Het menselijk brein kan op basis van ervaringen conclusies trekken over wat nog moet gebeuren. Dat geldt ook als het gaat om het voorspellen van tonen. Wetenschappers hebben ontdekt dat die verwachte tonen in het  brein worden opgeslagen. Die individuele patronen kunnen met behulp van een nieuw ontwikkeld algoritme worden herkend. Deze bevindingen kunnen het onderzoek naar het ontstaan van tinnitus verder helpen.

Mensen bewegen zich continu in complexe omgevingen. Dat vereist een alerte waarneming van die omgeving. Ook als het gaat om horen, in het bijzonder om het horen van toonhoogtes. Om zich snel te kunnen oriënteren, gaat het menselijk brein van een verwachting uit. Ervaringen uit het verleden helpen het brein bij het ontdekken van patronen in de stroom van zintuigprikkelingen. Zo kunnen akoestische gebeurtenissen worden voorspeld.  Het brein extraheert de regels die bijvoorbeeld achter bepaalde toonsequenties steken. Dit voorspellen wordt niet bewust gestuurd. Het is een automatisch proces, zo legt neurowetenschapper Gianpaolo Demarchi, van het  Centre for Cognitive Neuroscience (CCNS) aan de Universiteit Salzburg uit.

Hij wil met zijn team uitzoeken of tonen specifieke activiteitenpatronen in het brein oproepen. Het gaat er dus om of de verwachte toonhoogte X met een ander neuraal patroon verbonden is dan de verwachte toonhoogte Y.

Luister nu naar De IO Show!

Elke week het nieuws van Innovation Origins in je oren!

Voorspelbare toonhoogtes

De tests werden uitgevoerd met 33 gezonde vrijwilligers. Het uitgangspunt was het creëren van sequenties van vier tonen van verschillende hoogtes. De uitdaging was om sequenties te creëren met min of meer voorspelbare toonhoogtes. Daarbij werd de hoogte van de toon afhankelijk gemaakt van een gedefinieerde waarschijnlijkheid van de voorafgaande toon. Om ervoor te zorgen dat de tijdsverwachting in alle toonreeksen gelijk was, kregen de testpersonen de tonen met exacte intervallen van 333 milliseconden te horen. Daardoor was de enige waarneembare verandering de hoogte van de tonen.

De deelnemers aan de test kregen de tonen te horen tijdens het bekijken van een 90-minuten durende film zonder geluid. Ze hoefden geen taken te doen. Het ging er alleen om hun hersenactiviteit te meten. Dat gebeurde met behulp van magneto-encefalografie (MEG). MEG meet de magnetische velden die natuurlijk ontstaan door activiteit van de hersenen.

Patroonherkenning met algoritmen

Om de diverse toonhoogtes aan de hand van het neurale activiteitenpatroon te kunnen meten, voerden de onderzoekers de verschillende patronen in algoritmes in.

Uit de resultaten kwam naar voren dat:

  • specifieke neurale patronen die bij een bepaalde toonhoogte horen, al 300 milliseconden voor het verwachte moment van het aanbieden van die toon actief werden;
  • ook weggelaten tonen een voor een specifieke neurale activiteit van de verwachte toon opriep. Het patroon was vergelijkbaar met en zelfs sterker dan dat van de gepresenteerde toon.

Bijdrage aan tinnitus-onderzoek

Deze bevindingen kunnen gebruikt worden om inter-individuelle verschillen in het voorspellingsproces bij het horen te kunnen onderzoeken. Dat is vooral bij het onderzoek naar tinnitus relevant, aldus projectleider Nathan Weisz.  Hij is hoogleraar physiologische psychologie en hoofd van de Auditory Neuroscience Group an het Center for Cognitive Neuroscience (CCNS) van de Universiteit Salzburg.

Hij weet dat:

  • niet elke persoon met een gehoorbeschadiging ook lijdt aan tinnitus,
  • niet bij elke persoon die acute tinnitus heeft, zich dit ook tot chronische aandoening ontwikkelt.

Het net afgeronde project biedt mogelijk een begin van de verklaring van het verschil tussen de individuen. Lopende onderzoeken tonen al aan dat bij tinnituspatiënten het voorspellingsproces drastisch is veranderd. Ze hebben een uitgesproken vermogen om regelmatigheden te herkennen en deze te gebruiken voor voorspellingen. Dit is een voordeel in moeilijke luistersituaties, zoals bij achtergrondgeluiden. Weisz is echter ook van mening dat dit samenhangt met de neiging om na een gehoorbeschadiging,  tinnitus te ontwikkelen.

Publicatie:

Gianpaolo Demarchi, Gaetan Sanchez, Nathan Weisz: Automatic and feature-specific prediction-related neural activity in the human auditory system” in: Nature Communications 10, Article number: 3440 (2019)

Ook interessant :

De theorie achter de pop-klassieker

Het verschil tussen het mannelijk en het vrouwelijk brein