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Healthy aging with music : Practicing piano to promote brain plasticity and functional abilities in older people

The rapidly aging population will impact the whole society, and requires urgent action to prevent or delay age-related deterioration. In order to support healthy aging, effective interventions which enhance older peoples’ intrinsic capacities must be identified. Playing a musical instrument holds particular potential for improving sensorimotor, auditory, and cognitive functions. However, evidence is still limited and further longitudinal studies and, in particular, randomized controlled trials (RCTs) are needed. Moreover, the exact mechanisms leading to music-driven adaptations are still largely unknown.

To address these gaps, we included 156 subjects (females = 92, males = 64) from Hanover (Germany; N = 92) and Geneva (Switzerland; N = 64) in an RCT of a musical training intervention. All participants were retired and between 62–78 years of age (mean = 69.7, SD = 3.5). Inclusion criteria were right-handedness, non-reliance on hearing aids and general good health without any neurological, psychological or severe physical health impairments. Furthermore, the participants must have engaged in less than 6 months of regular musical practice over their lifetime. All subjects were allocated to either Playing Piano (PP; N = 74) or Musical Culture/Music listening (MC; N = 82) groups. Both groups were matched in age, sex, global cognitive functioning and education level. Participants in both groups attended weekly 60-minute lessons for 12 months and received homework for ∼30 minutes/day.

In the first study, an analysis of the first 6 months of the intervention, we showed that binaural speech reception threshold (SRT) – an indicator of the ability to perceive speech in background noise (SIN) – improved by an average of -0.14 dB in both groups. In addition, PP improved their left SRT by -0.46 dB, whereas MC showed no change over time. The magnitude of the effect seemed to depend on the sex and the type of language of the participant. That the effect occurred particularly in the left ear may indicate music-induced adaptations in right-lateralized auditory regions that are especially involved in processing spectral information of the auditory stimulus. According to this result, we hypothesized that the right Heschl’s gyrus will be particularly associated with SIN perception in the subsequent study.

In this second study we used MRI in order to measure cortical thickness (CT) of 12 auditory-related regions of interest (ROI) before and after 6 months of musical instruction. In five ROI – left Heschl's gyrus, left planum polare, bilateral superior temporal sulcus, and right Heschl's sulcus – we found a robust increase in CT in PP compared with MC. Although CT of the right Heschl’s gyrus only marginally increased in PP, as we expected, its CT was associated with both left and right SRT and probably represents a general neurocomputational hub for SIN perception.

In the third study, we found that PP achieved greater improvement in fine motor skills and working memory capacity compared to MC after the full 12 month intervention. Both groups improved in unimanual motor skills and perceptual speed. Only in PP, unimanual fine motor performance and the gray matter volume of the contralateral primary motor cortex (M1) changed together during the 6-12-month intervention period. In addition, the bilateral M1 developed together with the ipsilateral putamen and thalamus, forming an effective and well-connected sensorimotor network.

In conclusion, we clearly showed that making music is an effective means of promoting functional abilities and may counteract conditions such as hearing loss and cognitive and motor impairment. We showed that the brain and behavior do not lose their adaptability in older age and that learning to play the piano can initiate a developmental cascade that ultimately affects a wide range of health-related parameters. Therefore, lifelong education should become an important policy focus in the context of population aging. In this sense, special music offers for older people could represent an evidence-based measure for health promotion and prevention of many age-related conditions.

Der demografische Wandel wird sich auf die gesamte Gesellschaft auswirken und erfordert dringende Maßnahmen. Um ein gesundes Altern zu fördern und altersbedingte Degeneration zu verhindern oder zu verzögern, müssen wirksame Mittel identifiziert werden, die die intrinsischen Fähigkeiten älterer Menschen verbessern.

Das Spielen eines Musikinstruments birgt ein besonderes Potenzial zur Verbesserung der sensomotorischen, auditiven und kognitiven Fähigkeiten. Allerdings ist die wissenschaftliche Evidenz noch schwach, und weitere Längsschnittstudien und insbesondere randomisierte kontrollierte Studien (randomized controlled trials, RCTs) in diesem Bereich sind erforderlich. Zudem sind die genauen Mechanismen, die zu diesen Anpassungen beim Musizieren führen, noch weitgehend unbekannt.

Für die vorliegende Studie haben wir 156 Probandinnen und Probanden (Frauen = 92, Männer = 64) aus Hannover (Deutschland; N = 92) und Genf (Schweiz; N = 64) einbezogen. Alle Teilnehmenden waren im Ruhestand und zwischen 62-78 Jahre alt (Mittelwert = 69,7, SD = 3,5). Einschlusskriterien waren Rechtshändigkeit, Unabhängigkeit von einem Hörgerät und ein guter allgemeiner Gesundheitszustand ohne neurologische, psychologische oder schwere körperliche Beeinträchtigungen. Eine Studienteilnahme erforderte außerdem, dass im Laufe des Lebens weniger als 6 Monate extrakurrikular Musik ausgeübt wurde. Alle Probanden und Probandinnen wurden entweder der Gruppe „Klavierspielen“ (Playing Piano, PP; N = 74) oder der Gruppe „Musik erleben und verstehen“ (Musical Culture, MC; N = 82) zugeteilt, so dass beide Gruppen hinsichtlich Alter, Geschlecht, globaler kognitiver Leistungsfähigkeit und Bildungsniveau homogen waren. Beide Gruppen erhielten für 12 Monate wöchentlich 60-minütigen Unterricht und zusätzlich Hausaufgaben für ∼30 Minuten/Tag.

In der ersten Studie konnten wir zeigen, dass sich die binaurale Sprachverständlichkeitsschwelle (speech reception threshold, SRT) – ein Indikator für die Fähigkeit, Sprache im Hintergrundgeräusch (speech in noise, SIN) wahrzunehmen – nach 6 Monaten Musikunterricht in beiden Gruppen um durchschnittlich -0,14 dB verbesserte. Darüber hinaus konnte PP eine Verbesserung der linken SRT um -0,46 dB verzeichnen, während MC im Laufe der Zeit keine Veränderung zeigte. Hierbei schien das Ausmaß des Effekts vom Geschlecht und der Art der Sprache der Teilnehmenden abzuhängen. Der Befund, dass ein positiver Effekt vor allem mit dem linken Ohr assoziiert war, könnte auf musikinduzierte Anpassungen in rechtslateralen Hörregionen hinweisen, die besonders an der Verarbeitung spektraler Informationen beteiligt sind. Aufgrund dieses Ergebnisses stellten wir die Hypothese für die nachfolgende Studie auf, dass besonders der rechte Heschl Gyrus mit der SRT assoziiert ist.

In der zweiten Studie haben wir die kortikale Dicke (cortical thickness, CT) von 12 auditiv relevanten Regionen (regions of interest, ROI) vor und nach 6 Monaten Musikunterricht mittels MRT analysiert. In fünf ROI – linker Heschl Gyrus, linkes Planum polare, bilateraler Sulcus temporalis superior und rechter Heschl Sulcus – fanden wir eine Zunahme der CT bei PP im Vergleich zu MC. Obwohl die Gruppenunterschiede für den rechten Heschl Gyrus nur marginal waren, war die CT, wie erwartet, sowohl mit der linken als auch mit der rechten SRT assoziiert und stellt wahrscheinlich ein allgemeines neurocomputationales Zentrum für die SIN-Wahrnehmung dar.

In der dritten Studie konnten wir feststellen, dass nach 12 Monaten Musikunterricht PP im Vergleich zu MC eine stärkere Verbesserung der Feinmotorik und des Arbeitsgedächtnisses erzielte. Beide Gruppen verbesserten sich in unimanualer Feinmotorik und Verarbeitungsgeschwindigkeit. Nur bei PP veränderten sich die unimanuelle feinmotorische Leistung und das Volumen der grauen Substanz des kontralateralen primären motorischen Kortex (M1) während des 6-12-monatigen Interventionszeitraums gemeinsam. Darüber hinaus entwickelte sich der bilaterale M1 zusammen mit dem ipsilateralen Putamen und Thalamus und bildeten ein effektives und gut vernetztes sensomotorisches Netzwerk.

Anhand unserer Studienergebnisse konnten wir demonstrieren, dass Musizieren eine Möglichkeit zur Förderung funktioneller Fähigkeiten darstellt und altersbedingten auditorischen, motorischen und kognitiven Abbau entgegenwirken kann. Wir konnten zeigen, dass das Gehirn und das Verhalten auch im höheren Alter ihre Anpassungsfähigkeiten nicht verlieren und dass das Erlernen eines Musikinstrumentes eine Entwicklungskaskade initiieren kann, die sich letztlich auf ein breites Spektrum gesundheitsassoziierter Parameter auswirkt. Daher sollte die lebenslange Förderung einen wichtigen politischen Schwerpunkt im Zusammenhang mit der Bevölkerungsalterung bilden. In diesem Sinne könnten spezielle Musikangebote für ältere Menschen eine evidenzbasierte Maßnahme zur Prävention und Gesundheitsförderung darstellen.

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