Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Absolute pitch ability, cognitive style and autistic traits : a neuropsychological and electrophysiological study

Wenhart, Teresa

Das Absolute Gehör ist definiert als die seltene Fähigkeit (<1% in der Bevölkerung), einen Ton ohne Verwendung eines Referenztons zu benennen oder zu erzeugen. Die Prävalenz bei professionellen MusikerInnen ist dabei gegenüber der Allgemeinbevölkerung deutlich erhöht. Nach bisherigem Forschungsstand ist die Entwicklung dieser Gabe vermutlich abhängig sowohl von frühem musikalischem Training vor dem Alter von 7 Jahren, als auch von genetischen Faktoren. Relatives Gehör, die Fähigkeit der meisten MusikerInnen, die Beziehungen von Tönen (d.h. Intervalle und Melodien) zu analysieren und manchmal explizit zu benennen, ist dagegen bei den meisten MusikerInnen vorhanden und trainiert. Kürzlich haben zwei Studien von vermehrten autistische Persönlichkeitsmerkmale bei MusikerInnen mit absolutem Gehör berichtet. Mehrere Fallstudien und Studien mit kleinen Stichproben haben häufiges Vorkommen von absolutem Gehör bei autistischen Personen festgestellt. Darüber hinaus wurde in mehreren Untersuchungen beider Populationen ähnliche Gehirnkonnektivität in Bezug auf Über- und Unterkonnektivität des Gehirns berichtet. Es ist jedoch noch unklar, wie dieses Zusammentreffen erklärt werden kann. Direkte Vergleiche der Populationen oder Untersuchungen des Verhältnisses von absolutem Gehör und Autismus stehen noch aus. Autismus umfasst eine Reihe von Entwicklungsstörungen, deren Symptome hauptsächlich soziale Bereiche betreffen. Autistische Personen zeigen Probleme mit sozialer Interaktion und Kommunikation, repetitive Verhaltensweisen, restriktive Interessen und Hyper- oder Hyposensitivitäten der Sinne. Verschiedene Theorien des Autismus versuchen, nicht-soziale (und manchmal auch soziale) Symptome mit einer Tendenz zu Bottom-up-Verarbeitungswegen, gesteigerten Wahrnehmungsfähigkeiten und einer Fokussierung auf Details zu erklären. Zu diesen Theorien gehören die Theorie der schwachen zentralen Kohärenz, die Theorie der gesteigerten Wahrnehmungsfunktionen und die Theorie des Hypersystematisierens. Da sich die kritische Periode für die Ausbildung des absoluten Gehörs mit einer Periode der detailorientierten Wahrnehmung während der normalen kindlichen Entwicklung überschneidet, könnte ein detailorientierter "kognitiver Stil", d.h. die Veranlagung, eingehende sensorische Informationen auf eine bestimmte Weise zu verarbeiten, als gemeinsamer Rahmen für die Erklärung der Ähnlichkeiten dienen. Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, neurokognitive und neurophysiologische Eigenschaften von Autismus bei gesunden absolut (AP)- und relativ (RP) hörenden MusikerInnen und die Beziehung dieser Eigenschaften zu autistischen Merkmalen in derselben Population zu untersuchen. Insgesamt nahmen 31 AP- und 33 RPBerufsmusikerInnen und Musikstudierende an einer umfangreichen Studie teil, bei der elektroenzephalographische Messungen des Ruhezustands des Gehirns, Messungen autistischer Symptome (Autismus Spektrum Quotient, Fragebogen) und auditorische und visuelle Experimente, die den kognitiven Stil untersuchen, durchgeführt wurden. Im Allgemeinen zeigten Absoluthörende mehr autistische Merkmale als Relativhörende, was die Ergebnisse aus vorherigen Studien repliziert. In Publikation 1 übertrafen die Absoluthörenden Relativhörende in einem Test zur Erkennung verschachtelter Melodien, einer auditiven Version der Embedded Figures Tests (Tests mit verschachtelten visuellen oder auditorischen Elementen). Embedded Figures Tests werden in der Autismusliteratur häufig verwendet, um den kognitiven Stil zu untersuchen. Absoluthörende haben in diesem Test offenbar einen Vorteil, der möglicherweise auf eine verbesserte sensorische Empfindlichkeit für Bottom- Up-Details oder die Verfügbarkeit zusätzlicher Wahrnehmungshinweise (z.B. Ton-Label-Assoziationen) bei diesen ProbandInnen zurückzuführen ist. In den Experimenten der zweite Publikation mussten TeilnehmerInnen auf hierarchisch aufgebaute Buchstaben oder Melodien reagieren und entweder Merkmale der Detail- oder der Kontextebene der Reize beurteilen. In inkongruenten Situationen wurden Interferenzeffekte der unbeachteten auf die beachtete Ebene berechnet. Analysen ergaben inkonsistente Interferenzeffekte, die für bestimmte Arten von Messungen (Reaktionszeiten, Genauigkeit, kombinierte Bewertung) und Modalität (Hören, Sehen) selektiv auftraten. Die beobachteten Effekte legen nahe, dass Absoluthörende im Vergleich zu Relativhörenden tendenziell eine stärker auf Details ausgerichtete Verarbeitung und eine weniger kontextbezogene Integration besitzen. Jedoch könnte das Fehlen ähnlicher Effekte bei vergleichbaren Zielparametern bedingt sein durch Probleme, den kognitiven Stil mit hierarchischen Stimuli zu untersuchen. In Publikation 3 wurde ein graphentheoretischer Ansatz verwendet, um die Netzwerkstruktur des Gehirns aus Konnektivitätsschätzungen (gewichteter Phasenverzögerungsindex) der elektroenzephalographischen Daten im Ruhezustand von Absolut- und Relativhörenden zu analysieren. Ein typisches menschliches Gehirn weist ein effizientes Netzwerks aus stark in sich vernetzten Modulen (Segregation) und wenige Querverbindungen zwischen diesen Modulen (Integration) auf. In der vorliegenden Studie zeigten Absoluthörenden jedoch gegenüber Relativhörenden weitestgehend reduzierte Integration und Segregation sowie reduzierte interhemisphärische Verbindungen, was für ein Integrationsdefizit ähnlich der Unterkonnektivitäts-Hypothese bei Autismus spricht. Teile der Ergebnisse korrelieren mit autistischen Zügen innerhalb derselben Stichprobe. Zusammenfassend erweitert die vorliegende Dissertation den Forschungsstand zum absoluten Gehör und insbesondere dessen Beziehung zu Autismus durch Ergebnisse zu neurokognitiven und Hirnnetzwerkunterschieden. Die Ergebnisse decken sich teilweise mit den bei Autismus beobachteten Effekten oder korrelieren mit autistischen Merkmalen bei Absoluthörenden. Dies ist der erste Hinweis darauf, dass absolutes Gehör und Autismus durch Ähnlichkeiten im kognitiven Stil und in der Konnektivität des Gehirns in Verbindung stehen könnten. Die Inkonsistenzen der Ergebnisse spiegeln darüber hinaus die Heterogenität des absoluten Gehörs als Phänomen wider und unterstreichen die Notwendigkeit für Analysen von Subgruppen von Absoluthörenden sowie für Längsschnittuntersuchungen.

Absolute pitch (AP) is defined as the rare ability (<1% in the general population) to name or produce a tone without the use of a reference tone. It is much more common among professional musicians and said to depend on both - early music education under the age of 7 and genetic factors. By contrast, relative pitch ability is an also highly trained skill of musicians to analyse and sometimes explicitly name relations of tones (i.e. intervals). Recently, two studies have reported higher autistic personality traits in absolute pitch musicians and several case reports and small sample studies have frequently found absolute pitch among autistic individuals. Furthermore, similarities in brain connectivity were reported in several studies pointing towards a special relation between segregation and integration ability of the brain in these two populations. However, it is still unclear how this co-occurence can be explained and direct comparisons of the populations or investigations of the relation between absolute pitch and autistic traits are missing. Autism is characterized by a set of neurodevelopmentally caused symptoms mainly affecting social domains. Autistic individuals show problems with social interaction and communication, repetitive behaviours, restrictive interests and hyper- or hyposensitivities of the senses. Several theories of autism try to explain non-social (and sometimes social) symtoms with a tendency for bottom-up processing pathways, enhanced perceptual sensitivity and a focus on details. These theories comprise the weak central coherence theory (WCC), the enhanced perceptual functioning theory and the hypersystemizing theory. The critical period of absolute pitch development overlaps with a period of detail-oriented perception during normal child development. Hence, a detail-oriented ’‘cognitive style‘’, i.e. the predisposition to process incoming sensory information in a certain way, might serve as a common framework. The present thesis aims at investigating neurocognitive and neurophysiological characteristics of autism in healthy absolute pitch and relative pitch possessors and their relation to autistic traits in the same population. A total of 31 AP and 33 RP professional musicians and music students participated in a huge comprehensive study which contained resting state electroenzephalographic measurements, assessment of autistic symptoms (Autism Spectrum Quotient, Questionnaire) and auditory and visual experiments investigating cognitive style. The analyses resulted in three publications. In general absolute pitch possessors showed higher autistic traits compared to relative pitch possessors replicating the results of recent studies. Publication 1 reports that absolute pitch possessors outperform relative pitch possessors in an interleaved melody recognition test, which serves as an auditory embedded figures test. Visual and auditory embedded figures tests are often used in the autism literature in order to investigate cognitive style. Absolute pitch possessors seem to have an advantage in the test, which points towards enhanced sensory sensitivity for bottom-up details or availability of additional perceptual cues (i.e. pitch label) in these subjects. Publication 2 reports inconsistent results on auditory and visual hierarchical stimuli experiments. Participants had to respond to hierarchically constructed letters or melodies and either judge characteristics of the detail or the contextual level of the stimuli. In conflicting (incongruent) situations, interference effects of the unattended level were calculated. Analyses revealed inconsistent interference effects selectively appearing for certain types of measurements (reaction times, accuracy, combined score). The significant associations obtained reveal that absolute pitch possessors, when compared to relative pitch possessors, tend to exhibit a more detail-oriented processing with less contextual integration. However, missing effects on related target parameters might be caused by methodological problems related to investigating cognitive style with hierarchical stimuli. In publication 3 a graph theoretical approach is used to analyse brain connectivity networks (connectivity estimate: weighted phase lag index) of the resting state electroenzephalographic measurements of absolute and relative pitch possessors. Graph theory is especially suited to compare the efficiency ot a brain’s information processing capability. A normal human brain exhibits an efficient network of highly connected modules (segregation) with few long-distance connections (integration). The analysis shows that absolute pitch possessors are equipped with a widely underconnected brain with reduced integration and segregation as well as reduced interhemispheric connections. Parts of these results were related to autistic traits. In conclusion, the present thesis extends the literature on absolute pitch and especially the vague relation to autism: the results on neurocognitive and brain network differences partly overlap with the effects observed in autism or are associated with autistic traits in absolute pitch possessors. This is first evidence, that absolute pitch and autism might be related to each other through similarities in cognitive style and brain underconnectivity (integration deficit hypothesis). Inconsistencies within the results further reflect the heterogeneity of absolute pitch as a phenomenon and emphasize the need for subgroup analyses and longitudinal studies in the future.

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Wenhart, Teresa: Absolute pitch ability, cognitive style and autistic traits. a neuropsychological and electrophysiological study. Hannover 2019. Tierärztliche Hochschule Hannover.

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