Dokument: Investigating the neural basis of pitch memory depending on musical abilities using non-invasive brain stimulation methods

Titel:	Investigating the neural basis of pitch memory depending on musical abilities using non-invasive brain stimulation methods
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=34679
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20150701-104815-0
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	M. Sc. Schaal, Nora Kristin [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 1,77 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 01.07.2015 / geändert 01.07.2015
Beitragende:	Prof. Dr. Martin Heil [Betreuer/Doktorvater] Prof. Dr. med. Pollok, Bettina [Betreuer/Doktorvater]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	100 Philosophie und Psychologie » 150 Psychologie
Beschreibungen:	Die Tonhöhe ist ein Hauptbestandteil der Musikwahrnehmung und ein wichtiger Faktor für die Verarbeitung von sprachlichen Aspekten. Das Gedächtnis für Tonhöhen spielt beim Hören und Erinnern von Musik eine bedeutende Rolle und ist auch bei der Verwendung der Sprachmelodie, um eine inhaltliche Aussage zu unterstützen, unerlässlich. Verhaltens-experimente und bildgebende Studien haben ein spezifisches und komplexes neuronales Netzwerk für den Gedächtnisprozess von Tonhöhen gezeigt. Das Ziel der vorliegenden Dissertation war es, die neuronalen Strukturen des Kurzzeitgedächtnisses von Tonhöhen mit Hilfe non-invasiver Gehirnstimulationsmethoden zu untersuchen und dabei auch neuronale Spezialisierungen abhängig von musikalischer Expertise sowie genetischer Dispositionen zu erforschen. Die Arbeit umfasst drei Studien, die zum Verständnis der neuronalen Grundlagen des Tonhöhengedächtnisses bei Nicht-Musikern beitragen sollen. Darüber hinaus untersuchten die Studien, ob Musiker, als Experten im musikalischen Bereich, und Amusiker, die ein Defizit für das Tonhöhengedächtnis aufweisen, Unterschiede der neuronalen Repräsentation des Tonhöhengedächtnisses aufweisen. In Studie 1 wurde mit Hilfe transkranieller Gleichstromstimulation (engl. transcranial direct current stimulation, tDCS) untersucht, ob bei der Beteiligung des Gyrus Supramarginalis (SMG) ein Hemisphären-Unterschied bei Musikern und Nichtmusikern im Tonhöhengedächtnis vorliegt. Die Studie zeigte, dass bei Nichtmusikern die inhibitorische kathodale tDCS über dem linken SMG zu einer signifikanten Verschlechterung der Tonhöhengedächtnisleistung sowohl in einer Rekognitions- als auch in einer Abrufaufgabe geführt hat. Bei den Musikern wurde eine selektive Abnahme der Leistung nur bei der Rekognitionsaufgabe gefunden und, wenn tDCS über dem rechten SMG appliziert wurde. Des Weiteren deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die Bedeutung der SMG abhängig von den Aufgabenanforderungen ist. Bei Nichtmusikern wurde eine kausale Beteiligung des linken und bei Musikern des rechten SMG nur bei Aufgaben mit hoher Anforderung beziehungsweise hoher Tonhöheninformationsmenge gefunden. Bei einer visuellen Gedächtnisaufgabe wurden keine Modulationseffekte gefunden. Dieses weist auf eine spezifische Bedeutung der SMG für das Tonhöhengedächtnis beziehungsweise für das auditorische Gedächtnis hin. Studie 2 prüfte, ob der linke SMG bei Nichtmusikern während des ganzen Tonhöhen-gedächtnisprozesses involviert ist, oder, ob die Bedeutung auf eine bestimmte Phase des Gedächtnisprozess eingegrenzt werden kann. Zu diesem Zweck wurde eine repetitive transkranielle Magnetstimulation (engl. repetitive transcranial magnetic stimulation, rTMS) verwendet, um eine zeitlich genauere Modulierung zu ermöglichen. Getestet wurde, ob der linke SMG während des Retentionsintervalls (Experiment 1) oder der Enkodierung (Experiment 2) kausal involviert ist. Die Ergebnisse zeigten eine selektive Störung der Tonhöhengedächtnisleitung in Form von verlängerten Reaktionszeiten, wenn die rTMS während der Retention induziert wurde. Keine Modulationseffekte wurden gefunden, wenn die rTMS über dem Vertex (Kontrollareal) oder während der Enkodierung appliziert wurde. Um auszuschließen, dass diese Effekte auf eine motorische Modulation der Reaktionszeiten zurückgeführt werden können, wurde in einem dritten Experiment der Effekt der rTMS auf eine Tonhöhenwahrnehmungsaufgabe untersucht. Hierbei zeigten sich keine Veränderungen der Reaktionszeiten. Zusammengefasst zeigte die Studie eine selektive Beteiligung des linken SMG während der Retentionsphase der Tonhöhenaufgabe bei Nichtmusikern. Studie 3 untersuchte, ob eine zuvor beschriebene Dysfunktion des dorsolateralen präfrontalen Kortex (DLPFC) bei Amusikern kausal relevant für das Defizit des Tonhöhengedächtnisses ist. Im Bereich des DLPFC wurde bei Amusikern eine Amplitudenabnahme von Oszillationen im niedrigen Gammabereich (30-40 Hz) während einer Tonhöhengedächtnissaufgabe gezeigt. Es stellte sich die Frage, inwieweit diese Veränderungen ein Schlüsselfaktor der Amusie sein können. Diese Störung wird mit musikalischen Wahrnehmungs- und Gedächtnisdefiziten in Verbindung gebracht. In dieser Studie wurde die transkranielle Wechselstromstimulation (engl. transcranial alternating current stimulation, tACS) verwendet. Obwohl die genauen Wirkmechanismen der tACS noch nicht vollständig geklärt sind, gibt es experimentelle Hinweise darauf, dass diese Methode ein Entrainment enodgener Oszillationen in der Stimulationsfrequenz erlaubt. In der vorliegenden Studie wurde untersucht, inwieweit die tACS mit einer Frequenz von 35 Hz über dem rechten DLPFC das Tonhöhengedächtnis bei Amusikern verbessern kann. Diese führten eine Tonhöhen- sowie eine visuelle Gedächtnisaufgabe vor und während einer 35 Hz oder einer 90 Hz (Kontrollbedingung) tACS durch. Die Studie zeigte eine signifikante Verbesserung der Tonhöhengedächtnisleitung während der 35 Hz Stimulation. Des Weiteren führten gesunde Kontrollprobanden die Aufgaben ohne Stimulation aus. Der Vergleich zwischen Amusikern und Kontrollprobanden zeigte vor der tACS eine selektive Beeinträchtigung des Tonhöhengedächtnisses bei Amusikern. Dieser Unterschied war bei einer 35 Hz tACS nicht mehr erkennbar. Daher unterstützt diese Studie die funktionale Relevanz der modifizierten Oszillationsmuster im rechten DLPFC für die Basis der Amusie. Die Hauptergebnisse der Dissertation sind (i), dass hemisphärische Unterschiede der funktionalen Beteiligung der SMG beim Kurzzeitgedächtnis für Tonhöhen zwischen Musikern und Nichtmusikern gefunden wurden (ii), dass die Bedeutung des linken SMG für das Tonhöhengedächtnis bei Nichtmusikern auf das Retentionsinterval des Gedächtnis-prozesse eingegrenzt werden konnten und (iii), dass verminderte Oszillationen im niedrigen Gammaband im DLPFC bei Amusikern ein kausaler Grund für die Tonhöhen-gedächtnisdefizite dieser kongenitalen Störung sein könnten. Pitch is a main building block of music perception and also an important factor for processing linguistic aspects. Memory for pitch plays an essential role when it comes to listening and memorising music and when using the prosody in language to convey a meaning. Behavioural research and brain imaging studies have highlighted a distinct and complex neural network underlying the pitch memory process. The aim of the present thesis was to look into the neural basis of short-term memory for pitches using different non-invasive brain stimulation methods and to investigate whether neural specialisations can be found depending on musical expertise and genetic dispositions. The thesis comprises three studies which contribute to the understanding of which brain areas are involved in the pitch memory process. Moreover, the studies investigated whether specificities can be revealed for musicians, as experts in the musical domain, and amusics who dispose a pitch memory deficit. Study 1 used transcranial direct current stimulation (tDCS) to investigate whether hemispheric differences of the significance of the supramarginal gyrus (SMG) for pitch memory can be revealed in non-musicians and musicians. The study showed that in non-musicians inhibitory cathodal tDCS over the left SMG led to a significant decline in pitch memory performance on a recognition and recall task. In musicians, a selective deterioration was found on the recognition task only and when tDCS was applied over the right SMG. Furthermore, the results of the study suggest that the involvement of the SMG depends on task demands. The causal significance of the left SMG in non-musicians and the right SMG in musicians was found when the task demands were high i.e. the pitch information load which had to be stored was high. No modulation effects were found on a visual memory task, highlighting the specific involvement of the SMG in pitch i.e. auditory memory. Study 2 explored whether the left SMG in non-musicians is involved in the whole pitch memory process or whether the significance can be linked to a specific stage of the pitch memory process. To allow a temporally more precise modulation, repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) was used in order to test whether the left SMG is causally involved during the retention period (experiment 1) or the encoding stage (experiment 2). The results revealed a selective disruption of pitch memory performance, reflected by increased reaction times, when rTMS was applied during retention. No modulation effects were found when stimulation was applied over the vertex (control site) or during encoding. Additionally, a third experiment was conducted on a pitch perception task which showed that the effect of increased reaction times was not due to motor interference. Taken together, the study showed a selective involvement of the left SMG in the retention period of a pitch memory task in non-musicians. Study 3 examined whether the dysfunction of the dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC), reflected by decreased low gamma oscillations (in the 30-40 Hz range) during pitch memory, is a key factor for congenital amusia. The disorder is linked to musical perception and memory deficits. Transcranial alternating current stimulation (tACS) was used in this study. Although the exact effectiveness of tACS has yet to be solved, first evidence exists that this method allows the entrainment of ongoing brain oscillations at a certain stimulation frequency. TACS at 35 Hz over the right DLPFC was applied in order to investigate whether pitch memory can be improved in amusics. To this end, amusics performed a pitch and visual memory task before and during either 35 Hz or 90 Hz (control condition) tACS. The study revealed a significant facilitation of pitch memory performance during 35 Hz stimulation. Healthy controls also completed both tasks without stimulation. The comparison of performances between the groups showed a selective impairment for amusics of pitch memory at baseline but interestingly this difference was no longer present during 35 Hz tACS. The study therefore supports the functional relevance of reduced low gamma oscillations in the right DLPFC as a basis of the congenital disorder. The main findings of the thesis are (i) that hemispheric differences of the functional involvement of the SMG for short-term memory for pitches could be revealed for musicians and non-musicians (ii) that the significance of the left SMG in non-musicians for pitch memory could be restricted to the retention interval of the memory process and (iii) that modified oscillations at the low gamma range during pitch memory in the right DLPFC in amusia are causally related to pitch memory deficits.
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Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Psychologie » Allgemeine Psychologie
Dokument erstellt am:	01.07.2015
Dateien geändert am:	01.07.2015
Promotionsantrag am:	17.02.2015
Datum der Promotion:	22.06.2015