В мозге человека нашли реагирующие на пение нейроны

Используя внутричерепные записи мозговой активности, американские ученые обнаружили нейронную популяцию, которая избирательно реагирует на пение, но не на инструментальную музыку или речь. Эта популяция нейронов расположена в верхней части височной доли, рядом с областями, избирательно отвечающими за язык и музыку. Статья опубликована в журнале Current Biology.

В 2015 и 2021 годах ученые провели исследования с помощью фМРТ и выявили в слуховой коре головного мозга популяции нейронов, которые специфически реагируют на музыку и отличаются от близлежащих регионов, избирательно отвечающих на речевые стимулы. Несмотря на эти результаты, до сих пор было мало что известно о том, как нейроны реагируют на музыку, например, существуют ли отдельные популяции, избирательно относящиеся к определенным типам или особенностям музыки.

Исследовательская группа под руководством Сэма Нормана-Эньер (Sam Norman-Haignere) из Университета Рочестера решила получить данные с более высоким разрешением, используя технику, известную как электрокортикография (ЭКоГ). Она позволяет регистрировать электрическую активность с помощью электродов, расположенных непосредственно в коре головного мозга. Это дает гораздо более точную картину электрической активности мозга по сравнению с фМРТ, которая измеряет кровоток в мозге как показатель активности нейронов. Со слов авторов, фМРТ не позволяет отличить разные сигналы от очень близко расположенных областей, а электрокортикография способна справиться с этой задачей.

В ходе эксперимента исследователи регистрировали электрическую активность в слуховой коре головного мозга 15 участников, когда те слушали набор из 165 звуков, включая различные типы речи и музыки, а также повседневные звуки, такие как звонок телефона или звук бегущей воды. Также авторы использовали данные фМРТ из их предыдущих исследований 2015 и 2021 годов, для этого они разработали метод объединения их с данными внутричерепных записей. Поскольку фМРТ может охватывать гораздо большую часть мозга, это позволило им более точно определить расположение нейронных популяций, которые реагируют на разный тип слуховых стимулов, в том числе и пение.

В результате исследователи выделили три популяции нейронов в слуховой коре, которые выборочно реагировали на речь или музыку. Два из них реагировали почти исключительно на речь, практически не реагируя на все другие звуки, включая неречевые вокализации. Их ученые обозначили как компоненты C1 и C15. Они одинаково реагировали на звуки родной и иностранной речи (все испытуемые были носителями английского языка). Это хорошо согласуется с данными предыдущих исследований, согласно которым речевая избирательность в верхней височной борозде не определяется лингвистическим значением. Располагались эти популяции в основном в средней части верхней височной извилины, без существенной разницы между двумя полушариями ( p > 0,73). Усредненная по времени реакция этих популяций была очень похожей, что ограничило возможность анатомически различать эти два компонента с помощью фМРТ. А третья популяция нейронов (C10) сильно реагировала как на инструментальную музыку, так и на музыку с пением (p < 0,001). Эта популяция анатомически разделилась на три субпопуляции, расположенные в передней, средней и задней частях верхней височной извилины без различий между двумя полушариями (p = 0,63). И этот анатомический профиль оказался подобен музыкально-избирательному компоненту, который исследователи ранее выделили в работах 2015 и 2021 годов.

Но главное, исследователи смогли впервые выделить популяцию нейронов (C11), которые показывали сильную реакцию в ответ на пение, при этом не реагируя на все другие звуки, включая инструментальную музыку и речь (p < 0,001). Кстати, эта находка стала неожиданной и для самих авторов. Эта популяция нейронов в основном была расположена в слуховой коре, рядом с областями, избирательно отвечающими за язык и музыку. Эти нейроны, обнаруженные в слуховой коре, по-видимому, реагируют на определенное сочетание голоса и музыки, но не на обычную речь или инструментальную музыку. Исследователи отмечают, что точно неизвестно, что они делают, и для раскрытия их функции потребуется дополнительная работа.

Предыдущие исследования выявили большую область внутри верхней височной извилины, которая преимущественно реагирует на неречевые звуки голоса (височная область голоса). Тем не менее, степень, в которой речевые и голосовые избирательные реакции различаются в мозге, остается неясной. Но результаты этого исследования позволяют предполагать, что речь и голос действительно имеют пространственно различные репрезентации в слуховой коре. А очевидное совпадение речевых и голосовых ответов в предыдущих исследованиях, по мнению авторов, может быть связано с грубыми методами нейровизуализации и анализа.

Далее обсуждая свои результаты авторы выдвинули предположение о том, какие звуковые особенности лежат в основе возникновения избирательности к песне. Пение отличается от речи мелодическим интонационным контуром и ритмичностью, а от инструментальной музыки — вокальными резонансами, и, возможно, что избирательные к песне нейронные популяции чувствительны к наборам таких признаков. Это только первый шаг в длинном пути: в будущих работах исследователи надеются узнать больше о том, какие аспекты пения управляют ответами этих нейронов. А также ответить на вопрос, есть ли у младенцев области, избирательные к музыке, в надежде узнать больше о том, когда и как развиваются эти области мозга.

Несмотря на то, что на уровне отдельный нейронов и нейронных механизмов нам мало что известно о восприятии музыки, и эта тема будущих исследований, восприятие музыки мозгом — не новая тема исследований. Так, известно, что структура белого вещества предсказывает удовольствие от прослушивания музыки, а синхронизация мозговой активности помогает оценить вовлеченность в нее.

Екатерина Рощина