Музыкальные и речевые ожидания закодировали разные нейроны слуховой коры

Американские исследователи посмотрели, как человеческий мозг обрабатывает отдельные характеристики музыки, и сравнили это с обработкой речи. Оказалось, что на высоту нот или слогов и на изменение этой высоты реагируют одни и те же нейроны слуховой коры, а вот ожидание следующей ноты кодируют другие клетки — именно они избирательно реагируют на музыку, а не на речь. Аналогично этому другая субпопуляция нейронов реагирует на более или менее вероятные фонемы в речи. Исследование опубликовано в журнале Science Advances.

Когда человек слышит музыку, его мозг обрабатывает ноты: в первую очередь их высоту и то, как она меняется. Послушав несколько мелодий, человек уже знает, какая нота с большей вероятностью будет следовать за той, что он услышал последней. Обманывая такие ожидания — используя не те ноты, которые предполагаются, — композиторы и музыканты вызывают у слушателя чувства напряжения и катарсиса. Однако как именно человеческий мозг воспринимает музыку, изучено не очень хорошо. В частности, не ясно, кодируют ли разные аспекты мелодии разные нейроны, и как в слуховой коре разделены обработка музыки и обработка речи.

Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Франциско и их коллеги из США под руководством Эдварда Чанга (Edward F. Chang) решили в этом разобраться. Они анализировали электрокортикограммы, полученные от восьми пациентов с эпилепсией, которым ранее имплантировали электроды в область слуховой коры. Участникам включали инструментальные мелодии и смотрели, какие нейроны на них реагируют.

Сначала авторы выяснили, что высоту нот, изменение этой высоты и ожидание в основном кодируют разные субпопуляции нейронов: одни по-разному реагировали на разную высоту звука, но их активность не менялась в зависимости от изменения высоты или от разной ожидаемой вероятности, другие реагировали сильнее, когда следующая нота была ниже предыдущей, и слабее — когда она была выше, а реакция третьей популяции зависела от того, совпала ли нота с ожидаемой или нет — более неожиданные ноты вызывали более сильный отклик этих нейронов. Эти субпопуляции не были локализованы в разных частях слуховой коры, а были рассредоточены.

Затем ученые включали участникам записи человеческой речи, чтобы выяснить, реагируют на нее те же нейроны или другие, и как именно. Они обнаружили, что большинство нейронов слуховой коры активировалась как в ответ на мелодию, так и в ответ на речь, но часть реагировала только на что-то одно. Зная, что человеческий мозг предсказывает не только следующую ноту мелодии, но и следующую фонему, авторы идентифицировали нейроны, кодирующие ожидание фонемы. Эти нейроны реагировали только на речь, и не реагировали на мелодию. В то же время нейроны, кодирующие ожидание ноты, не активировались в ответ на речь. А вот на высоту нот и высоту слогов, а также на изменения этой высоты, реагировали одни и те же нейроны.

Исследователи пришли к выводу, что главное отличие в обработке музыки и речи — именно кодирование ожидания. В зависимости от того, ожидали мы услышать определенную ноту вслед за предыдущими или нет, активируются отдельные нейроны — и это происходит только при прослушивании музыки. Другие нейроны тоже участвуют в обработке музыки, но в то же время кодируют и схожие характеристики воспринимаемой речи.

Ранее ученые обнаружили, что люди чувствительны к высокой певческой форманте — частотной характеристике голоса. Старшие солисты хора мальчиков повышали формату, когда в зале были женщины, и на записях это было слышно как мужчинам, так и женщинам. При этом женщинам отрывки, исполнявшиеся хором в присутствии девушек, нравились больше.