Why Do Harsh Sounds Disturb the Brain? / Perché i suoni aspri disturbano il cervello?
Why Do Harsh Sounds Disturb the Brain? / Perché i suoni aspri disturbano il cervello?
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
mooth and rough sounds activate different brain networks. While smooth sounds induce responses mainly in the “classical” auditory system, rough sounds activate a wider brain network involved in processing aversion and salience. / i suoni morbidi e grezzi attivano diverse reti cerebrali. Mentre i suoni morbidi inducono risposte principalmente nel sistema uditivo "classico", i suoni ruvidi attivano una più ampia rete cerebrale coinvolta nell'elaborazione dell'avversione e della salienza.Credit: UNIGE
Why do the harsh sounds emitted by alarms or human shrieks grab our attention? What is going on in the brain when it detects these frequencies? Neuroscientists from the University of Geneva (UNIGE) and Geneva University Hospitals (HUG), Switzerland, have been analysing how people react when they listen to a range of different sounds, the aim being to establish the extent to which repetitive sound frequencies are considered unpleasant. The scientists also studied the areas inside the brain that were stimulated when listening to these frequencies. Surprisingly, their results - which are published in Nature Communications - showed not only that the conventional sound-processing circuit is activated but also that the cortical and sub-cortical areas involved in the processing of salience and aversion are also solicited. This is a first, and it explains why the brain goes into a state of alert on hearing this type of sound.
Alarm sounds, whether artificial (such as a car horn) or natural (human screams), are characterised by repetitive sound fluctuations, which are usually situated in frequencies of between 40 and 80 Hz. But why were these frequencies selected to signal danger? And what happens in the brain to hold our attention to such an extent? Researchers from UNIGE and HUG played repetitive sounds of between 0 and 250 Hz to 16 participants closer and closer together in order to define the frequencies that the brain finds unbearable. "We then asked participants when they perceived the sounds as being rough (distinct from each other) and when they perceived them as smooth (forming one continuous and single sound)," explains Luc Arnal, a researcher in the Department of Basic Neurosciences in UNIGE's Faculty of Medicine.
Based on the responses of participants, the scientists were able to establish that the upper limit of sound roughness is around 130 Hz. "Above this limit," continues Arnal, "the frequencies are heard as forming only one continuous sound." But why does the brain judge rough sounds to be unpleasant? In an attempt to answer this question, the neuroscientists asked participants to listen to different frequencies, which they had to classify on a scale of 1 to 5, 1 being bearable and 5 unbearable. "The sounds considered intolerable were mainly between 40 and 80 Hz, i.e. in the range of frequencies used by alarms and human screams, including those of a baby," says Arnal. Since these sounds are perceptible from a distance, unlike a visual stimulus, it is crucial that attention can be captured from a survival perspective. "That's why alarms use these rapid repetitive frequencies to maximise the chances that they are detected and gain our attention," says the researcher. In fact, when the repetitions are spaced less than about 25 milliseconds apart, the brain cannot anticipate them and therefore suppress them. It is constantly on alert and attentive to the stimulus.
Harsh sounds fall outside the conventional auditory system
The researchers then attempted to find out what actually happens in the brain: why are these harsh sounds so unbearable? "We used an intracranial EEG, which records brain activity inside the brain itself in response to sounds," explains Pierre Mégevand, a neurologist and researcher in the Department of Basic Neurosciences in the UNIGE Faculty of Medicine and at HUG.
When the sound is perceived as continuous (above 130 Hz), the auditory cortex in the upper temporal lobe is activated. "This is the conventional circuit for hearing," says Mégevand. But when sounds are perceived as harsh (especially between 40 and 80 Hz), they induce a persistent response that additionally recruits a large number of cortical and sub-cortical regions that are not part of the conventional auditory system. "These sounds solicit the amygdala, hippocampus and insula in particular, all areas related to salience, aversion and pain. This explains why participants experienced them as being unbearable," says Arnal, who was surprised to learn that these regions were involved in processing sounds.
This is the first time that sounds between 40 and 80 Hz have been shown to mobilise these neural networks, although the frequencies have been used for a long time in alarm systems. "We now understand at last why the brain can't ignore these sounds," says Arnal. "Something particular happens at these frequencies, and there are also many illnesses that show atypical brain responses to sounds at 40 Hz. These include Alzheimer's, autism and schizophrenia." The neuroscientists will now investigate the networks stimulated by these frequencies to see whether it could be possible to detect these illnesses early by soliciting the circuit activated by the sounds.
ITALIANO
Perché i suoni aspri emessi da allarmi o grida umane attirano la nostra attenzione? Cosa sta succedendo nel cervello quando rileva queste frequenze? I neuroscienziati dell'Università di Ginevra (UNIGE) e dell'Università di Ginevra (HUG), Svizzera, hanno analizzato il modo in cui le persone reagiscono quando ascoltano una gamma di suoni diversi, con l'obiettivo di stabilire in che misura le frequenze sonore ripetitive sono considerate spiacevoli . Gli scienziati hanno anche studiato le aree all'interno del cervello che sono state stimolate durante l'ascolto di queste frequenze. Sorprendentemente, i loro risultati - pubblicati su Nature Communications - hanno mostrato non solo l'attivazione del circuito convenzionale di elaborazione del suono, ma anche la sollecitazione delle aree corticali e sub-corticali coinvolte nell'elaborazione della salienza e dell'avversione. Questo è il primo, e spiega perché il cervello entra in uno stato di allerta quando sente questo tipo di suono.
I suoni di allarme, siano essi artificiali (come un clacson) o naturali (urla umane), sono caratterizzati da fluttuazioni ripetitive del suono, che di solito si trovano in frequenze comprese tra 40 e 80 Hz. Ma perché queste frequenze sono state selezionate per segnalare il pericolo? E cosa succede nel cervello per attirare così tanto la nostra attenzione? I ricercatori di UNIGE e HUG hanno suonato suoni ripetitivi tra 0 e 250 Hz a 16 partecipanti sempre più vicini al fine di definire le frequenze che il cervello trova insopportabile. "Abbiamo quindi chiesto ai partecipanti quando hanno percepito i suoni come ruvidi (distinti l'uno dall'altro) e quando li hanno percepiti come morbidi (formando un suono continuo e singolo)", spiega Luc Arnal, ricercatore del Dipartimento di Neuroscienze di base dell'UNIGE Facoltà di Medicina.
Sulla base delle risposte dei partecipanti, gli scienziati sono stati in grado di stabilire che il limite superiore della rugosità del suono è di circa 130 Hz. "Al di sopra di questo limite", continua Arnal, "le frequenze sono percepite come formando un solo suono continuo". Ma perché il cervello giudica sgradevoli i suoni grezzi? Nel tentativo di rispondere a questa domanda, i neuroscienziati hanno chiesto ai partecipanti di ascoltare frequenze diverse, che hanno dovuto classificare su una scala da 1 a 5, 1 sopportabile e 5 insopportabile. "I suoni considerati intollerabili erano principalmente tra 40 e 80 Hz, vale a dire nella gamma di frequenze utilizzate da allarmi e urla umane, comprese quelle di un bambino", afferma Arnal. Poiché questi suoni sono percepibili a distanza, a differenza di uno stimolo visivo, è fondamentale che l'attenzione possa essere catturata da una prospettiva di sopravvivenza. "Ecco perché gli allarmi usano queste frequenze ripetitive rapide per massimizzare le possibilità che vengano rilevate e attirare la nostra attenzione", afferma il ricercatore. Infatti, quando le ripetizioni sono distanziate di meno di circa 25 millisecondi, il cervello non può anticiparle e quindi sopprimerle. È costantemente in allerta e attento allo stimolo.
I suoni aspri non rientrano nel sistema uditivo convenzionale
I ricercatori hanno quindi tentato di scoprire cosa succede realmente nel cervello: perché questi suoni aspri sono così insopportabili? "Abbiamo usato un elettroencefalogramma intracranico, che registra l'attività cerebrale all'interno del cervello stesso in risposta ai suoni", spiega Pierre Mégevand, neurologo e ricercatore presso il Dipartimento di Neuroscienze di base della Facoltà di Medicina dell'UNIGE e presso l'UGUG.
Quando il suono viene percepito come continuo (sopra i 130 Hz), viene attivata la corteccia uditiva nel lobo temporale superiore. "Questo è il circuito convenzionale per l'udito", afferma Mégevand. Ma quando i suoni sono percepiti come aspri (specialmente tra 40 e 80 Hz), inducono una risposta persistente che recluta inoltre un gran numero di regioni corticali e sub-corticali che non fanno parte del sistema uditivo convenzionale. "Questi suoni sollecitano l'amigdala, l'ippocampo e l'insula in particolare, tutte le aree correlate a salienza, avversione e dolore. Questo spiega perché i partecipanti le hanno vissute insopportabili", afferma Arnal, che è stato sorpreso di apprendere che queste regioni erano coinvolte nell'elaborazione dei suoni .
Questa è la prima volta che è stato dimostrato che i suoni tra 40 e 80 Hz mobilitano queste reti neurali, sebbene le frequenze siano state utilizzate a lungo nei sistemi di allarme. "Ora capiamo finalmente perché il cervello non può ignorare questi suoni", afferma Arnal. "Qualcosa di particolare accade a queste frequenze, e ci sono anche molte malattie che mostrano risposte atipiche del cervello ai suoni a 40 Hz. Questi includono l'Alzheimer, l'autismo e la schizofrenia." I neuroscienziati esamineranno ora le reti stimolate da queste frequenze per vedere se sia possibile rilevare queste malattie in anticipo sollecitando il circuito attivato dai suoni.
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