Le codage cérébral des attentes mélodiques

Publié par Adrien le 10/03/2020 à 09:00
Source: CNRS INSB
La prédiction est centrale pour la perception et l'attente des événements à venir joue un rôle fondamental dans la perception de la musique. Dans le cadre d'une collaboration internationale, les scientifiques ont identifié un signal cérébral associé à l'attente et la surprise des notes de musique dans les mélodies. Ces travaux, publiés dans la revue eLife, pourraient à terme permettre de comprendre l'importance que chacun peut porter à la musique et comment ces mêmes mécanismes d'attente s'appliquent à la perception au sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive...) large.


L'activité cérébrale a été enregistrée avec EEG et ECoG pendant que les participants écoutaient de la musique de J-S Bach. Les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement,...) musicales et cérébrales ont été étudiées ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...) pour modéliser les réponses du cerveau (Le cerveau est le principal organe du système nerveux central des animaux. Le cerveau traite les informations en provenance des sens, contrôle de nombreuses fonctions du corps, dont la motricité volontaire, et constitue le siège...) à la mélodie et noter les attentes. Les chercheurs ont trouvé de fortes réponses cérébrales à la mélodie dans le cortex (En biologie, le cortex (mot latin signifiant écorce) désigne la couche superficielle ou périphérique d'un tissu organique.) temporal. Ils ont également constaté que seule une partie de cette aire est sensible aux attentes des notes, avec des réponses plus fortes aux notes moins attendues.
© Giovanni Di Liberto

De nouvelles recherches ont permis de trouver un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des temps par...) cérébral qui indique notre surprise lorsque nous écoutons des mélodies. Les chercheurs ont identifié un signal cérébral associé à l'attente et la surprise des notes de musique dans les mélodies. La communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces)...) exige un ensemble de règles communes. Dans le langage, l'orateur ainsi que l'auditeur doivent connaître la même langue, y compris ses règles grammaticales et son vocabulaire. De la même façon, la musique repose sur des règles et des structures qui peuvent changer radicalement d'une culture (La définition que donne l'UNESCO de la culture est la suivante [1] :) à l'autre et d'un genre à un autre. Notre familiarité avec les règles d'un type de musique particulier est cruciale pour notre plaisir et l'appréciation de ses pièces musicales. Comme pour une langue inconnue, un morceau d'un genre inconnu peut être perçu comme ennuyeux, gênant ou simplement comme une séquence de notes très étrange. Notre cerveau donne du sens à la musique que nous écoutons, ce qui est essentiel pour apprécier la musique. Toutefois, la manière exacte dont ce processus se déroule reste floue.

Cette nouvelle étude relève ce défi en montrant que le cerveau humain "devine" chaque note à venir dans une mélodie. Une nouvelle approche a permis aux chercheurs d'isoler les signaux neuronaux reflétant les attentes d'une note, et un codage (De façon générale un codage permet de passer d'une représentation des données vers une autre.) séparé a été trouvé pour les attentes sur le timing et la hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) d'une note. Les expériences ont été menées avec des techniques d'enregistrement du cerveau connues sous les noms d'électrocorticographie (ECoG) et électroencéphalographie (EEG), les participants écoutant un certain nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de mélodies pour piano tirées de sonates et de partitas de Jean Sébastien Bach.

La première technique consiste à enregistrer les signaux électriques corticaux de patients ayant subi une intervention chirurgicale pour le traitement de l'épilepsie. Cette approche fournit aux chercheurs des données neurales avec des détails spatiaux et temporels précis sur des zones corticales particulières. La deuxième technique est une méthode non invasive d'enregistrement des signaux cérébraux de la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et...) du cuir chevelu (Le cuir chevelu (en anglais scalp) désigne la partie de la peau du crâne qui développe une pilosité de type chevelure.) en plaçant des capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique,...) sur une casquette élastique que chaque participant porte pendant la durée de l'expérience (généralement 1 heure). Cette technique permet d'obtenir une vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) plus globale des réponses du cerveau à la musique, et n'est pas limitée à des patients.

Les chercheurs ont analysé l'activité cérébrale à partir de l'ECoG et de l'EEG et ont identifié les réponses du cerveau qui reflètent les attentes en matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe...) de musique telles qu'elles sont estimées par un modèle informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine d'activité scientifique, technique et industriel en rapport avec le traitement...) de la structure musicale. Ce modèle prédit chaque note à venir en se basant sur la partie précédente de la pièce musicale et sur un modèle de règles musicales, qui a été automatiquement calculé à partir d'un large ensemble de musique classique occidentale. Il est essentiel de noter que ces prévisions étaient similaires chez les musiciens experts et les non-musiciens, ce qui reflète le fait que ces derniers aussi comprennent et apprécient la musique.

Ce signal d'attente mélodique peut être utilisé comme un indice de "compréhension" de la musique et peut potentiellement contribuer à mieux cerner le lien entre la musique et les émotions, et clarifier ce qui est "universel" et ce qui est spécifique à la culture (La Culture est une civilisation pan-galactique inventée par Iain M. Banks au travers de ses romans et nouvelles de science-fiction. Décrite avec...) dans la musique. Parmi les applications possibles, on peut citer l'évaluation du développement perceptif du rythme et de la mélodie chez les nourrissons et les enfants, ainsi que l'évaluation des fonctions cérébrales pour déterminer l'efficacité des thérapies (par exemple, les thérapies cognitivo-comportementales) chez les patients atteints de démence (La démence (du latin demens) est une réduction acquise des capacités cognitives suffisamment importante pour retentir sur la vie de la personne et entraîner une perte d'autonomie. Les...).

Pour en savoir plus:
Cortical encoding of melodic expectations in human temporal cortex.
Di Liberto GM, Pelofi C, Bianco R, Patel P, Mehta AD, Herrero JL, de Cheveigné A, Shamma S, Mesgarani N.
Elife. 2020 Mar 3;9. pii: e51784. doi: 10.7554/eLife.51784.

Laboratoire:
Laboratoire des systèmes perceptifs (LSP) - CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) / ENS PARIS (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du...).
29 rue (La rue est un espace de circulation dans la ville qui dessert les logements et les lieux d'activité économique. Elle met en relation et structure les...) d'Ulm. 75005 Paris.
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