Brain structural predispositions for music and language processing

Estudios previos muestran que la formacion musical y linguistica provoca cambios plasticos en las estructuras y funciones cerebrales, acompanandose tambien de beneficios conductuales. Por ejemplo, se ha descrito que los musicos poseen mejores habilidades de discriminacion auditiva (incluyendo la percepcion tonal y la discriminacion del habla en un ambiente ruidoso), una mayor capacidad de sincronizacion motora, asi como mejor memoria verbal y coeficiente intelectual general en comparacion con personas sin formacion musical. Paralelamente, los bilingues muestran mejores funciones ejecutivas y habilidades relacionadas con la atencion en comparacion con individuos monolingues. Ademas, las alteraciones en la conectividad cerebral funcional y estructural pueden ser rastreadas estudiando las areas cerebrales relacionadas con las actividades mas utilizadas por musicos (instrumentistas y cantantes) y expertos linguisticos (como bilingues o fonetistas profesionales). Pese a que en la ultima decada se han dedicado esfuerzos importantes en el campo de la investigacion sobre la plasticidad cerebral, solo unos pocos estudios han tratado de investigar la conexion entre las propiedades iniciales del cerebro, en cuanto a las funciones y estructuras que se relacionan con las funciones auditivo-motoras, y el posterior aprendizaje musical o del lenguaje. Sin embargo, los marcadores estructurales cerebrales, tales como volumen/densidad de materia gris o medidas de difusividad en la sustancia blanca a partir de datos de imagen del tensor de difusion, asi como medidas funcionales de la actividad relacionada con una tarea o datos de resting-state (estado de reposo) obtenidos por resonancia magnetica o electroencefalografia, han demostrado que pueden correlacionar con el rendimiento y el aprendizaje en el dominio auditivo-motor. En la presente tesis pretendiamos ampliar nuestro conocimiento en cuanto a la plasticidad cerebral obtenida durante los supuestos “periodos sensibles” y despues de la practica musical mantenida en el tiempo, por un lado, y explorar las vias de sustancia blanca que pueden predecir habilidades linguisticas o musicales al inicio del aprendizaje, por otro lado. Como objetivos secundarios, queriamos confirmar resultados previos con respecto a las estructuras cerebrales involucradas en el procesamiento de la musica y el lenguaje, asi como apoyar el uso de mediciones estructurales y enfoques correlacionales (entre datos de neuroimagen y conductuales) para estudiar las diferencias inter-individuales. El Estudio I se centro en la comparacion entre pianistas profesionales y no musicos, observando un complejo patron de aumentos y disminuciones en el volumen de materia gris. En comparacion con los individuos no musicos, los pianistas mostraron mayor volumen de sustancia gris en areas relacionadas con la habilidad motora y la automatizacion de movimientos aprendidos, asi como el aprendizaje a traves del refuerzo y el procesamiento emocional, mientras que las regiones asociadas al control sensoriomotor, lectura de partituras y percepcion auditiva y musical presentaron una reduccion del volumen de materia gris. El Estudio II exploro la relacion entre las propiedades estructurales de la materia blanca del fasciculo arqueado (AF por sus siglas en ingles) y el rendimiento de hablantes nativos de aleman en una tarea de imitacion de frases y palabras en una lengua extranjera (hindi). Encontramos que una mayor lateralizacion del volumen de AF hacia la izquierda predecia el desempeno en la tarea de imitacion. Este resultado se confirmo utilizando no solo un enfoque deterministico-manual sino tambien una reconstruccion automatica (basada en atlas anatomicos) de las fibras de sustancia blanca que, ademas, senalaba una region especifica en la mitad anterior del AF izquierdo como la mas relacionada con las capacidades de imitacion. El Estudio III tenia como objetivo investigar si la conectividad estructural de vias de sustancia blanca anteriormente descritas como dianas para los mecanismos de plasticidad en musicos profesionales, podria predecir las habilidades musicales en los no musicos. Se observo que la organizacion micro-estructural de la materia blanca en el hemisferio derecho en vias involucradas en el control motor (tracto corticoespinal) y en transformaciones auditivo-motoras (AF) correlacionaba con el desempeno de individuos no musicos en las etapas iniciales del aprendizaje ritmico y melodico. El presente trabajo ha confirmado la implicacion en las primeras etapas del aprendizaje audio-motor de varias estructuras cerebrales que previamente habian mostrado efectos plasticos asociados al aprendizaje musical y del lenguaje. Ademas, estos resultados desafian las opiniones anteriores sobre la plasticidad inducida por la experiencia musical al demostrar que la experiencia no se correlaciona siempre ni unicamente con un aumento del tejido cerebral, y planteando asi preguntas sobre los mecanismos de eficiencia derivados de la practica musical a nivel profesional. Mas importante aun es que los resultados de estos tres estudios convergen mostrando que un bucle de prediccion–retroalimentacion (feedback)–alimentacion directa (feedforward) para el procesamiento auditivo-motor puede estar implicado de manera crucial tanto en el aprendizaje musical como en el aprendizaje de idiomas. Por tanto, sugerimos que los sistemas auditivo-motrices del cerebro, que previamente se habian descrito como participantes en el procesamiento del lenguaje nativo (areas corticales involucradas en la via dorsal para el procesamiento del lenguaje, y el AF, que las conecta) tambien pueden ser reclutados durante la exposicion a material linguistico o musical nuevo, siendo refinado tras anos de practica musical activa.