Perceptual learning and neural plasticity in the auditory system  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
123790
Type PD
Principal investigator Tóth, Brigitta
Title in Hungarian Percetuális tanulás és neurális plaszticitás az hallási rendszerben
Title in English Perceptual learning and neural plasticity in the auditory system
Keywords in Hungarian percetualis targy, hallási jelenetelemzés, előtér-háttér széválasztás, neuralis oszcillaciok, funcionalis kapcsolatok, idősödés
Keywords in English perceptual object, auditory scene analysis, figure-ground segregation, neural oscillations, functional connectivity, aging
Discipline
Psychology (Council of Humanities and Social Sciences)100 %
Ortelius classification: Experimental psychology
Panel Psychology and Education
Department or equivalent Institute of Cognitive Neuroscience and Psychology (Research Center of Natural Sciences)
Starting date 2017-12-01
Closing date 2022-10-31
Funding (in million HUF) 15.216
FTE (full time equivalent) 3.15
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Az egyes hangok elkülönítése, felismerése egy zajos háttérből a hallórendszer alapvető funkciója, szükségszerű a túléléshez és társas interakciókhoz egyaránt. A mindennapi helyzetekben (pl. metróban) a fülbe érkező szenzoros információ gyakran részleges, torzított vagy kétértelmű, ezért a tanulás fontos szerepet játszik az hangforrások (pl. egy adott személy hangjának) azonosításában. A javasolt projekt célja, hogy feltárja 1) a komplex auditoros környezetben történő hangforrás-szegregáció (előtér-háttér szegregáció) tanulása mögötti főbb mechanizmusokat; és 2) és a fenti mechanizmusok mögött álló neurális plaszticitás életkorral együttjáró változásait (csecsemőkortól [8-10 hónapos kor] időskorig [60 év felett]).

A projektben a viselkedéses pszichofizika és a kortikális elektrofiziológia módszereit alkalmazzuk hosszantartó perceptuális tanulás előtt és után, tesztelve a neurális hálózatok plaszticitásának változásait a szupervízionált és kitettség-alapú tanulás folyamatok függvényében. A kitettség-alapú, vagy statisztikai tanulás azon implicit képességünkre utal, hogy a gyakorta előforduló akusztikus mintázatokat felismerjük és reprezentáljuk, míg a szupervízionált tanulás ebben az esetben arra utal, hogy képesek vagyunk kódolni hallási eseményeket célirányos figyelmi folyamatok segítségével. Jelen projektben a következő kérdéseket válaszoljuk meg: 1) A szupervízionált és/vagy statisztikai tanulás fejleszti-e az auditoros tárgy-észlelést mind a fiatal és az idős felnőttek csoportjaiban; 2) Csecsemők - a neurális plaszticitás kritikus korszaka miatt - könnyebben tanulják-e meg felismerni az előtér-ingereket statisztikai tanulási helyzetben, a felnőttekhez viszonyitva.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A projektben két kísérletet tervezünk. Az első kísérletben a hallási szegregáció szupervízionált tanulása mögötti neurális mechanizmusokat fogjuk vizsgálni egy tréning-feladattal, fiatal és időskorú felnőttek csoportjain. Pontosabban, a perceptuális teljesítmény matematikai modellezésével azt teszteljük, hogy 1) a szupervízionált tanulás az előtér-háttér szegregációt az inger helyi tulajdonságainak integrációjával és globális mintázat létrehozásával, vagy hasonló globális mintázat közötti diszkriminációval segíti; és, hogy 2) időskorú felnőtteknél a tréning hatása azonos vagy ltéerő folyamatokon keresztül valósul-e meg, mint a fiatal felnőtt csoportban. A neurális aktivitás elemzésével fogjuk tesztelni, hogy 1) a szupervízionált tanulás során a funkcionális hálózatok erősebb kapcsolatokat mutatnak-e auditoros területeken a tréning végén, mint az elején (a neurális plaszticitás indikátora); és hogy 2) a tanulás-függő funkcionális hálózatok nagyobb változást mutatnak-e a kapcsolatok erősségében a fiatal felnőttek csoportjában, mint az időseknél (az életkor-függő neurális plaszticitás bizonyítéka).

A második kísérletben a hallási szegregáció statisztikai tanulásának neurális korrelátumait hasonlítjuk össze az élet korai, érzékeny szakaszában, ill. fiatal felnőtt és időskorban. Teszteljük, hogy 1) a statisztikai tanulás befolyásolja-e a neurális plaszticitást; 2) a funkcionális kapcsolatok nagyobb változást mutatnak-e új, mint ismerős ingerek hatására (a neurális plaszticitás indikátora szintén); és hogy 3) a statisztikai tanulás-függő hálózati kapcsolatok erősebbek-e csecsemőkorban, mint fiatal felnőtteknél, ill, erősebbek-e fiatal felnőtteknél, mint időskorúaknál.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Kurrens feltételezések szerint a hallássérülések egyik fontos eleme, hogy az érintettek részben elveszítik azt a képességüket, hogy egy adott hangforrást a konkurrens hangforrásoktól elválaszanak. Ez különösen a beszédfeldolgozásban okoz nehézségeket, ill., ennek következményeként, általában a társas élet során. Az időskori halláscsökkenés nagyon sok embert érint (körülbelül a 65 év felettiek harmadát). Mivel a hallókészülékek nem képesek az egyes hangforrások viselőik szándékai (azaz a figyelmi fókusz) szerinti szelekciójára, magukban nem oldják meg a sérült auditoros tárgyfelismerési képességek problémáját. Ezért fontos lenne egy viszonylag egyszerű, széleskörűen alkalmazható módszer kifejlesztése, ami egy célzott kognitív tréning segítségével általánosságban lenne képes fejleszteni azt a képességet, hogy zajos ingerekből kiválasszuk a figyelni kivánt hangokat (és ezáltal kompenzálja a hallási problémákat). A kutatásunk távlati célja, hogy a kapcsolódó neurális és kognitív folyamatok vizsgálata révén megalapozzunk ezen képességek fejlesztésére irányulo tréninget. Természetesen a jelen pályázat alapkutatásra vonatkozik, így a kezdeti eredmények után még további kísérleteket igényelne a hosszútávú hatások vizsgálata. Azonban – a jövőben - egy ilyen, hangforrás-szegregációt segítő tréning automatizálható és széles körben alkalmazható lenne, akár halláscentrumokban vagy gyógypedagógiai intézményekben is.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Egy zsúfolt parti zajos hátterében is képesek vagyunk kizárólag egy személy beszédére koncentrálni és azt követni. Ez a hallásunk egyik alapvető funkciója, és szükségünk is van rá a mindennapos beszédmegértéshez. Mivel erre a szelekcióra látszólag minden nehézség nélkül képesek vagyunk, könnyen alábecsüljük a mögöttes kognitiv és idegrendszeri folyamatok komplexitását. Például a mai napig nem tudunk olyan mesterséges eszközt, hallókészüléket lérehozni, amely képes ugyanezt a feladatot ellátni vagy helyettesiteni, azaz szelektiven egyetlen beszélő hangját felerősiteni. Ez probléma, ugyanis gyakran a hallásromlás velejárója, hogy nem, vagy csak kevésbé lesz képes valaki szelektíven egy hangforrásra figyelni. És a hallási képességek hanyatlása, különösen időskorban, sokakat érintő probléma (kb. a 65 év felettiek egy harmadát érinti) - nekik mind nehézséget okozhat egy egyszerű beszélgetés is, és ennek súlyos következményei lesznek a szociális integráció és pszichés jóllét szempontjából.
A kutatásunk célja, hogy megértsük, a hallási szegregáció feladatát az idegredszer hogyan oldja meg. Annak a reményében vizsgáljuk ezt a kérdést, hogy ezek az idegrendszeri folyamatok célzottan fejleszthetőek egy kognitív tréning segitségével, potenciálisan segítve mindazoknak, akiknél ez a funkció hallásromlás kövekeztében sérült. Kísérleteinkben ezért a hallási szegregáció tanulásának kognitiv és neurális folyamatait tréképezzük fel több különböző életkorban: csecsemőknél, fiatal felnőttkorban, illetve időskorban is.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Listening in noisy environments is a fundamental skill for survival and social interaction. In our everyday acoustic scenes (such as subway) the sensory information that the ear receives is partial, distort or ambiguous. Therefore, learning plays a crucial role in the recognition of perceptual objects (such as the voice of a specific person). The proposed project aims to explore 1) the major mechanisms for learning the segregation of objects from complex scenes (termed Figure-ground segregation, FGS); and 2) the developmental changes in neural plasticity underlying these mechanisms across the human lifespan (from infancy [8-10 month] to older adulthood [above 60 years]).

Here we use the methodology of behavioral psychophysics and cortical electrophysiology before and after extensive perceptual training to test the plasticity of neural networks as a function of supervised and exposure-based learning. Exposure-based or statistical learning refers to the implicit ability to extract and represent frequently occurring acoustic regularities/events, while supervised learning here refers to the ability to encode auditory events by detecting selectively attended targets in the environment. Specifically, in this project we would like to examine questions such 1) whether supervised and/or statistical learning improves both young and older adults’ auditory object recognition; 2) whether - due to a critical period for neural plasticity - infancy show better exposure-based learning of figures compared to adults.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
I propose a series of 2 studies. In Study 1, the neural mechanisms for supervised learning of figure-ground segregation will be investigated in a training task with young and older adults. Specifically, by modeling the perceptual performance mathematically, we will test 1) whether supervised learning improves FGS either by integrating local features into global forms or by discriminating among similar objects; 2) whether in older adults the training facilitates FGS in a different way than in young adults.
By the analysis of neural activity we will test 1) whether functional networks during supervised training show stronger connections in auditory areas at the end of the training relative to the beginning (as clear indication of neural plasticity); 2) whether learning-dependent functional networks show stronger changes in the strength of connections in the group of young subjects compared to the elderly (indicating age-dependent neural plasticity).
In Study 2, will compare the efficiency and neural correlates of the statistical learning of FGS during the early sensitive period of the lifespan and in young and older adulthood. By the analysis of neural activity, we will test 1) whether statistical learning results in stronger functional connections in auditory areas at the end of the training relative to the beginning (used as an index of neural plasticity) ; 2) whether functional connectivity shows stronger changes in response to novel versus familiar objects (another index of neural plasticity); 3) whether statistical learning dependent network connectivity is higher in infancy relative to young subjects and higher in young subjects relative to the elderly.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The loss of ability to separate target sounds from competing sound sources is hypothesized to be a key element in hearing impairments, leading to difficulties especially in speech comprehension, and, consequently, in social life generally. Age-related decline in auditory functions is a problem affecting many people (about one-third of the population above 65 years). Since hearing aids cannot select audio streams based on human intention (the focus of attention), aids by themselves do not solve the problem of impaired auditory object recognition skills. Thus, it would be very important to develop a relatively simple, widely applicable intervention, which, by means of targeted cognitive training, may generally improve the ability to extract structure from noisy sensory inputs (and, thus, compensate for difficulties in auditory perception). The goal of our research is to explore the possibility of such an intervention on the basis of related cognitive and neural mechanisms. Of course, this is still basic research, so after the initial results, follow-up studies would need to look at longer-term effects. However, in the long term, such a training could be mostly automated and easily applied at any hearing aid center or in special education settings as well.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Even at a crowded party, with sounds coming at us from every direction, we are still able to focus and listen to the speech of one specific person. This function of auditory perception is central for speech comprehension in most everyday situations. We do so seemingly without any effort, thus it is easy to overlook how complex and remarkable this achievement of our nervous system is. To provide some context: we cannot yet design a machine, for instance, a hearing aid that is capable of doing the same: selecting and amplifying only a specific talker‘s speech in a noisy background. Age-related decline in auditory functions, especially hearing loss is a problem affecting many people (about one-third of the population above 65 years). Loss of these auditory functions leading to difficulties in understanding and conversing with others, with consequences for social integration and mental wellbeing. Hearing aids themselves do not solve the problem of impaired auditory object recognition skills, therefore, our research aims to learn more about how the brain normally performs figure-ground segregation, with the hope that this ability can be improved by targeted training. In our studies, we teach people how to segregate audio streams in simple situations while also measuring brain activity in a simple, non-invasive way (using EEG), and test if this training leads to improvement in different scenarios. We do this with at different developmental stages, specifically with elderly who are most vulnerable in terms of hearing impairment.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Jelen pályázat célja a zajos könyezetben történő hallási folyamatok vizsgálata volt újszülöttkortól időkorig. Továbbá a szupervizionált és statisztikai tanulás hatásait is vizsgáltuk ezekben a képességekben. A pályázatban összesen öt kisérletsorozat zajlott le, melyek legfonotsabb eredményei az alábbiak: 1) statitsztikai tanulás az inger prediktálhatóságán keresztül befolyásolja az agyhálózaton belüli kommunikációt: csökkenti a perparációs motoros előfeszítést (motoros kéreg) és növeli a idői figyelmi felkészülési válaszokat (szenzoso kéreg) 2) az öregedés és időskori hallássérülés zajos környzetben való hallási képesség folyamatait modulálja: időskori hallássérülés esetében csökkenti az azonos hangforráshoz tartozó elemek összekacsolásának képeségét illetve a zajszint iránti toleranciát. 3) hangforrások statisztikai tanulásának képessége veleszületett, mert az újszölött halókéreg képes automatikusan követni a szenzoros szekvencia strutúráját 4) Hallórendszer korai fejlődést mutat környezeti tapasztalatok hatására: skalpon kiváltott válaszok és azok neurális generátorainak erőssége megnő és térben jobban defináltá válik négy hónapos kortól kilenc hónapos korra 5) a hangforrás térben való elkülönölése segíti a zajos háttérben való detekcióját 6) hangforrás detekciója zajos háttérben szupervizionált tréning hatására fejleszthető.
Results in English
The project is aimed to study listening in noisy backgrounds throughout the entire lifespan. The project also aimed to understand supervised and statistical perceptual learning of source detection in a noisy environment. The project finally included five series of experiments with the following results: 1) statistical learning through predictability modulates coupling within a distributed network: decreases early preparatory control demands (via left motor cortex) and increases preparatory attention processes (via right sensory cortex) 2) aging and hearing impairment has an impact on the neural processes of listening in a noisy environment: when aging is accompanied by hearing loss, grouping concurrent sound elements suffers and, perhaps not independently, the tolerance to noise decreases 3) the ability for statistical learning is innate since the newborn auditory cortex can automatically track sensory sequence structure 4) Auditory system shows early development through exposure: both scalp-recorded ERPs and the related source activity became stronger and spatially better defined between four and nine months of age 5) spatially separating a complex auditory “figure” from the background auditory stream may enhance the detection of a target in a cluttered auditory scene. 6) supervised training on sound segregation in noisy backgrounds can improve listening in noisy scenes.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=123790
Decision
Yes





 

List of publications

  
Kovács Petra, Tóth Brigitta, Honbolygó Ferenc, Szalárdy Orsolya, Kohári Anna, Mády Katalin, Magyari Lilla, Winkler István: Speech prosody supports speaker selection and auditory stream segregation in a multi-talker situation, BRAIN RESEARCH .: p. 148246., 2023
Silvia Polver, Brigitta Tóth, Gábor P Háden, Hermann Bulf, István Winkler: Early maturation of sound duration processing in the infant brain, bioRxive 1: 525349v1, 2023
Ignatiadis Karolina, Barumerli Roberto, Tóth Brigitta, Baumgartner Robert: Effects of individualized brain anatomies and EEG electrode positions on inferred activity of the primary auditory cortex, FRONTIERS IN NEUROINFORMATICS 16: 970372, 2022
Peter Velősy, Brigitta Tóth, Gábor P. Háden, István Winkler: Newborn infants differently process random and regular tone sequences, In: Salzburg Mind Brain Annual Meeting (SAMBA) 2022, (2022) p. p60., 2022
Szalárdy Orsolya, Tóth Brigitta, Farkas Dávid, Orosz Gábor, Winkler István: Do we parse the background into separate streams in the cocktail party?, FRONTIERS IN HUMAN NEUROSCIENCE 16: 952557, 2022
Tóth Brigitta: EARLY SIGNS FOR AGE RELATED NEURAL DECLINE IN THE CENTRAL AUDITORY PATHWAY DURING LISTENING IN A NOISY ENVIRONMENT, In: Salzburg Mind Brain Annual Meeting (SAMBA) 2022, (2022) p. 64., 2022
Ignatiadis K., Boncz A., Baier D., Winkler I., Baumgartner R., Toth B: Temporal expectations modulate coupling between primary auditory and higher-level cognitive control regions, In: SAMBA Salzburg Mind-Brain Annual Meeting 2021, (2021) poszter, 2021
Péter Kristóf Velősy, Ádám Boncz, István Winkler, Brigitta Tóth: Auditory Figure-Ground Segregation is impaired by aging and age-related hearing loss, In: 12th Dubrovnik Conference on Cognitive Science Linguistic & Cognitive Foundations of Meaning, (2021) poster, 2021
Péter Kristóf Velősy, Ádám Boncz, István Winkler, Brigitta Tóth: Auditory Figure-Ground Segregation is impaired by aging and age-related hearing loss, In: 5th international conference of the European Society for Cognitive and Affective Neuroscience, ESCAN 2021, (2021) A-0545, 2021
Péter Kristóf Velősy, Ádám Boncz, István Winkler, Brigitta Tóth: Auditory Figure-Ground Segregation is impaired by aging and age-related hearing loss, In: SAMBA Salzburg Mind-Brain Annual Meeting 2021, (2021) poster, 2021
Tóth Brigitta, Ádám Boncz, Szalárdy Orsolya, Péter Velősy, István Winkler: Auditory figure-ground segregation is impaired by aging and age-related hearing loss, In: 20th World Congress of Psychophysiology (IOP2021), (2021) meghívott előadás, 2021
Reed Darrin K., Chait Maria, Tóth Brigitta, Winkler István, Shinn-Cunningham Barbara: Spatial cues can support auditory figure-ground segregation, JOURNAL OF THE ACOUSTICAL SOCIETY OF AMERICA 147: (6) pp. 3814-3818., 2020
Tóth B., Boncz Á., File B., Winkler István, Molnár M.: A humán agyi aktivitás hálózatelemzési modellezése – humán agyi hálózatok, SCIENTIA ET SECURITAS 1: (1) pp. 21-28., 2020
Tóth Brigitta, Honbolygó Ferenc, Szalárdy Orsolya, Orosz Gábor, Farkas Dávid, Winkler István: The effects of speech processing units on auditory stream segregation and selective attention in a multi-talker (cocktail party) situation, CORTEX: A JOURNAL DEVOTED TO THE STUDY OF THE NERVOUS SYSTEM AND BEHAVIOR 130: pp. 387-400., 2020
Szalárdy Orsolya, Tóth Brigitta, Farkas Dávid, György Erika, Winkler István: Neuronal Correlates of Informational and Energetic Masking in the Human Brain in a Multi-Talker Situation, FRONTIERS IN PSYCHOLOGY 10: 786, 2019
Tóth Brigitta, Farkas Dávid, Urbán Gábor, Szalárdy Orsolya, Orosz Gábor, Hunyadi László, Hajdu Botond, Kovács Annamária, Szabó Beáta Tünde, Shestopalova Lidia B., Winkler István: Attention and speech-processing related functional brain networks activated in a multi-speaker environment, PLOS ONE 14: (2) e0212754, 2019
Szalárdy O., German B., Tóth B., Orosz G., Farkas D., Hajdu B., Honbolygó F., Winkler I.: Large-scale functional brain network correlates of speech predictability effects on speaker separation, INTERNATIONAL JOURNAL OF PSYCHOPHYSIOLOGY 131: p. S27., 2018
Szalárdy Orsolya, Tóth Brigitta, Farkas Dávid, Kovács Annamária, Urbán Gábor, Orosz Gábor, Tünde Szabó Beáta, Hunyadi László, Hajdu Botond, Winkler István: The effects of attention and task-relevance on the processing of syntactic violations during listening to two concurrent speech streams, COGNITIVE AFFECTIVE & BEHAVIORAL NEUROSCIENCE 18: (5) pp. 932-948., 2018
Ádám Boncz, Orsolya Szalárdy, Péter Kristóf Velősy, Luca Béres, István Winkler, Brigitta Tóth: The effects of aging and hearing impairment on listening in noise, bioRxiv 2023.01.20.524873, 2023



Back »