Development and neural bases of the spatial recoding of acoustic pitch

Abstract

Our perceptual system tends to associate higher-pitched sounds with upper spatial positions and smaller visual sizes, and lower pitched-sounds with lower positions and bigger visual sizes. This processes, known as crossmodal correspondences or crossmodal associations, emerges consistently and almost universally.

The cognitive, developmental and neural mechanisms underlying these crossmodal correspondences were investigated in the present doctoral dissertation. In the present work, I studied how the crossmodal associations between auditory and visuospatial stimuli modulates cognitive processes in infancy and maturity. In addition, I investigated the impairments in auditory processing in population with visuospatial disorders.

The presence of crossmodal associations between pitch and spatial elevation are solid in adults (see Spence, 2011), and can be observed in the ability of certain auditory stimuli to modulate visuospatial attention (e.g., rising sounds facilitate the detection of a visual stimuli in upper areas in the external space). However, it seems that higher- pitched sounds or sounds with rising frequencies have higher inherent spatial properties than lower-pitched or falling frequency sounds. These spatial properties of the sound could modulate the perceptual system and facilitate the detection of visual objects in superior positions of the visual field.

We found evidence of the existence of crossmodal correspondences between auditory and visuospatial dimensions also in prelinguistic infants, at the age of 6 months. We observed that 4-month-old infants have not developed yet the mechanisms that facilitate audiovisual associations. This pattern of results suggests that the experience with the physical world and/or further maturation is needed to fully develop certain audiovisual crossmodal associations.

Finally, in Study 3, I observed that patients with NLD, that show impairments in visuospatial skills, show a deficit in pitch-related tasks. These evidences could suggest that auditory and visuospatial processes share common mechanisms in some stages of the perceptual processing, that is, for example, that the impairment in visuospatial skills could disrupt the auditory processing.

Estudios previos sugieren la existencia de correspondencias transmodales entre la altura tonal y las dimensiones visuoespaciales (por ejemplo, la elevación espacial o el tamaño visual) (Gallace y Spence, 2006; Rusconi y cols., 2006). La investigación en neuroimagen ha puesto de manifiesto la activación de áreas parietales (por ejemplo, el surco intraparietal, IPS) tradicionalmente asociadas a funciones espaciales, durante la realización de tareas musicales relacionadas con la altura tonal (Foster y Zatorre, 2010a, 2010b). El objetivo de esta tesis doctoral fue investigar los mecanismos cognitivos, de desarrollo y neurales que subyacen a estas correspondencias transmodales.

En la primera parte de la tesis, se estudió el papel de las correspondencias transmodales en la modulación de la atención. Exploramos cómo un sonido dinámico específico (por ejemplo, un sonido ascendente) modula exógenamente la localización espacial de un estímulo visual en un adulto. Los participantes realizaron una tarea que consistió en una modificación del paradigma clásico de Posner, en la que usamos sonidos ascendentes y descendentes como señales auditivas.

En una segunda parte de la tesis se analizó el desarrollo de los mecanismos implicados en el procesamiento de las correspondencias transmodales. Más específicamente, se investigó si estas están presentes desde muy temprano en el desarrollo, o aparecen debido a al incremento de la experiencia en el entorno. Para ello, se observó la asociación entre la altura tonal y el tamaño visual en bebés de 4 y 6 meses de edad en un paradigma audiovisual de preferencia visual.

Por último, en un intento por establecer el papel funcional de ciertas áreas del lóbulo parietal derecho en la asociación entre la altura tonal y la elevación espacial, analizamos si los síndromes neurológicos, asociados con una alteración funcional o estructural del lóbulo parietal derecho (por ejemplo, el trastorno de aprendizaje no verbal, TANV), pueden afectar al desempeño de tareas relacionadas con la altura tonal. Para lograr nuestros objetivos, se comparó el rendimiento en tareas

visuoespaciales y auditivas de pacientes con pacientes con TANV y un grupo de control sin trastornos neurológicos o psiquiátricos.

Los resultados de estos tres estudios que constituyen esta tesis sugieren: (1) que los sonidos ascendentes pueden ejercer mayor modulación del tiempo de reacción del sistema perceptivo respecto a los objetos visuales que los sonidos descendentes, (2) la existencia de asociaciones transmodales entre la altura tonal y el tamaño visual en bebés de 6 meses de edad, pero no en bebés más pequeños, lo que sugiere que la experiencia y/o maduración es necesaria para desarrollar plenamente esta asociación, y (3) que la alteración funcional o estructural de áreas parietales tiene un impacto negativo en las tareas de procesamiento auditivo, por ejemplo, discriminar alturas tonales.

En conclusión, se confirmó que la altura tonal puede modular la atención espacial. En segundo lugar, las correspondencias transmodales están controladas por mecanismos básicos que están presentes desde temprana edad. Por último, también se encontró evidencia de que la percepción de la información auditiva compleja podría requerir áreas del cerebro relacionadas con trastornos neurológicos que afectan el procesamiento del espacio.