures pourraient viser à étendre la couverture des électrodes à d’autres régions corticales, à faire varier les caractéristiques des modèles de décodage non linéaires et même à ajouter une dimension comportementale.
