Early auditory processing in musicians and dancers during a contemporary dance piece

The neural responses to simple tones and short sound sequences have been studied extensively. However, in reality the sounds surrounding us are spectrally and temporally complex, dynamic and overlapping. Thus, research using natural sounds is crucial in understanding the operation of the brain in its natural environment. Music is an excellent example of natural stimulation which, in addition to sensory responses, elicits vast cognitive and emotional processes in the brain. Here we show that the preattentive P50 response evoked by rapid increases in timbral brightness during continuous music is enhanced in dancers when compared to musicians and laymen. In dance, fast changes in brightness are often emphasized with a significant change in movement. In addition, the auditory N100 and P200 responses are suppressed and sped up in dancers, musicians and laymen when music is accompanied with a dance choreography. These results were obtained with a novel event-related potential (ERP) method for natural music. They suggest that we can begin studying the brain with long pieces of natural music using the ERP method of electroencephalography (EEG) as has already been done with functional magnetic resonance (fMRI), these two brain imaging methods complementing each other.Peer reviewe

Observing plasticity of the auditory system: Volumetric decreases along with increased functional connectivity in aspiring professional musicians

Playing music relies on several sensory systems and the motor system, and poses strong demands on control processes, hence, offering an excellent model to study how experience can mold brain structure and function. Although most studies on neural correlates of music expertise rely on cross-sectional comparisons, here we compared within-person changes over time in aspiring professionals intensely preparing for an entrance exam at a University of the Arts to skilled amateur musicians not preparing for a music exam. In the group of aspiring professionals, we observed gray-matter volume decrements in left planum polare, posterior insula, and left inferior frontal orbital gyrus over a period of about 6 months that were absent among the amateur musicians. At the same time, the left planum polare, the largest cluster of structural change, showed increasing functional connectivity with left and right auditory cortex, left precentral gyrus, left supplementary motor cortex, left and right postcentral gyrus, and left cingulate cortex, all regions previously identified to relate to music expertise. In line with the expansion–renormalization pattern of brain plasticity (Wenger et al., 2017a. Expansion and renormalization of human brain structure during skill acquisition. Trends Cogn Sci. 21:930–939.), the aspiring professionals might have been in the selection and refinement period of plastic change

Human premotor areas parse sequences into their spatial and temporal features.

Skilled performance is characterized by precise and flexible control of movement sequences in space and time. Recent theories suggest that integrated spatio-temporal trajectories are generated by intrinsic dynamics of motor and premotor networks. This contrasts with behavioural advantages that emerge when a trained spatial or temporal feature of sequences is transferred to a new spatio-temporal combination arguing for independent neural representations of these sequence features. We used a new fMRI pattern classification approach to identify brain regions with independent vs integrated representations. A distinct regional dissociation within motor areas was revealed: whereas only the contralateral primary motor cortex exhibited unique patterns for each spatio-temporal sequence combination, bilateral premotor areas represented spatial and temporal features independently of each other. These findings advocate a unique function of higher motor areas for flexible recombination and efficient encoding of complex motor behaviours

Dance on Cortex : ERPs and Phase Synchrony in Dancers and Musicians during a Contemporary Dance Piece

Music and dance have been important parts of the human experience for millennia. They have enabled interaction which has given rise to resilient communities and rich cultures. Neuroscience has studied music for decades. It has been found to activate both the cortical and deeper brain areas in a unique way. Neuroscience of dance, instead, is a young but quickly growing field. Studies of professional dancers and musicians have highlighted the importance of multimodal interaction and motor-related brain regions in cerebral processing of dance and music. Current direction of neuroscience is to study the brain in its natural environment. Therefore, simplified stimuli made for the laboratory conditions have been replaced by the stimuli of the real world, such as arts and social interaction. Despite these continuous stimuli have already been successfully studied with fMRI, methods to study cortical EEG under such stimuli are lacking. The purpose of my doctoral research is to develop and use two methods for studying the brain with EEG during the perception of dance and music. One of these methods is based on the event-related potentials (ERPs) to investigate the influence of fast changes of musical features in the brain in a short timescale. The other method utilizes changes in phase synchrony between two electrode channels when investigating cortical dynamics during observation of dance and music over a longer timescale. In my doctoral research, the developed methods are applied in studying differences in cortical dynamics of professional dancers, musicians and laymen. By both methods, differences in brain activity were found between the groups of experts and laymen when watching dance or listening to music. In addition, these methods detected changes in lower lever brain processes related to uni- and multimodal processing and acceleration of dance movement. By the ERP method, dancers were shown to have an enhanced auditory P50 response when compared to musicians and laymen which refers to dancers’ modulated processing of musical features in an early preattentive level. The method of phase synchrony revealed enhanced theta (4-8 Hz) synchrony in dancers when compared to two other groups when watching audio-visual dance. During music, dancers had enhanced theta and gamma (30-48 Hz) synchrony when compared to conditions without music. Both theta and gamma are associated with higher order processing related to multimodal integration, memory and emotions. In contrast, musicians had decreased alpha (8-13 Hz) and beta (13-30 Hz) synchrony when listening to music. These frequency bands are associated with movement preparation and execution. In addition, laymen were the only group which showed systematic changes in synchrony during dance when compared to the conditions without dance. These changes occurred on theta, alpha, beta and gamma bands. The processing of early changes within uni- and multimodal stimuli, and the accelerated movement of the body did not differ between dancers, musicians and laymen. In all groups, the auditory ERP responses were generally suppressed and sped up during multimodal presentation of music when compared to the unimodal stimulus. Also, the alpha synchrony was decreased in all groups during the parts of the choreography with accelerated large dance movement when compared to parts with nearly still presence. These changes were the strongest during the audio-visual stimulus with a real dancer. Also, during audio-visual dancing stick figure and silent dance some cortical regions showed decreased alpha synchrony for fast dance movement. Decreased alfa-synchrony is associated to motor processing and higher state of alertness in general. These results show that the methods developed in my doctoral research are suitable in analysing continuous EEG of naturalistic artistic stimuli, and in detecting changes in cortical processing of dancers and musicians during such stimuli. The results of the study suggest that dancers have modulated cortical processing related to multimodal interaction, memory and/or emotions whereas musicians have a special motor-related processing when listening to music. The methods developed in my doctoral research can be used when watching a live performance to study further dance and musical expertise. These methods can be directly applied during music production and light dancing. Several neurological and psychiatric disorders are associated with abnormalities in oscillatory activity, especially in cross-frequency coupling. Therefore, development of the phase synchrony method to that direction is essential. Together this array of methods could be applied in estimating the efficiency and developing further expressive therapies, such as dance-movement therapy, and in alleviating symptoms as a part of holistic treatment plan for conditions such as Parkinson’s disease, dementia, autism, and pain and mood disorders.  Musiikki ja tanssi ovat tuottaneet kallisarvoisia kokemuksia ihmisille jo vuosituhansien ajan. Niiden kautta syntyneen vuorovaikutuksen avulla on muodostunut elinvoimaisia yhteisöjä ja rikkaita kulttuureja. Musiikkia on tutkittu neurotieteen näkökulmasta jo vuosikymmeniä. Sen on osoitettu aktivoivan sekä aivokuoren alueita että syvempiä aivojen rakenteita ainutlaatuisella tavalla. Tanssin neurotiede sen sijaan on nuori, mutta nopeasti kasvava tieteenala. Ammattitanssijoilla ja -muusikoilla tehdyt tutkimukset osoittavat eri aistien vuorovaikutteisen informaation ja liikkeen aivoalueiden tärkeyden tanssin ja musiikin herättämissä aivoprosesseissa. Tällä hetkellä neurotiede suuntautuu tutkimaan aivoja niiden luonnollisessa ympäristössä. Sen vuoksi laboratorio-olosuhteisiin suunnitellut yksinkertaiset ärsykkeet on korvattu todellisen maailman ärsykkeillä, kuten taiteella ja sosiaalisella vuorovaikutuksella. Vaikka tällaisia jatkuvia ärsykkeitä on jo menestyksellisesti tutkittu funktionaalisella aivokuvantamisella (fMRI), menetelmät näiden ärsykkeiden tutkimiseen aivosähkökäyrällä (EEG) puuttuvat. Väitöskirjatyöni tarkoituksena on kehittää kaksi menetelmää ja käyttää niitä aivojen tutkimiseen EEG-tekniikalla tanssin katselun ja musiikin kuuntelun aikana. Toinen menetelmä perustuu tapahtumasidonnaisiin aivovasteisiin (ERP) tutkittaessa musiikkipiirteiden nopeiden muutosten vaikutusta aivoissa lyhyellä aikajänteellä. Toinen menetelmä taas perustuu kahden elektrodikanavan välille syntyvään vaihesynkroniaan tutkittaessa aivokuoren toiminnan muutoksia tanssi- ja musiikkihavainnon aikana pidemmällä aikajänteellä. Väitöskirjatyössäni kehitettyjä menetelmiä käytetään ammattitanssijoiden, -muusikoiden ja kontrolliryhmän aivokuoren toiminnan erojen tutkimiseen. Sekä ERP- että vaihesynkroniamenetelmän avulla havaittiin eroja ammattilaisryhmien ja kontrolliryhmän välillä tanssin katselun ja musiikkin kuuntelun aikana. Lisäksi näillä menetelmillä havaittiin muutoksia matalamman tason aivoprosesseissa, jotka liittyivät yksi- ja moniaistillisen ärsykkeen käsittelyyn sekä kehon liikkeen kiihtyvyyden muutoksiin. ERP-menetelmän avulla tanssijoilla voitiin osoittaa olevan suurempi P50-kuulovaste verrattuna muusikoihin ja kontrolliryhmään, mikä viittaa musiikkipiirteiden kehittyneeseen käsittelyyn aikaisella esi-tietoisella tasolla. Vaihesynkronia-menetelmän avulla tanssijoilla havaittiin voimistunut theta-synkronia (4-8 Hz) verrattuna kahteen muuhun ryhmään audiovisuaalista tanssia katsottaessa. Tanssijoilla todettiin musiikin kuuntelun aikana voimistunut theta- ja gamma-synkronia (30-48 Hz) verrattuna ärsykkeisiin ilman musiikkia. Sekä theta- että gamma-synkronia liitetään korkeamman tason aivoprosesseihin, kuten moniaistillisen ärsykkeen yhdistämiseen, muistiin ja tunteisiin. Muusikoilla sen sijaan oli heikentynyt alfa- (8-13 Hz) ja beta-synkronia (13-30 Hz) musiikin kuuntelun aikana. Nämä taajuuskaistojen synkronian heikkenemiset yhdistetään liikkeeseen valmistautumiseen ja sen suorittamiseen. Kontrolliryhmä oli ainoa ryhmä, jolla löytyi systemaattisia synkronian muutoksia tanssin katsomisen aikana verrattuna ärsykkeisiin ilman tanssia. Nämä muutokset esiintyivät theta, alfa, beta ja gamma-kaistoilla. Tanssiin ja musiikkiin liittyvän nopeasti muuttuvan yksi- ja moniaistillisen ärsykkeen ja kehon kiihtyvän liikkeen käsittelyssä ei havaittu eroja tanssijoiden, muusikoiden ja kontrolliryhmän välillä. Kaikissa ryhmissä ERP-kuulovasteet heikkenivät ja ilmaantuivat nopeammin moniaistillisesti esitetyn musiikin aikana, kun sitä verrattiin vain ääniärsykkeenä esitettyyn musiikkiin. Alfa-synkronia laski kaikissa ryhmissä koreografian kiihtyvää suurta liikettä sisältävien osioiden aikana, kun sitä verrattiin lähes paikallaanolevan läsnäolon osioihin. Nämä muutokset olivat voimakkaimpia tanssijan esittämän audiovisuaalisen ärsykkeen aikana. Samantyyppisiä muutoksia havaittiin myös äänettömän tanssin ja audio-visuaalisen tikku-ukon ärsykkeiden aikana. Heikentynyt alfa-synkronia viittaa liikkeen käsittelyyn sekä yleisen vireystason nousuun. Nämä tulokset osoittavat, että väitöskirjatyössäni kehitetyt menetelmät soveltuvat luonnollisen taiteellisen ärsykkeen synnyttämän jatkuvan EEG-aineiston analysointiin sekä aivokuoren toiminnan muutoksien havainnointiin ja tutkimiseen tanssijoilla ja muusikoilla kyseisen ärsykkeen aikana. Tutkimuksen tulokset viittaavat siihen, että tanssijoiden aivokuoren, erityisesti moniaistilliseen tanssin katseluun, muistiin ja/tai tunteisiin liittyvät toiminnat eroavat tanssijoilla muusikoista ja maallikoista. Muusikoilla sen sijaan musiikin kuuntelu herättää erityisiä liikkeeseen liittyviä aivokuoren prosesseja. Tässä tutkimuksessa kehitettyjä menetelmiä voidaan käyttää live-esityksen katselun aikana tanssijoiden ja muusikoiden aivokuoren eroavaisuuksien syvempään ymmärtämiseen. Näitä menetelmiä voi suoraan soveltaa musiikin soittamisen ja kevyen tanssimisen aikana. Aivojen oskillaation epätavalliset muutokset liittyvät moniin neurologisiin ja psykiatrisiin häiriöihin. Nämä muutokset esiintyvät erityisesti eri tajuuskaistojen välisessä synkroniassa. Sen takia on olennaista kehittää vaihesynkronia-menetelmää taajuuskaistojen välisen synkronian suuntaan. Tätä uutta metodologista kokonaisuutta voitaisiin soveltaa terapian vaikuttavuuden arvioinnissa ja ilmaisullisten terapioiden, kuten tanssi- ja liiketerapian, kehittämisessä pidemmälle esimerkiksi Parkinsonin taudin, muistisairauksien, autismin, ja kipu- ja mielialahäiriöiden oireiden lievittämiseksi ja jopa parantamiseksi osana kokonaisvaltaista hoito-ohjelmaa

Experience-dependent plasticity in the auditory domain: effects of expertise and training on functional brain organization

The present dissertation aims at systematically investigating manifestations of experience-dependent plasticity in the auditory domain, resulting from intensive musical training, utilizing analytical tools from network neuroscience. The dissertation is based on data acquired in the course of a longitudinal study investigating structural and functional changes in the auditory domain due to music training. A group of aspiring professional musicians, attending preparatory courses for entrance exams at universities of arts, and a group of amateur musicians, actively practicing in their everyday life, completed up to 5 behavioral and neuroimaging assessments in the course of one year. The dissertation consists of three studies addressing cross-sectional and longitudinal aspects of functional plastic differences and changes, respectively, ranging from a specific auditory process over unconstrained music listening to longitudinal changes in functional organization