How environmental sounds become meaningful

The term "sound object" describes an auditory experience that is associated with an acoustic event produced by a sound source. In natural settings, a sound produced by a living being or an object provides information about the identity and the location of the sound source. Sound's identity is orocessed alono the ventral "What" pathway which consists of regions within the superior and middle temporal cortices as well as the inferior frontal gyrus. This work concerns the creation of individual auditory object representations in narrow semantic categories and their plasticity using electrical imaging. Discrimination of sounds from broad category has been shown to occur along a temporal hierarchy and in different brain regions along the ventral "What" pathway. However, sounds belonging to the same semantic category, such as faces or voices, were shown to be discriminated in specific brain areas and are thought to represent a special class of stimuli. I have investigated how cortical representations of a narrow category, here birdsongs, is modulated by training novices to recognized songs of individual bird species. Dynamic analysis of distributed source estimations revealed differential sound object representations within the auditory ventral "What" pathway as a function of the level of expertise newly acquired. Correct recognition of trained items induces a sharpening within a left-lateralized semantic network starting around 200ms, whereas untrained items' processing occurs later in lower-level and memory-related regions. With another category of sounds belonging to the same category, here heartbeats, I investigated the cortical representations of correct and incorrect recognition of sounds. Source estimations revealed differential representations partially overlapping with regions involved in the semantic network that is activated when participants became experts in the task. Incorrect recognition also induces a higher activation when compared to correct recognition in regions processing lower-level features. The discrimination of heartbeat sounds is a difficult task and requires a continuous listening. I investigated whether the repetition effects are modulated by participants' behavioral performance. Dynamic source estimations revealed repetition suppression in areas located outside of the semantic network. Therefore, individual environmental sounds become meaningful with training. Their representations mainly involve a left-lateralized network of brain regions that are tuned with expertise, as well as other brain areas, not related to semantic processing, and occurring in early stages of semantic processing. -- Le terme objet sonore" décrit une expérience auditive associée à un événement acoustique produit par une source sonore. Dans l'environnement, un son produit par un être vivant ou un objet fournit des informations concernant l'identité et la localisation de la source sonore. Les informations concernant l'identité d'un son sont traitée le long de la voie ventrale di "Quoi". Cette voie est composée de regions situées dans le cortex temporal et frontal. L'objet de ce travail est d'étudier quels sont les neuro-mecanismes impliqués dans la représentation de nouveaux objets sonores appartenant à une meme catégorie sémantique ainsi que les phénomènes de plasticité à l'aide de l'imagerie électrique. Il a été montré que la discrimination de sons appartenant à différentes catégories sémantiques survient dans différentes aires situées le long la voie «Quoi» et suit une hiérarchie temporelle II a également été montré que la discrimination de sons appartenant à la même catégorie sémantique tels que les visages ou les voix, survient dans des aires spécifiques et représenteraient des stimuli particuliers. J'ai étudié comment les représentations corticales de sons appartenant à une même catégorie sémantique, dans ce cas des chants d'oiseaux, sont modifiées suite à un entraînement Pour ce faire, des sujets novices ont été entraînés à reconnaître des chants d'oiseaux spécifiques L'analyse des estimations des sources neuronales au cours du temps a montré que les representations des objets sonores activent de manière différente des régions situées le long de la vo,e ventrale en fonction du niveau d'expertise acquis grâce à l'entraînement. La reconnaissance des chants pour lesquels les sujets ont été entraînés implique un réseau sémantique principalement situé dans l'hémisphère gauche activé autour de 200ms. Au contraire, la reconnaissance des chants pour lesquels les sujets n'ont pas été entraînés survient plus tardivement dans des régions de plus bas niveau. J'ai ensuite étudié les mécanismes impliqués dans la reconnaissance et non reconnaissance de sons appartenant à une autre catégorie, .es battements de coeur. L'analyse des sources neuronales a montre que certaines régions du réseau sémantique lié à l'expertise acquise sont recrutées de maniere différente en fonction de la reconnaissance ou non reconnaissance du son La non reconnaissance des sons recrute des régions de plus bas niveau. La discrimination des bruits cardiaques est une tâche difficile et nécessite une écoute continue du son. J'ai étudié l'influence des réponses comportementales sur les effets de répétitions. L'analyse des sources neuronales a montré que la reconnaissance ou non reconnaissance des sons induisent des effets de repétition différents dans des régions situées en dehors des aires du réseau sémantique. Ainsi, les sons acquièrent un sens grâce à l'entraînement. Leur représentation corticale implique principalement un réseau d'aires cérébrales situé dans l'hémisphère gauche, dont l'activité est optimisée avec l'acquisition d'un certain niveau d'expertise, ainsi que d'autres régions qui ne sont pas liée au traitement de l'information sémantique. L'activité de ce réseau sémantique survient plus rapidemement que la prédiction par le modèle de la hiérarchie temporelle.

From bird to sparrow: Learning-induced modulations in fine-grained semantic discrimination.

Recognition of environmental sounds is believed to proceed through discrimination steps from broad to more narrow categories. Very little is known about the neural processes that underlie fine-grained discrimination within narrow categories or about their plasticity in relation to newly acquired expertise. We investigated how the cortical representation of birdsongs is modulated by brief training to recognize individual species. During a 60-minute session, participants learned to recognize a set of birdsongs; they improved significantly their performance for trained (T) but not control species (C), which were counterbalanced across participants. Auditory evoked potentials (AEPs) were recorded during pre- and post-training sessions. Pre vs. post changes in AEPs were significantly different between T and C i) at 206-232ms post stimulus onset within a cluster on the anterior part of the left superior temporal gyrus; ii) at 246-291ms in the left middle frontal gyrus; and iii) 512-545ms in the left middle temporal gyrus as well as bilaterally in the cingulate cortex. All effects were driven by weaker activity for T than C species. Thus, expertise in discriminating T species modulated early stages of semantic processing, during and immediately after the time window that sustains the discrimination between human vs. animal vocalizations. Moreover, the training-induced plasticity is reflected by the sharpening of a left lateralized semantic network, including the anterior part of the temporal convexity and the frontal cortex. Training to identify birdsongs influenced, however, also the processing of C species, but at a much later stage. Correct discrimination of untrained sounds seems to require an additional step which results from lower-level features analysis such as apperception. We therefore suggest that the access to objects within an auditory semantic category is different and depends on subject's level of expertise. More specifically, correct intra-categorical auditory discrimination for untrained items follows the temporal hierarchy and transpires in a late stage of semantic processing. On the other hand, correct categorization of individually trained stimuli occurs earlier, during a period contemporaneous with human vs. animal vocalization discrimination, and involves a parallel semantic pathway requiring expertise.