B. NARDI, G. BORSETTI, M. BRANDONI, C.CHERUBINI, R. COLOCCI, R. LUCONI, G. PANNELLI, E. PUCCI - Vol. 6, Giugno 2000, num.2
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Articolo regolare/Regular article
Modificazioni bioelettriche, valutate
mediante eeg computerizzato (eeg-c), durante prove di
ascolto musicale
Computerized EEG (C-EEG) evaluation of
bioelectrical changes during
musical tasks
B. NARDI, G. BORSETTI, M. BRANDONI, C.
CHERUBINI, R. COLOCCI, R. LUCONI, G. PANNELLI, E. PUCCI
Istituto di Discipline Psichiatriche e Sociomediche,
Ospedale "Umberto I",
Università di Ancona
Parole chiave:
EEG computerizzato (EEG-C) • Processi cognitivi • Lateralità emisferica
• Neurofisiologia • Suono
Key words:
Computerized EEG (C-EEG) • Cognitive functions • Emispheric lateralization
• Neurophysiology • Sound
Introduzione
Nel settore della ricerca cognitiva contemporanea sull'elaborazione centrale
degli stimoli uditivi, gli studi di psicologia musicale concernenti il "think
in sound" hanno postulato la presenza di rappresentazioni mentali delle proprietà
specifiche dei suoni (semplici: tono, durata, timbro, intensità; complesse:
ritmo, armonia, melodia) (3,27)
.A questo proposito, l'elaborazione dell'informazione musicale può essere
concepita globalmente come comprendente un numero di differenti stadi successivi
(3,25,95)
.Il sistema uditivo sembra infatti impiegare una serie di meccanismi di elaborazione
("processi uditivi primitivi di gruppo"), che organizzano in "eventi" o "rappresentazioni
mentali" ("descrizioni mentali") (6,7)
l'insieme dei suoni prodotti da varie sorgenti sonore. La costruzione di queste
"descrizioni", basata su un numero limitato di segnali acustici, suggerisce
l'esistenza di alcuni processi definiti "decisioni di gruppo", che consentono
di arrivare ad una rappresentazione mentale chiara. Il successivo stadio di
elaborazione ("elaborazione della struttura dell'evento") assembla gli eventi
in una rappresentazione mentale strutturata della forma musicale (26)
.
Secondo la teoria di Bregman (6,7)
,sia la percezione che la comprensione uditiva sono basate su generalizzazioni
acquisite attraverso specifiche esperienze musicali (acculturazione e training
in un determinato ambiente acustico e socioculturale) e successivi processi
elaborativi complessi di astrazione e di codificazione delle relazioni tra
categorie musicali. Si avvia in questo modo un tipo di attività che
consente di costruire la rappresentazione mentale dei nuovi input uditivi
secondo contesti percettivi già appresi. Ne deriva che l'aspettativa
di un determinato evento musicale sembra guidare ed influenzare l'attivazione
delle strutture di conoscenza che riguardano il modo con cui si interpretano
le informazioni sensoriali (10)
.
A questo proposito, numerosi contributi sperimentali in ambito neuropsicologico
hanno permesso di approfondire la conoscenza delle funzioni cerebrali più
elevate, ritenute fondamentali nell'elaborazione delle informazioni cognitive
complesse, sia di tipo logico-matematico, che di tipo analogico musicale (34-36,22,23,39,45)
.
Diversi ricercatori hanno infatti indagato le possibili correlazioni tra i
processi mentali di rappresentazione dell'informazione uditiva e le regioni
cerebrali coinvolte nell'elaborazione della stessa (19,24,28,33,48)
.
I primi studi che hanno riconosciuto il ruolo svolto dall'emisfero destro
nell'attività musicale sono stati realizzati dalla Milner (28)
(usando la "Seashore Measure for Musical Talents") ed hanno mostrato
come la lobectomia temporale destra in pazienti epilettici renda difficili
alcuni tipi di discriminazioni uditive, risultando particolarmente colpiti
sia la capacità di confronto di esempi musicali che il giudizio sulla
qualità del suono. I suoi lavori sono stati successivamente approfonditi
da Kimura (19)
mediante la tecnica di ascolto dicotico in volontari sani ed hanno evidenziato
la superiorità dell'emisfero destro e, più specificamente, del
lobo temporale, nell'elaborazione della melodia (insieme di suoni con più
note consecutive).
A sostegno di tali dati sperimentali altre ricerche hanno mostrato come, in
soggetti senza una particolare attitudine alla musica, la discriminazione
delle sequenze tonali e la percezione armonica siano lateralizzate all'emisfero
destro (46,48)
.Questo aspetto è stato confermato da studi successivi realizzati mediante
la tecnica radioisotopica PET (Positron Emission Tomography) (49,50)
.
Il concetto che la musica possa essere differentemente percepita da persone
con o senza conoscenze musicali è stato avanzato da Bever e Chiarello
(2)
e ripreso dagli studi di Johnson (17)
,Gordon (14)
,Peretz e Morais (32)
,Hassler (15)
,i quali hanno notato che il coinvolgimento dell'emisfero destro nella percezione
della melodia è presente solamente nei soggetti non musicisti, mentre
i soggetti con esperienza musicale sembrano analizzare la struttura musicale
utilizzando prevalentemente l'emisfero di sinistra secondo modalità
analitiche e non olistiche. L'ipotesi di una dominanza dell'emisfero sinistro
nei soggetti musicisti è stata recentemente supportata anche da studi
morfologici (RMN o Risonanza Magnetica Nucleare) (43)
e da tecniche di neuroimaging funzionale (FTCD o Functional Transcranial Doppler
Sonography) (12)
.
Anche il recente impiego delle metodiche di EEG computerizzato (EEG-C) e di
EEG mapping (EEG-M), hanno contribuito ad estendere la conoscenza sulle caratteristiche
strutturali e funzionali del sistema cerebrale uditivo e chiarito in parte
i meccanismi implicati nell'elaborazione dell'informazione uditiva complessa.
Diversi sono i lavori che hanno indagato, in soggetti normali, le correlazioni
tra i processi cognitivi (abilità verbali, logico-matematiche, spaziali,
musicali, etc.) e l'attività bioelettrica cerebrale (20-22,16,41)
.
In tale approccio, fondamentale è risultata l'introduzione di apparecchiature
che consentono la computerizzazione dei dati EEG e la loro conversione analogico-digitale,
con possibilità di operare confronti statistici tra singoli casi o
tra gruppi in medesime o in differenti condizioni sperimentali (8,11)
.Infatti, rispetto alle metodiche tradizionali, l'EEG computerizzato è
in grado di fornire una serie di informazioni, relative ai correlati bioelettrici
delle funzioni psichiche, notevolmente superiore, sotto il profilo quantitativo
e localizzatorio, sia per quanto concerne l'attività spontanea che
quella evento-correlata, con possibilità di analizzare i dati in tempo
reale o in momenti successivi (30)
.
Gli studi di Petsche (34-39)
basati sull'associazione di tests cognitivi (prove aritmetiche, lettura ed
ascolto di linguaggio parlato o di musica) alla registrazione dell'attività
elettrica cerebrale mediante "Electroencephalographic Probability Maps"
(EEGPM), hanno mostrato cambiamenti bioelettrici significativi della potenza
assoluta e della "coerenza" (parametro che esprime il grado di accoppiamento
anatomo-funzionale tra due regioni cerebrali in un certo istante), ritenute
utili per indagare i processi cerebrali elicitati attraverso compiti mentali
differenti (4,41,44)
.
In particolare, Petsche (34)
ha indagato le variazioni bioelettriche in due gruppi di probandi, uno dei
quali con numerosi anni di training con uno strumento musicale. Sono state
scelte cinque bande di frequenza tra i 4 Hz ed i 32 Hz ed è stato stimato
il parametro coerenza. Durante l'ascolto della musica è stato osservato,
nel gruppo educato alla musica, un significativo decremento della coerenza
su entrambi gli emisferi con prevalenza destra, mentre nel gruppo privo di
educazione musicale il decremento della coerenza ha interessato esclusivamente
l'emisfero di sinistra. Il primo gruppo ha inoltre mostrato maggiori cambiamenti
nel range di frequenza tra i 18 Hz ed i 24 Hz, il secondo gruppo tra i 13
Hz ed i 18 Hz. Infine, nel gruppo con training musicale, i cambiamenti bioelettrici
si sono presentati con maggiore frequenza ed hanno coinvolto regioni encefaliche
più ampie rispetto al gruppo privo di educazione musicale.
Un successivo studio di Petsche, Von Stein e Filz (38)
ha evidenziato, in una donna violoncellista, variazioni consistenti e significative
dei pattern di coerenza nell'immaginare e nell'ascoltare la musica, rispetto
ai non musicisti.
I dati emersi dai lavori di Petsche (34,35,38)
,concernenti lo studio delle funzioni cerebrali mediante l'ascolto della musica,
sembrano confermare che quando musicisti e non musicisti si confrontano con
lo stesso tipo di compito (come l'ascolto di musica) impiegano schemi di attivazione
diversi, in rapporto verosimilmente alle diversificate strategie cognitive
di elaborazione musicale, senza un'evidente lateralizzazione di tale funzione
cerebrale. Questo aspetto è stato anche confermato da altri autori
che, utilizzando la stessa tecnica d'indagine (EEG-C) non hanno rilevato,
in soggetti musicisti, significative differenze tra l'attivazione dell'emisfero
destro e sinistro durante la percezione ritmica (1)
.
In accordo con quanto precedentemente riportato, ci si è pertanto proposti
di verificare, mediante registrazione EEG-C e la successiva analisi degli
spettri di potenza, le modificazioni bioelettriche cerebrali durante l'ascolto
di prove musicali, al fine di valutare, in condizioni di normalità,
le modalità di elaborazione dell'informazione musicale, tenendo conto
della dominanza manuale nonché del livello di conoscenza e di training
musicale di ciascun soggetto.
Soggetti e metodi
Soggetti
Sono stati studiati 14 soggetti volontari, in buono stato di salute, con anamnesi negativa per pregressi disturbi psico-comportamentali, fisici ed uditivi.
Per una valutazione quantitativa dell'emisfero dominante è stato somministrato a tutti i soggetti il questionario di Oldfield (31) .
Sono stati inclusi esclusivamente soggetti destrimani con punteggio inferiore o uguale a 25. Tali soggetti sono stati suddivisi nel gruppo dei musicisti, composto da 7 soggetti (range: 25-43 anni; età media: 34 anni), tutti con una specifica preparazione musicale della durata di almeno cinque anni e con capacità di suonare almeno uno strumento, ed in quello dei non musicisti, composto da 7 soggetti (range: 25-31 anni, età media: 28 anni), privi di esperienza musicale (incapacità a leggere uno spartito).
Registrazione EEG-C
Ciascun soggetto è stato sottoposto a registrazione EEG mediante poligrafo digitale computerizzato "Galileo" implementante il programma "Sirius", con uscita analogica a 16-24 canali (1-64 Hz). Il programma consente la quantificazione dell'EEG attraverso tecniche di analisi spettrale, la rappresentazione topografica dei risultati (sotto forma di mappe di potenza di banda e di frequenza media) ed il confronto quantitativo e statistico tra i diversi tracciati o tra gruppi di tracciati. Le procedure per il confronto tra due gruppi di tracciati si sono basate sull'analisi della varianza (definita come media aritmetica dei quadrati degli scarti dalla media aritmetica M del carattere considerato X), riducibile al T-Test nel caso di due gruppi o due condizioni sperimentali. Il risultato è stato espresso in termini di parametro F (di Fischer) o il relativo valore di significatività delle differenze tra le medie dei vari gruppi.
Il calcolo degli spettri di potenza è stato riferito ad intervalli di tempo ("epoche") impostati dall'operatore (2 sec). Oltre alla durata delle epoche, sono stati fissati il campo delle frequenze da analizzare ed i limiti di frequenza delle bande impostate in accordo con i criteri standard.
Il programma ha incluso un algoritmo di soppressione dei segmenti di segnale (2 sec) nei quali esso ha superato il livello di soglia impostato ("rejection threshold": > 64 Hz). Inoltre le epoche sono state ulteriormente selezionate da un operatore esperto per escludere il più possibile l'attività artefattuale.
I patterns bioelettrici sono stati registrati mediante 19 elettrodi, posizionati sullo scalpo, in accordo con il Sistema Internazionale 10-20 (Fp1, Fp2, F7, F3, Fz, F4, F8, T3, C3, Cz, C4, T4, T5, P3, Pz, P4, T6, O1 e O2), con montaggio in referenza media.
Il tracciato ottenuto è stato memorizzato su disco ottico (15/230 Mbytes); dopo ogni registrazione i patterns bioelettrici relativi ai 19 canali sono stati analizzati su monitor e sono state escluse le epoche di tracciato (ciascuna della durata di 2 sec) contenenti artefatti.
Al fine di studiare il livello di "arousal" cerebrale durante la somministrazione delle prove musicali, il tracciato è stato elaborato con il programma di analisi spettrale, ottenendo spettri di potenza assoluta delle bande di attività: delta (0-4 Hz), theta (4-8 Hz), alfa (8-12 Hz), beta (12-32 Hz).
A questo proposito è opportuno tenere presente che, in accordo con quanto riportato da Nuwer (29) ,la potenza assoluta misura, nell'analisi di frequenza, la media complessiva dell'attività EEG in una determinata banda, in microvolts quadri, indipendentemente dal complesso dell'attività EEG nelle altre bande.
Il protocollo sperimentale ha previsto la somministrazione di un compito cognitivo complesso, consistente nell'ascolto di due brani musicali, il primo esclusivamente strumentale (E. Grieg, "Peer Gynt", IV movimento), il secondo costituito da una ballata con componente vocale e strumentale (F. De Andrè, "Il gorilla"), separati da un intervallo di registrazione con fruscio di fondo.
Inoltre, è stata effettuata ad ogni soggetto un'intervista semi-strutturata sull'attività mentale riferita dal medesimo durante il compito cognitivo somministratogli.
La registrazione EEG è stata quindi effettuata nel corso delle seguenti fasi, di tre minuti ciascuna: 1) condizione di riposo psicosensoriale (RPS; soggetto supino, rilassato, occhi chiusi), 2) ascolto del brano esclusivamente strumentale (ABS; soggetto occhi chiusi), 3) ascolto del fruscio di fondo (AFF; soggetto occhi chiusi), 4) ascolto del brano strumentale e vocale (ABSV; soggetto occhi chiusi).
Sono stati effettuati confronti fra la fase di RPS e le due prove musicali (ABS ed ABSV) nel gruppo dei musicisti (M) ed in quello dei non musicisti (NM).
Inoltre è stato messo a confronto il gruppo M con il gruppo NM durante l'ascolto dei due pezzi musicali (ABS ed ABSV).
I valori degli spettri di potenza assoluta dei singoli soggetti, quelli concernenti l'intero gruppo dei soggetti esaminati, nonché quelli relativi ai confronti di gruppo tra musicisti e non musicisti sono stati sottoposti ad analisi statistica mediante T-Test.
Risultati
Al test di Oldfield, non sono state riscontrate differenze statisticamente significative tra musicisti (range: 10-16, media: 12,33) e non musicisti (range: 11-18, media: 12,57).
Nel confronto tra RPS ed ABS, nei musicisti, si è riscontrato un decremento statisticamente significativo dell'attività theta nelle regioni parieto-occipitale destra (p < 0,02) e temporo-occipitale sinistra (p < 0,03); inoltre è stato osservato un decremento statisticamente significativo dell'attività alfa nelle regioni fronto-temporali destre (p < 0,04). Non sono state riscontrate variazioni statisticamente significative dell'attività delta e beta (Tab. I).
Viceversa nel confronto tra RPS ed ABS, nei soggetti non musicisti, nessuna delle bande di attività studiate ha mostrato variazioni statisticamente significative.
Confrontando RPS con ABSV, nei soggetti musicisti, non si sono riscontrate variazioni statisticamente significative per le attività alfa, beta e delta, mentre per l'attività theta si è avuto un decremento statisticamente significativo nelle regioni parietale destra (p < 0,02) e temporale sinistra (p < 0,02) (Tab. II).
Al contrario, nel gruppo non musicisti, il confronto fra le prove RPS ed ABSV non ha mostrato modificazioni statisticamente significative dell'attività bioelettrica cerebrale.
Nel confronto tra i due gruppi musicisti (M) e non musicisti (NM), nella prova ABS, i dati emersi per l'attività delta non hanno evidenziato differenze significative dell'attività bioelettrica. Si è invece riscontrata nel gruppo musicisti (M) una diminuzione significativa della attività theta nelle regioni temporali di entrambi gli emisferi e nella regione frontale sinistra (p < 0,05) e dell'attività alfa nelle regioni frontali e temporo-parietali bilateralmente (p < 0,02) (Tab. III). Per quanto riguarda l'attività beta non si sono osservate modificazioni statisticamente significative.
Durante ABSV, nei soggetti musicisti, è stata osservata una riduzione statisticamente significativa dell'attività theta nelle regioni temporali bilaterali (p < 0,05) e nella regione frontale sinistra (p < 0,02). Nella stessa prova si è rilevata una riduzione dell'attività alfa nella regione frontale destra (p < 0,05) ed in quella temporale anteriore sinistra (p < 0,03). Per quanto riguarda l'attività beta non si sono osservate modificazioni statisticamente significative (Tab. IV).
Discussione
Differenze significative sono emerse operando un confronto tra i dati dei soggetti con conoscenza musicale e quelli dei soggetti che ne erano sprovvisti. Infatti, passando da una condizione di riposo psicosensoriale all'ascolto del brano strumentale e di quello strumentale e vocale, i musicisti (al contrario dei non musicisti) hanno presentato modificazioni statisticamente significative dell'attività bioelettrica in diverse aree di entrambi gli emisferi (più diffuse in quello destro durante ABS).
Inoltre, durante ABS, i musicisti hanno ridotto significativamente, rispetto ai non musicisti, l'attività theta nella regione frontale sinistra e l'attività alfa nelle aree fronto-temporali di entrambi gli emisferi.
Tali modificazioni possono essere interpretate come desincronizzazione legata all'attività di elaborazione della traccia sonora ascoltata, che è avvenuta maggiormente nei soggetti musicisti impegnati nel compito di analisi musicale del brano rispetto ai non musicisti che invece hanno riferito di essersi rilassati.
Pertanto i dati di questo studio sono in accordo con le conclusioni tratte da altri gruppi, e in particolare con quelle di Petsche (34,35,38) .
Le modificazioni bioelettriche sembrano inoltre dimostrare, nei soggetti in possesso del linguaggio musicale, la tendenza ad incrementare le capacità attentive durante l'ascolto dei brani somministrati, senza una marcata prevalenza emisferica, come era stato osservato già da Beisteiner (1) .
Infatti, pur esistendo una notevole variabilità inter-individuale (legata ad aspetti motivazionali, di risonanza emotivo-affettiva, e di interesse, nonché alla diversa competenza nella gestione del linguaggio musicale), i dati ottenuti confermano il coinvolgimento di diverse aree associative sia destre che sinistre nell'analisi dei compiti musicali presentati. L'attivazione di tali aree in entrambi gli emisferi documentano l'espressione di varie funzioni psichiche, d'ordine non solamente senso-percettivo, ma anche attentivo, mnesico e simbolico-complesso (fasico, gnosico e prassico). In questo senso va in particolare interpretata la maggiore riduzione, statisticamente significativa, dell'attività alfa nei musicisti durante l'ascolto del brano strumentale, riscontrata in corrispondenza delle aree fronto-temporo-parietali dei due emisferi.
D'altra parte, proprio la variabilità inter-individuale delle strategie di analisi e la complessità delle funzioni psichiche coinvolte (che utilizzano numerosi e dispersi sistemi neuronali operativo-funzionali) spiegano perché, nel caso della elaborazione di un compito musicale, non sia sempre possibile mettere a fuoco specifici aspetti localizzatori, che pure sono stati descritti da numerosi autori, utilizzando test neuropsicologici (28) ,stimoli semplici (test di ascolto monotico e dicotico) (2,14,17,19) e, più recentemente, sofisticate tecniche di neuroimaging (PET, FTCD) (48-50,12,43) .
Questi ultimi autori hanno evidenziato come i soggetti musicisti tendano a localizzare la percezione armonica dello stimolo musicale prevalentemente nell'emisfero sinistro, mentre i non musicisti soprattutto all'emisfero destro, aspetto che non ha trovato evidenti conferme nei nostri dati come, del resto, in quelli di altri autori (34,35,38) .
D'altra parte, in accordo con quanto evidenziato anche dagli studi di Beisteiner et al. (1) ,i dati emersi da questa indagine hanno messo in evidenza che il bilanciamento delle funzioni cognitive cerebrali tra i due emisferi riveste un'importanza maggiore rispetto alla localizzazione dei moduli che supportano le funzioni corticali più elevate, soprattutto nel caso di soggetti con specifiche competenze nell'ambito del linguaggio musicale.
Nel confronto fra musicisti e non musicisti durante ABS ed ABSV sono state riscontrate modificazioni significative nelle regioni fronto-temporali sinistre, corrispondenti alle aree linguistiche, che denotano come nei musicisti l'analisi del linguaggio musicale, di loro esclusiva pertinenza, si sia associata ad una maggiore attenzione anche per il linguaggio verbale, rispetto ai non musicisti. Questi ultimi, durante l'ascolto della ballata, hanno infatti attivato in maniera meno evidente le aree verbali rispetto ai musicisti, pur avendo in questo caso capacità simboliche di tipo fasico sovrapponibili.
In altre parole, la specifica competenza musicale sembra avere avuto un effetto di trascinamento sui processi attentivi ed analitico-verbali relativi alla componente cantata associata alla musica.
Tale aspetto risulta essere anche in accordo con quanto riportato da vari lavori sperimentali inerenti i concetti di "sistemi operativo-funzionali" introdotti da Luria (23) e ripresi da Pulvermuller e Mohr (40) .
Conclusioni
Nel nostro studio, confrontando i dati riguardanti i valori di potenza assoluta tra il gruppo dei soggetti musicisti e quello dei soggetti non musicisti nelle prove di ascolto del brano strumentale e di quello strumentale-vocale, è stato notato nei soggetti musicisti un impegno mentale superiore (evidenziato dal significativo decremento dell'attività bioelettrica cerebrale alfa) rispetto al gruppo di controllo, soprattutto nella prova strumentale. Tale aspetto sembra essere l'espressione di un aumentato "arousal" cerebrale, senza particolari aspetti di prevalenza emisferica.
In definitiva, in accordo con quanto segnalato da altri autori, i dati emersi dal nostro studio confermano l'impiego di schemi di attivazione diversi tra musicisti e non musicisti, e sono a favore di una concezione duttile dell'attivazione cerebrale durante compiti cognitivi complessi, quale l'ascolto di un brano musicale. Tale attivazione, particolarmente evidente nei soggetti musicisti, sembra essere collegata a specifici schemi processuali ed elaborativi cerebrali dell'informazione data, verosimilmente dipendenti dalla abilità del soggetto musicista a prestare particolare attenzione all'analisi degli aspetti strutturali della musica.