Dance on Cortex : ERPs and Phase Synchrony in Dancers and Musicians during a Contemporary Dance Piece

Abstract

Music and dance have been important parts of the human experience for millennia. They have enabled interaction which has given rise to resilient communities and rich cultures. Neuroscience has studied music for decades. It has been found to activate both the cortical and deeper brain areas in a unique way. Neuroscience of dance, instead, is a young but quickly growing field. Studies of professional dancers and musicians have highlighted the importance of multimodal interaction and motor-related brain regions in cerebral processing of dance and music.

Current direction of neuroscience is to study the brain in its natural environment. Therefore, simplified stimuli made for the laboratory conditions have been replaced by the stimuli of the real world, such as arts and social interaction. Despite these continuous stimuli have already been successfully studied with fMRI, methods to study cortical EEG under such stimuli are lacking. The purpose of my doctoral research is to develop and use two methods for studying the brain with EEG during the perception of dance and music. One of these methods is based on the event-related potentials (ERPs) to investigate the influence of fast changes of musical features in the brain in a short timescale. The other method utilizes changes in phase synchrony between two electrode channels when investigating cortical dynamics during observation of dance and music over a longer timescale. In my doctoral research, the developed methods are applied in studying differences in cortical dynamics of professional dancers, musicians and laymen.

By both methods, differences in brain activity were found between the groups of experts and laymen when watching dance or listening to music. In addition, these methods detected changes in lower lever brain processes related to uni- and multimodal processing and acceleration of dance movement. By the ERP method, dancers were shown to have an enhanced auditory P50 response when compared to musicians and laymen which refers to dancers’ modulated processing of musical features in an early preattentive level. The method of phase synchrony revealed enhanced theta (4-8 Hz) synchrony in dancers when compared to two other groups when watching audio-visual dance. During music, dancers had enhanced theta and gamma (30-48 Hz) synchrony when compared to conditions without music. Both theta and gamma are associated with higher order processing related to multimodal integration, memory and emotions. In contrast, musicians had decreased alpha (8-13 Hz) and beta (13-30 Hz) synchrony when listening to music. These frequency bands are associated with movement preparation and execution. In addition, laymen were the only group which showed systematic changes in synchrony during dance when compared to the conditions without dance. These changes occurred on theta, alpha, beta and gamma bands.

The processing of early changes within uni- and multimodal stimuli, and the accelerated movement of the body did not differ between dancers, musicians and laymen. In all groups, the auditory ERP responses were generally suppressed and sped up during multimodal presentation of music when compared to the unimodal stimulus. Also, the alpha synchrony was decreased in all groups during the parts of the choreography with accelerated large dance movement when compared to parts with nearly still presence. These changes were the strongest during the audio-visual stimulus with a real dancer. Also, during audio-visual dancing stick figure and silent dance some cortical regions showed decreased alpha synchrony for fast dance movement. Decreased alfa-synchrony is associated to motor processing and higher state of alertness in general.

These results show that the methods developed in my doctoral research are suitable in analysing continuous EEG of naturalistic artistic stimuli, and in detecting changes in cortical processing of dancers and musicians during such stimuli. The results of the study suggest that dancers have modulated cortical processing related to multimodal interaction, memory and/or emotions whereas musicians have a special motor-related processing when listening to music. The methods developed in my doctoral research can be used when watching a live performance to study further dance and musical expertise. These methods can be directly applied during music production and light dancing.

Several neurological and psychiatric disorders are associated with abnormalities in oscillatory activity, especially in cross-frequency coupling. Therefore, development of the phase synchrony method to that direction is essential. Together this array of methods could be applied in estimating the efficiency and developing further expressive therapies, such as dance-movement therapy, and in alleviating symptoms as a part of holistic treatment plan for conditions such as Parkinson’s disease, dementia, autism, and pain and mood disorders.

Musiikki ja tanssi ovat tuottaneet kallisarvoisia kokemuksia ihmisille jo vuosituhansien ajan. Niiden kautta syntyneen vuorovaikutuksen avulla on muodostunut elinvoimaisia yhteisöjä ja rikkaita kulttuureja. Musiikkia on tutkittu neurotieteen näkökulmasta jo vuosikymmeniä. Sen on osoitettu aktivoivan sekä aivokuoren alueita että syvempiä aivojen rakenteita ainutlaatuisella tavalla. Tanssin neurotiede sen sijaan on nuori, mutta nopeasti kasvava tieteenala. Ammattitanssijoilla ja -muusikoilla tehdyt tutkimukset osoittavat eri aistien vuorovaikutteisen informaation ja liikkeen aivoalueiden tärkeyden tanssin ja musiikin herättämissä aivoprosesseissa.

Tällä hetkellä neurotiede suuntautuu tutkimaan aivoja niiden luonnollisessa ympäristössä. Sen vuoksi laboratorio-olosuhteisiin suunnitellut yksinkertaiset ärsykkeet on korvattu todellisen maailman ärsykkeillä, kuten taiteella ja sosiaalisella vuorovaikutuksella. Vaikka tällaisia jatkuvia ärsykkeitä on jo menestyksellisesti tutkittu funktionaalisella aivokuvantamisella (fMRI), menetelmät näiden ärsykkeiden tutkimiseen aivosähkökäyrällä (EEG) puuttuvat. Väitöskirjatyöni tarkoituksena on kehittää kaksi menetelmää ja käyttää niitä aivojen tutkimiseen EEG-tekniikalla tanssin katselun ja musiikin kuuntelun aikana. Toinen menetelmä perustuu tapahtumasidonnaisiin aivovasteisiin (ERP) tutkittaessa musiikkipiirteiden nopeiden muutosten vaikutusta aivoissa lyhyellä aikajänteellä. Toinen menetelmä taas perustuu kahden elektrodikanavan välille syntyvään vaihesynkroniaan tutkittaessa aivokuoren toiminnan muutoksia tanssi- ja musiikkihavainnon aikana pidemmällä aikajänteellä. Väitöskirjatyössäni kehitettyjä menetelmiä käytetään ammattitanssijoiden, -muusikoiden ja kontrolliryhmän aivokuoren toiminnan erojen tutkimiseen.

Sekä ERP- että vaihesynkroniamenetelmän avulla havaittiin eroja ammattilaisryhmien ja kontrolliryhmän välillä tanssin katselun ja musiikkin kuuntelun aikana. Lisäksi näillä menetelmillä havaittiin muutoksia matalamman tason aivoprosesseissa, jotka liittyivät yksi- ja moniaistillisen ärsykkeen käsittelyyn sekä kehon liikkeen kiihtyvyyden muutoksiin. ERP-menetelmän avulla tanssijoilla voitiin osoittaa olevan suurempi P50-kuulovaste verrattuna muusikoihin ja kontrolliryhmään, mikä viittaa musiikkipiirteiden kehittyneeseen käsittelyyn aikaisella esi-tietoisella tasolla. Vaihesynkronia-menetelmän avulla tanssijoilla havaittiin voimistunut theta-synkronia (4-8 Hz) verrattuna kahteen muuhun ryhmään audiovisuaalista tanssia katsottaessa. Tanssijoilla todettiin musiikin kuuntelun aikana voimistunut theta- ja gamma-synkronia (30-48 Hz) verrattuna ärsykkeisiin ilman musiikkia. Sekä theta- että gamma-synkronia liitetään korkeamman tason aivoprosesseihin, kuten moniaistillisen ärsykkeen yhdistämiseen, muistiin ja tunteisiin. Muusikoilla sen sijaan oli heikentynyt alfa- (8-13 Hz) ja beta-synkronia (13-30 Hz) musiikin kuuntelun aikana. Nämä taajuuskaistojen synkronian heikkenemiset yhdistetään liikkeeseen valmistautumiseen ja sen suorittamiseen. Kontrolliryhmä oli ainoa ryhmä, jolla löytyi systemaattisia synkronian muutoksia tanssin katsomisen aikana verrattuna ärsykkeisiin ilman tanssia. Nämä muutokset esiintyivät theta, alfa, beta ja gamma-kaistoilla.

Tanssiin ja musiikkiin liittyvän nopeasti muuttuvan yksi- ja moniaistillisen ärsykkeen ja kehon kiihtyvän liikkeen käsittelyssä ei havaittu eroja tanssijoiden, muusikoiden ja kontrolliryhmän välillä. Kaikissa ryhmissä ERP-kuulovasteet heikkenivät ja ilmaantuivat nopeammin moniaistillisesti esitetyn musiikin aikana, kun sitä verrattiin vain ääniärsykkeenä esitettyyn musiikkiin. Alfa-synkronia laski kaikissa ryhmissä koreografian kiihtyvää suurta liikettä sisältävien osioiden aikana, kun sitä verrattiin lähes paikallaanolevan läsnäolon osioihin. Nämä muutokset olivat voimakkaimpia tanssijan esittämän audiovisuaalisen ärsykkeen aikana. Samantyyppisiä muutoksia havaittiin myös äänettömän tanssin ja audio-visuaalisen tikku-ukon ärsykkeiden aikana. Heikentynyt alfa-synkronia viittaa liikkeen käsittelyyn sekä yleisen vireystason nousuun.

Nämä tulokset osoittavat, että väitöskirjatyössäni kehitetyt menetelmät soveltuvat luonnollisen taiteellisen ärsykkeen synnyttämän jatkuvan EEG-aineiston analysointiin sekä aivokuoren toiminnan muutoksien havainnointiin ja tutkimiseen tanssijoilla ja muusikoilla kyseisen ärsykkeen aikana. Tutkimuksen tulokset viittaavat siihen, että tanssijoiden aivokuoren, erityisesti moniaistilliseen tanssin katseluun, muistiin ja/tai tunteisiin liittyvät toiminnat eroavat tanssijoilla muusikoista ja maallikoista. Muusikoilla sen sijaan musiikin kuuntelu herättää erityisiä liikkeeseen liittyviä aivokuoren prosesseja. Tässä tutkimuksessa kehitettyjä menetelmiä voidaan käyttää live-esityksen katselun aikana tanssijoiden ja muusikoiden aivokuoren eroavaisuuksien syvempään ymmärtämiseen. Näitä menetelmiä voi suoraan soveltaa musiikin soittamisen ja kevyen tanssimisen aikana.

Aivojen oskillaation epätavalliset muutokset liittyvät moniin neurologisiin ja psykiatrisiin häiriöihin. Nämä muutokset esiintyvät erityisesti eri tajuuskaistojen välisessä synkroniassa. Sen takia on olennaista kehittää vaihesynkronia-menetelmää taajuuskaistojen välisen synkronian suuntaan. Tätä uutta metodologista kokonaisuutta voitaisiin soveltaa terapian vaikuttavuuden arvioinnissa ja ilmaisullisten terapioiden, kuten tanssi- ja liiketerapian, kehittämisessä pidemmälle esimerkiksi Parkinsonin taudin, muistisairauksien, autismin, ja kipu- ja mielialahäiriöiden oireiden lievittämiseksi ja jopa parantamiseksi osana kokonaisvaltaista hoito-ohjelmaa.