The effects of musical training on auditory statistical learning: electrophysiological and behavioral evidence

Abstract

Musical training is an experience-driven model of neuroplasticity that allows studying the consequences of long-term multi-modal training on the brain. Research has shown that training is associated with structural and functional brain changes that bring advantages to auditory processing and may enhance specific cognitive functions. The literature has showed transfer effects from musical training to speech processing, namely prosody processing, word learning and speech segmentation. Yet, it is still not clear which brain mechanisms are modified by musical training contributing to musicians’ enhanced segmentation and learning of speech sounds. One hypothesis is that training promotes the ability to compute regularities and extract patterns from the acoustic environment – auditory statistical learning (ASL) –, which, in turn, may facilitate the processing of speech. The studies reported in this Dissertation aimed at examining the effects of musical training on ASL abilities. We attempted to clarify if musical training facilitates the ASL of different types of auditory sequences (i.e., linguistic vs. musical), with or without musical characteristics (i.e., within vs. cross-domain effects), with distinct levels of complexity (e.g., simple vs. more complex structures), at different levels of processing (i.e., learning vs. recognition), with or without the influence of attention (i.e., attentively vs. pre-attentively) at neural and behavioral levels. In order to fully investigate the neural dynamics of ASL mechanisms with high temporal precision, the Event-Related Potentials (ERP) technique was applied. Chapter 3 explored the neural correlates of the pre-attentive processing of statistical regularities in pure tones in musicians and non-musicians. There were no differences between groups in the mismatch negativity (MMN) amplitude to pitch deviants. These findings suggest that musicians and non-musicians have the same sensitivity to detect deviances based on pitch modulations, which indicate that, at least at a pre-attentive level, musicians and nonmusicians compute simple statistical regularities similarly. Chapter 4 investigated the role of musical training on the attentive ASL of different types of auditory stimuli. Three ERP experiments, each composed of learning, implicit test and explicit behavioral test phases were designed to evaluate the ASL of three types of auditory sequences: prosodic (i.e., words with melodic contour), non-prosodic (i.e., words with flat contour) and musical (i.e., tri-tone piano melodies). During learning, musicians evidenced an enhanced negativity in the 250-300 ms latency window in response to prosodic words and an increased positivity in the first 100 ms post-melodies’ onset. With exception of the responses to the prosodic stream, musicians and non-musicians neural responses to violations of the streams’ structure were similar. At the behavioral level, only musicians demonstrated successful learning across the three experiments. These findings suggest that training has an effect on the neural dynamics underlying ASL and on the capacity to learn from the regularities of distinct types of acoustic sequences, evidencing cross-domain neuroplasticity effects. Chapter 5 investigated the effects of training on ASL when the auditory stimulation is outside the focus of attention. The statistical learning of prosodic, non-prosodic and musical sequences was tested while participants were attending a visual task. While the learning unfolded, the groups did not differ in their ERP responses to both types of linguistic sequences but musicians showed larger positivities in two distinct latency windows while processing the musical stream. Musicians’ and non-musicians’ ERP responses to violations only differed when participants were processing melodies. Behaviorally, the groups showed similar learning performances. The results suggest that participants demonstrate statistical learning of speech regularities even when the auditory input is outside the focus of attention. Thus, when the auditory input is task-irrelevant, musical training is not advantageous to ASL but it affects the way the brain computes regularities among musical sequences (i.e., within-domain neuroplasticity). Generally, the ERP and behavioral results of our studies clarify the extent and the conditions under which musical training has effects on ASL. The findings suggest that training modifies the attentive processing of regularities independently of stimulus-type, which is evidence for cross-domain neuroplasticity. However, they also indicate that when ASL proceeds outside the focus of attention training effects are only observable for musical streams. This Dissertation provides relevant evidence on basic auditory learning mechanisms and on how they can be modified by musical training, contributing to shed light on the brain dynamics of music-to-speech transfer effects.

O treino musical é considerado um modelo de neuroplasticidade que possibilita o estudo dos efeitos do treino de longo-prazo sobre o cérebro. A investigação tem mostrado que o treino musical está associado a mudanças na estrutura e função cerebrais que acarretam vantagens para o processamento auditivo e que podem beneficiar determinadas funções cognitivas. A literatura demonstrou que existem efeitos de transferência positivos do treino musical para o processamento de discurso, nomeadamente o processamento da prosódia, a aprendizagem de palavras e a segmentação de discurso. Contudo, ainda não são claros quais os mecanismos cerebrais que são modificados pelo treino e que contribuem para que os músicos evidenciem uma maior facilidade na aprendizagem e segmentação do discurso. Uma hipótese explicativa baseia-se na ideia de que o treino beneficia o cálculo de regularidades e a abstração de padrões do ambiente acústico – aprendizagem estatística auditiva (AEA) -, o que, em consequência, pode facilitar o processamento do discurso. Os estudos desenvolvidos no âmbito desta Dissertação examinaram os efeitos do treino musical sobre a AEA. Procurou-se clarificar se o treino musical facilita a AEA de diferentes tipos de sequências auditivas (i.e., linguísticas vs. musicais), com ou sem características melódicas, com diferentes níveis de complexidade (i.e., estruturas simples vs. complexas), em diferentes níveis de processamento (i.e., aprendizagem vs. reconhecimento), com ou sem a influência da atenção, a nível comportamental e cerebral. Para investigar os mecanismos neuronais envolvidos na AEA com elevada precisão temporal foi usada a técnica dos potenciais evocados (PE). O Capítulo 3 explorou os correlatos neuronais do processamento pré-atencional de regularidades estatísticas com base em sons puros. A amplitude da mismatch negativity não diferiu entre músicos e não-músicos embora a sua latência tendesse a ser mais precoce nos músicos. Estes resultados revelam que o treino musical parece não influenciar a sensibilidade para a detecção de desvios acústicos, mas parece influenciar a rapidez da resposta a estas desvios, o que indica que, a um nível pré-atencional, músicos e não-músicos percepcionam regularidades acústicas simples de forma similar. No Capítulo 4 investigou-se o papel do treino na AEA de diferentes tipos de estímulos auditivos. Três experiências distintas de PE, cada uma composta por fases de aprendizagem, de teste implícito da aprendizagem e de teste comportamental, foram criadas para avaliar a AEA de diferentes sequências auditivas: prosódicas (i.e., palavras pronunciadas de forma melodiosa), não-prosódicas (i.e., palavras sem melodia) e musicais (i.e., melodias). Durante a aprendizagem, os músicos evidenciaram um negatividade aumentada (250-300 ms) em resposta às palavras prosódicas e uma positividade aumentada nos primeiros 100 ms de processamento das melodias. Durante a fase de teste implícito, as respostas neuronais dos grupos só diferiram aquando do processamento das palavras prosódicas. Ao nível comportamental, apenas os músicos demonstraram ter aprendido os diferentes tipos de sequências. Estes resultados sugerem que o treino altera os mecanismos neuronais subjacentes à AEA e influencia positivamente a capacidade para aprender regularidades estatísticas, independentemente do tipo de estímulo. No Capítulo 5 examinaram-se os efeitos do treino sobre a AEA quando as sequências auditivas estavam fora do foco atencional dos participantes. Os resultados mostraram que não houve efeito do treino durante a aprendizagem das sequências linguísticas; contudo, os músicos evidenciaram maiores amplitudes em duas positividades enquanto aprendiam as melodias. No mesmo sentido, as respostas dos grupos durante as fases de teste implícito apenas diferiram durante a experiência com melodias. Ao nível comportamental, os grupos mostraram performances similares no reconhecimento das palavras prosódicas. Estes resultados indicam que a aprendizagem das regularidades estatísticas contidas em discurso com prosódia ocorre mesmo quando a atenção não está focada nesses estímulos. Assume-se então que, quando a estimulação auditiva não é relevante para a tarefa, possuir treino musical não é vantajoso para a AEA apesar de, ao nível cerebral, o treino ter efeito sobre a forma como as sequências auditivas são processadas. Os resultados desta Dissertação clarificam a extensão e as condições sobre as quais possuir treino musical se traduz em efeitos positivos para a AEA. Sugere-se que o treino promove o processamento das regularidades acústicas, independentemente do tipo de estímulo, quando a aprendizagem ocorre ativamente (i.e., atenção focada nos estímulos) mas não quando os indivíduos estão focados numa tarefa distinta. A presente Dissertação fornece evidência relevante sobre os mecanismos básicos envolvidos na aprendizagem auditiva e sobre a forma como o treino musical pode modificá-los, contribuindo para o nosso conhecimento sobre as bases neuronais dos efeitos de transferência entre música e discurso.