Buenos Aires – 5 to 9 September 2016 Acoustics for the 21st Century… PROCEEDINGS of the 22nd International Congress on Acoustics Musical Acoustics: FIA2016-115 Musical imagery: Influence of musical training in auditory sound recognition by melodic and rhythmic modified stimuli of long latency AEPs Juan Manuel Loria(a) and Gabriel Persi(b) (a) (b) Universidad Nacional de Tres de Febrero, Buenos Aires, [email protected] Sanatorio de la Trinidad Mitre, Servicio de neurofisiología, Buenos Aires, [email protected] Abstract The purpose of music is communication, so that musical structure has to take into account the structure of memory. Studies in neuroscience demonstrate two cognitive paradigms, "classical" with serial processing of information, and “non-classical” with parallel processing. Processing in memory structure links both paradigms and is schematically divided into three stages: immediate, short term and long term memory. This study explores short and long term memory through the stimulation with rhythmic and melodic patterns, highlighting the difference in neurological processing of people with musical training. The subjects studied are divided into 2 groups: first 12 men and women with studies and practice with musical instruments not less than 5 years, the other group comprehends 12 men and women without any formal studies in music and that do not play any musical instrument. Both groups first will be tested with SLAEPs (short-latency auditory evoked potentials) to verify a good ability to listen, then will be evaluated under a protocol of long latency AEPs with a stimuli of 4 groups of 9 notes artificially created: a melody with a simple rhythm, a simple melody with a variable rhythm, a simple rhythm with varying melody and a variable rhythm and melody. This evaluation will analyze short-term memory by the exposure to new stimuli for subjects (learned music). The same group of subjects was then exposed to known musical stimuli, to evaluate both the long-term memory and imagination. The data obtained in each test will be analyzed by musical knowledge and sex. The results allow evaluating quantitative and/or qualitative differences between groups of subjects based on musical experience and acquired underlying differences in brain anatomy involved in musical memory. Keywords: Musical Acoustics - Music perception – Musical memory - Musical imagery Cognitive Psychology - Auditory evoked potentials. X CONGRESO FIA Buenos Aires, 5 al 9 de Setiembre de 2016 Acústica para el siglo 21... Imaginación Musical: La influencia del entrenamiento musical para el reconocimiento de estímulos auditivos con variaciones melódicas y rítmicas mediante PEAs de larga latencia 1 Introducción ¿Es cuantificable la imaginación musical? Esta es la pregunta que abre las puertas a estudios de la mente humana desde la psicología de la percepción y memoria musical hasta la neurofisiología cerebral. La música es fundamental en todas las culturas y el objetivo de la música es la comunicación, para ello la estructura de la música tiene que tener en cuenta la estructura de la memoria. A su vez la memoria opera entre los mecanismos de reconocimiento, identificación y agrupación de la información, que son los medios perceptivos-cognitivos con los cuales se desarrolla la capacidad imaginativa del ser humano [1-3]. Los potenciales evocados (PEs) se definen como aquellas modificaciones de la actividad eléctrica cerebral inducidas por la aplicación de un estímulo sensorial. En función del tipo de estímulo que los originan, se distinguen los potenciales evocados visuales (PEVs), auditivos (PEAs) y somatosensoriales (PESs). Los potenciales auditivos P300 (también llamados cognitivos) aparecen después de los 100 ms posteriores a la presentación del estímulo. Con dos estímulos tonales diferentes, el sujeto debe discernir entre uno y otro durante la medición, mientras que los receptores ubicados superficialmente entorno a su cabeza captan las respuestas y registran curvas según sus respectivos generadores neuronales [4-5]. Figura 1 – Reconocimiento de curvas P300 en pruebas preliminares de potenciales evocados de larga latencia con músicos medidos para este trabajo y obtenidas a partir del mismo 2 X CONGRESO FIA Buenos Aires, 5 al 9 de Setiembre de 2016 Acústica para el siglo 21... 1.1 Música y memoria Estudios en la neurociencia contemporánea ponen en evidencia la existencia de dos paradigmas cognitivos. Por un lado, el procesamiento de la información que surge de las metáforas de la computación digital en serie y la teoría de la información. Y otro, donde las conexiones del sistema nervioso y procesamiento se realizan en paralelo [1, 3]. El procesamiento de la música y su estructura de organización, puede ser estudiado desde el modelo de la memoria como un nivel perceptivo (captación del estímulo sonoro) y un nivel cognitivo (agrupaciones subjetivas de la información). En música, muchos niveles superiores de estructuras requieren ser comprendidos por este proceso descendente cognitivo-perceptual, con resultados según el aprendizaje individual y la cultura musical, y es altamente dependiente de la experiencia de los oyentes [1-2, 6]. Cuando nos referimos a memoria, según Synder (2001) [1] y Cowan (1988) [3], se plantea un sistema formado por 3 procesos de información que se vinculan entre sí (en conexiones paralelo y serie) que a su vez operan en tiempos diferentes lo que puede considerarse como procesos independientes, al menos en niveles temporales: Memoria y procesos inmediatos (MPI), Memoria a corto plazo (MCP) y Memoria a largo plazo (MLP). En referencia a la audición, la MPI involucra conexiones directas entre el oído y el sistema nervioso del cerebro (30.000 fibras nerviosas en cada oído) que se representan en frecuencia y amplitud de cada vibración acústica. La MCP refiere a un procesamiento de la información consciente y activa durante un periodo de tiempo que varía entre los 3 a 8 segundos [1-3], pudiendo mantenerse aun consiente mayor tiempo si se fuerza una retroalimentación de la misma información formando recuerdos pero no modificaciones anatómicas ni químicas en las conexiones neuronales que intervienen. La MLP refiere a un procesamiento mucho más complejo que los anteriores, ya que no solo actúan eventos percibidos en el presente sino además que evocan recuerdos del pasado. La activación de recuerdos del pasado puede hacerse mediante las acciones del reconocimiento, identificación y un esfuerzo consciente: la recolección, una búsqueda de conectar estímulos del presente con información agrupada conceptualmente en el pasado. Si bien este último mecanismo de evocación es consiente, la activación de la MLP es normalmente inconsciente. Estos circuitos creados a partir de la retroalimentación y la recolección de información conceptual, son usados para crear imágenes mentales que luego serán evocadas según como asociemos la información, creando una estructura cuya solidez dependerá de la cantidad de elementos mentales que se asocien a la imagen. Si la estructura creada es música, se evocará una imagen musical [1-3, 6]. Este estudio busca diseñar un test que involucre estos dos últimos procesos. 1.2 Organización de la estructura musical Las pruebas científicas nos muestran que la percepción musical está basada en dos procesamientos neuronales diferentes: la organización del ritmo y la organización del tono [7]. El tono se conoce como un sonido musical diferenciado, pero es la secuencia de diversos tonos lo que nos permite percibir una melodía, y si esta secuencia se ve alterada tendremos una percepción distorsionada de la pieza musical. El ritmo se entiende como la organización 3 X CONGRESO FIA Buenos Aires, 5 al 9 de Setiembre de 2016 Acústica para el siglo 21... temporal de una pieza musical basada en fraccionar en grupos la duración total y extraer una regularidad temporal subyacente conocida como compás [8-9]. En definitiva el ritmo y el tono son grupos básicos en la música, cuyos límites se crean desde la MPI y persisten hasta la MCP como agrupaciones melódicas y rítmicas. Estas agrupaciones pueden formar niveles superiores más complejos (y extensos en el tiempo) llamadas frases como se observa en la figura 2, estando contenidas también en la MCP y pudiendo contener de cinco a nueve (7 ± 2) elementos diferentes [1, 9-11]. Un elemento es una unidad básica dentro de una secuencia, que determina el almacenaje de memoria a través de un fragmento. La acción de fragmentar es un proceso jerárquico que facilita la memorización de las frases y una mejor organización de la información. Las repeticiones de un mismo patrón musical tienen el mismo efecto, aumentar la fragmentación, organizar mejor la rítmica y melodía, y que resulte más fácil de recordar [12-13]. Fuente: Synder R. (2001) Figura 2 – Formas de agrupar la información musical que procesa la MCP, conocidas como frases musicales. 1.3 Imaginación musical: introducción al estado actual de la problemática Diversos trabajos tratan sobre las herramientas mentales usadas comúnmente en la práctica musical de un instrumento, que incluye imágenes musicales motoras, somatosensoriales y auditivas, pero también aspectos emocionales. Congeniar una imagen somatosensorial seria por ejemplo realizar inicialmente un movimiento repetitivamente y luego seguir mentalmente, donde se considera esta una forma consciente de acceso a la memoria por medio de una imagen motora que facilita luego la realización inconsciente de un movimiento en la ejecución del instrumento [14]. La corteza auditiva derecha parece ser más importante que la izquierda, ya que en pacientes cuyo lóbulo temporal derecho fue removido tuvieron un rendimiento menor en tareas de percepción e imaginación en comparación con aquellos donde se removió el temporal izquierdo [15]. Otros Trabajos hablan de la experimentación con objetos auditivos que, similarmente a objetos visuales, pueden ser reconocidos e identificados como procedentes a una determinada fuente real o paisaje sonoro determinado (caminar bajo la lluvia, un choque entre autos, comer en un restaurant, etc.). Diversos estudios han determinado que tanto el timbre como el tono son herramientas que sirven para describir un objeto y esta categorización se produce en la corteza auditiva temprana [16]. Por ejemplo, una 4 X CONGRESO FIA Buenos Aires, 5 al 9 de Setiembre de 2016 Acústica para el siglo 21... serie de estudios evaluó la continuidad o discontinuidad de objetos auditivos a través de fMRI (Imagen por Resonancia Magnética funcional) mediante estímulos que unían o desunían los objetos [17-18]. A través de PEAs se han desarrollado diversos test con base en la imaginación musical donde sujetos músicos y no músicos escucharon el inicio de una melodía, ellos continuaron imaginando la melodía en sus cabezas, y luego escucharon un tono adicional que era correcto o incorrecto a la continuación de esa melodía. Solo aquellos que eran músicos evocaron una respuesta lo suficientemente fuerte cuando el tono adicional era incorrecto con valores máximos de iMMN (Mismatch Negativity de imaginación) de 175 ms después del tono. Los resultados mostraron que el intenso estudio de música de estos sujetos había modificado sus redes neuronales para lograr una capacidad mayor para formar imágenes y generar respuestas prematuras de atención frente a cambios en la música [19-21]. 2 Hipótesis y objetivos El estudio de la imaginación musical lleva al planteamiento de dos hipótesis: Es posible, mediante estudios de potenciales evocados cognitivos, identificar cualitativa y cuantitativamente, la presencia de imaginación musical. Existen diferencias cualitativas o cuantitativas en la imaginación musical, de sujetos entrenados comparados con aquellos sin conocimiento musical. Para probar dichas hipótesis se plantea como objetivos principales: Diseñar un test capaz de detectar, mediante potenciales evocados, la imaginación musical. Detectar diferencias en la imaginación musical entre sujetos con y sin entrenamiento musical. Y como objetivo secundario: Correlacionar la evaluación subjetiva de la imaginación con los resultados objetivos del test. Finalmente como meta objetivo: Desarrollar un estudio clínico para evaluar la imaginación musical en sujetos con patología degenerativa cerebral (Ej. Enfermedad de Alzheimer). 3 Materiales y métodos 3.1 Participantes La población de interés para evaluar la imaginación musical se divide en dos grupos a partir del “conocimiento” de música o la ausencia de él. Para ello se define a un “sujeto con conocimiento musical” (CCM) a todo aquel que posea más de cinco años de estudios formales en música de cualquier tipo y a su vez ejecute algún tipo de instrumento musical (incluyendo canto) y se desempeñe formalmente en dicha área. Se define a los “sujetos sin conocimiento musical” (SCM), a quienes no posean ningún tipo de educación formal y no tengan 5 X CONGRESO FIA Buenos Aires, 5 al 9 de Setiembre de 2016 Acústica para el siglo 21... conocimientos sobre ejecución de instrumentos musicales. En términos generales la población de muestra se limita a hombres y mujeres de edades dentro del rango de 18 a 35 años, normoyentes sin ningún tipo de daño auditivo o patologías conocidas. 3.2 Estímulos La estimulación es del tipo auditiva por medio de auriculares con curvas de respuesta en frecuencia planas en el rango de 40 a 15000 Hz. La señal utilizada para la estimulación se divide en “estándar” y “rara”. La señal de estimulación estándar es una melodía conocida para toda la población muestral, fácilmente reconocible e identificable. La señal de estimulación rara es una melodía creada totalmente nueva para los sujetos, disonante y con una rítmica y melodía muy diferente a la señal estándar. Además del contenido de ambas señales, estas se diferencian en la cantidad de apariciones durante el test, siendo que la rara aparece un 35% y la estándar un 65% durante el test. Ambas señales han sido creadas digitalmente por el mismo instrumento virtual, sin ningún tipo de efecto ni ruido de fondo en ellas. 3.3 Diseño del Test Se diseñará un test ad hoc para el presente trabajo (test de identificación y cuantificación de imaginación musical mediante potenciales evocados auditivos, TICIM-PEA), bajo la premisa de poder evaluar imaginación musical mediante la herramienta de PEAs cognitivos (P300). Entendiendo que las curvas P300 se generan al discernir entre dos señales diferentes cuando estas estimulan el cerebro del sujeto, se determinará un test por el cual la estimulación sea una única señal pero la respuesta dibuje una curva P300. Para ello se dividirá el test en dos etapas. Figura 3 – Esquema del TICIM con sus dos etapas: memorización (a) e imaginación (b). Según la figura 3, memorización, constará de estimular auditivamente con la señal estándar y la rara esto durante un tiempo de 2 minutos en forma aleatoria manteniendo la proporción de apariciones 65-35% antes mencionada. En la segunda etapa, imaginación, inmediatamente desaparecerá la señal estándar y solo se estimulará auditivamente con la rara durante otros 2 minutos también con 35% de apariciones. A partir de esos 2 minutos comenzará a registrarse la respuesta cerebral del sujeto. Si en esta etapa la medición genera una P300 se deberá a que 6 X CONGRESO FIA Buenos Aires, 5 al 9 de Setiembre de 2016 Acústica para el siglo 21... el sujeto está discerniendo entre la señal estimulada y otra imaginada. Luego analizando latencias y amplitudes (junto con la información de lateralización) se podrá catalogar cada curva, cuantificar y promediar un grado de imaginación para las dos regiones de población muestral. En el diseño del test se realizarán pruebas solo con la señal rara sin memorización previa para constatar la falta de curvas cognitivas y luego compararla con la curva obtenida del test. Además se realizarán múltiples evaluaciones con diferentes parámetros en sujetos de prueba, con el fin de obtener una respuesta fiable y reproducible con las características antedichas. 3.4 Procedimiento Las mediciones se realizarán en el Sanatorio de la Trinidad Mitre, dentro del Servicio de Neurofisiología y se evaluarán sujetos con y sin conocimiento de música (CCM & SCM) a lo largo de dos días de pruebas bajo la prueba de potenciales evocados. A cada sujeto se le realizarán las siguientes pruebas: Lateralización y Potencial evocado de corta latencia Potencial evocado cognitivo (P300) por tonos P300 estimulando solo con la señal rara TICIM-PEA La lateralización y PEA de corta latencia se realizan inicialmente para catalogar al sujeto como diestro o zurdo y normoyente. Luego se le realizará un P300 por tonos, cuyas dos frecuencias estimulo serán 2000 Hz (estándar) y 700 Hz (rara), para determinar si el sujeto genera una adecuada curva P300 por el método de medición típico, en caso contrario el sujeto será descartado para el test. A aquellos sujetos que generen P300 se les realizará una medición con estimulo único de la señal rara con aparición del 35% y el resto silencios. Esta prueba determinará que el sujeto no genera P300 cuando es estimulado con una única señal. Luego a cada sujeto se le realizará el TICIM-PEA de 4 minutos de duración con el fin de evocar su memoria a corto plazo y provocar la imaginación musical. 3.4.1 Grabación de P300 Con el fin de obtener el mejor registro de las curvas P300 se realizan previamente varias pruebas de posicionado de los electrodos superficiales, similar a un EEG (Electroencefalograma) pero registrando cada combinación una por vez y seleccionando como posición definitiva para este test aquellas con mayor amplitud registradas. A continuación la figura 4 muestra las posiciones de prueba. 7 X CONGRESO FIA Buenos Aires, 5 al 9 de Setiembre de 2016 Acústica para el siglo 21... Figura 4 – Las posiciones preliminares que se mantuvieron fijas fueron: (a) Frontal y (b) Mastoideo derecho. Las variables fueron: (c) Temporal derecho, (d) Temporal izquierdo, (e) Parietal derecho, (f) Parietal izquierdo y (g) Mastoideo izquierdo (reflejo de posición “b”). La obtención de los potenciales evocados se realizará mediante tres electrodos ubicados uno en el hemisferio frontal y dos sobre el hueso (apófisis) mastoideo derecho e izquierdo como muestra la figura 5, según la disposición estándar para la determinación de PEAs. Figura 5 – Colocación de electrodos mediante la disposición estándar, en relación a las pruebas preliminares de posicionado concuerdan con los puntos a-b-g. Luego se estimulará auditivamente vía auriculares con las señales respectivas de cada prueba arriba detalladas. El total de pruebas durarán un promedio de 50 minutos, incluyendo colocación de electrodos, descansos entre pruebas y repeticiones del test en casos de errores o problemas técnicos. 8 X CONGRESO FIA Buenos Aires, 5 al 9 de Setiembre de 2016 Acústica para el siglo 21... 4 Análisis y resultados Los resultados una vez adquiridos y anonimizados se volcarán en una base de datos para su ulterior análisis. Se realizará estadística descriptiva y testeos no paramétricos, mediante test de Mann-Whitney para comparar variables cuantitativas entre 2 grupos y test de Chi2, con corrección de Fisher, para variables dicotómicas. Se empleará el paquete estadístico G-Stat 2.0. Las variables objetivas de las curvas analizadas serán: latencia en ms, amplitud de mV. Y las variables subjetivas de los sujetos serán: lateralización en izquierda o derecha y reconocimiento de melodía en forma verbal y escrita mediante una graduación numérica. La clásica desviación P300 emerge positivamente a partir de los 250 ms y se extiende a los 900 ms, con una aparición prematura en los 140 ms. Todos estos son valores típicos cuando el sujeto se encuentra dentro del rango de edades de 17-30 años de edad [4]. Las amplitudes varían de un mínimo de 5 mV a un límite máximo habitual de 20 mV para potenciales auditivos, aunque pueden aparecer amplitudes de hasta 40 mV en algunos casos [22]. 5 Discusión y conclusiones La cuestión que se plantea es aportar información acerca de si es diferente la capacidad de imaginar la música, de un experto comparado con aquel que no tiene formación musical. El presente trabajo permitirá mediante una novedosa herramienta, evaluar diferencias entre la imaginación musical de sujetos con entrenamiento y personas sin este conocimiento. Realizando de esta manera un significativo aporte a esta área de estudio. El test se encuentra aún en su desarrollo técnico, donde se propone diseñar un sistema que controle el sincronismo entre el estimulador externo y el equipo de PEAs, para así evaluar imaginación musical en forma controlada, reproducible y repetible. La siguiente etapa del trabajo a desarrollar constará en adaptar el test aplicando las variables subjetivas de melodía y ritmo a las señales estimuladoras del TICIM-PEA y evaluarlas en 24 sujetos, normoyentes y de ambos grupos muestrales (CCM & SCM). Esta segunda etapa del test requerirá definir una nueva señal “estándar” que será previamente aprendida por cada sujeto para luego introducirla en el TICIMPEA junto con una nueva señal “rara” la cual constará de tres grados de variabilidad en cuanto a melodía o ritmo de la estándar: mínimo, medio y máximo. El sujeto en esta siguiente etapa de evaluación empleará su memoria a corto plazo (MCP) para recordar la nueva melodía estándar y luego durante el TICM-PEA deberá de volver a imaginar la señal cuando una diferente en cierto grado melódico o rítmico sea la estimulación. La finalidad es identificar y evaluar en qué grado la imaginación se ve afectada frente a las variables musicales ritmo y melodía. Agradecimientos Al personal técnico del Servicio de Neurofisiología Clínica, en especial a la Tca. Silvana Vittone. Y a todo el personal médico y directivos del Sanatorio de la Trinidad Mitre por su confianza y solidaridad que hicieron posible este trabajo. Y un especial agradecimiento al Prof. Peter Cariani por su asesoramiento especializado en el tema. 9 X CONGRESO FIA Buenos Aires, 5 al 9 de Setiembre de 2016 Acústica para el siglo 21... Referencias [1] Synder, R. Music and Memory: An Introduction, MIT Press, January 8, 2001. [2] Bregman, A. Auditory Scene Analysis: Hearing in Complex Environments. In Stephen McAdams and Emmanuel Bigand (Eds.), Thinking in Sound: The Cognitive Psychology of Audition. New York: Oxford University Press, 1993. [3] Cowan, N. Evolving Conceptions of Memory Storage, Selective Attention, and Their Mutual Constraints within the Human Information-Processing System. Psychological Bulletin, Vol. 104 (2), 1988. 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