Differences in rhythm perception between human and non-human primates

[Press Release University of Amsterdam]  Despite their genetic proximity, human and non-human primates differ in their capacity for beat induction, which is the ability to perceive a regular pulse in music or auditory stimuli and accordingly align motor skills by way of foot-tapping or dancing.

Also referred to as ‘rhythmic entrainment’, this ability is specific to humans and certain bird species, but is surprisingly enough not obvious in non-human primates. These are the findings of researchers from the University of Amsterdam and the National Autonomous University of Mexico (UNAM), whose new hypothesis, the ‘gradual audiomotor evolution hypothesis’, was recently published in the scientific journal Frontiers in Neuroscience.

Gradual audiomotor evolution hypothesis

The gradual audiomotor evolution hypothesis accommodates the fact that non-human primates’ (i.e., macaques) performance is comparable to humans in single interval tasks such as interval reproduction, categorisation and interception, but show differences in multiple interval tasks such as rhythmic entrainment, synchronisation and continuation. The hypothesis is also in line with the observation that macaques can apparently synchronise in the visual domain, but show less sensitivity in the auditory domain. Finally, while macaques are sensitive to interval-based timing and rhythmic grouping, the absence of strong coupling between the auditory and motor system of non-human primates might explain  why macaques cannot rhythmically entrain in the way humans do.

Timing networks in the primate brain

Functional imaging studies in humans have revealed that the motor cortico-basal ganglia-thalamo-cortical circuit (mCBGT) is not only involved  in sequential and temporal processing, but also in rhythmic behaviours such as music and dance, where auditory modality plays a critical role. The mCBGT circuit, however, seems to be less engaged in audiomotor integration in monkeys than in humans. While in humans different cognitive mechanisms are active for interval-based timing versus beat-based timing, with beat perception being dependent on distinct parts of the timing network in the brain, the anterior prefrontal CBGT and the mCBGT circuits in monkeys might be less viable to multiple interval structures, such as a regular beat.

Recent findings weaken the vocal learning hypothesis

The gradual audiomotor evolution hypothesis is an alternative to the well-known ‘vocal learning hypothesis’, which suggests that only species who can mimic sounds share the ability for  beat induction. Because recent empirical findings have challenged this hypothesis, an alternative was needed. 

Publication details

Merchant, H., & Honing, H. (2014; online). Are non-human primates capable of rhythmic entrainment? Evidence for the gradual audiomotor evolution hypothesis. Frontiers in Neuroscience, 7 (274) 1-8. doi 10.3389/fnins.2013.00274

Honing, H., & Merchant, H. (in press). Differences in auditory timing between human and non-human primates. Behavioral and Brain Science.

Wat gebeurt er met je hersenen als je muziek hoort? [Dutch]

Waarom ga je bijna vanzelf bewegen als je muziek hoort? Waarom kan muziektherapie bepaalde hersenproblemen oplossen? En hoe komt het dat je blijer wordt als je ouder wordt? VU-hoogleraar Erik Scherder vertelt het allemaal. (Een initiatief van de Universiteit van Nederland.)

Waarom zijn mensen muzikaal? [Dutch]

NRC Handelsblad 3 januari 2014.

Interview door Hendrik Spiering in NRC Handelsblad: 'Waarom zijn mensen muzikaal? Het is een van de grote vragen waarop de wetenschap geen antwoord heeft. Henkjan Honing is hoogleraar muziekcognitie aan de Universiteit van Amsterdam en onderzoekt die vraag al jaren. „Ik kijk niet naar muziek, maar naar muzikaliteit”, zegt hij op zijn kamer op het Netherlands Institute for Advanced Study in the Humanities and Social Sciences in Wassenaar. Hij werkt er aan een nieuw boek. Met de Mexicaan Hugo Merchant publiceerde hij onlangs een analyse van recente onderzoeken naar muzikaliteit bij dieren, in Frontiers in Neuroscience.' (zie tevens eerdere blog).

NRC Next 4 januari 2014.

Rhythm cognition in humans vs monkeys explained?

This week a theoretical paper will come out in Frontiers in Neuroscience that reviews the literature on rhythm and timing in humans and nonhuman primates observing different species to species behavior in interval-based timing versus beat-based timing.

In this paper we propose the gradual audiomotor evolution hypothesis as an alternative to the vocal learning hypothesis (Patel, 2006) that was recently challenged as a pre-condition to beat perception and rhythmic entrainment (see earlier blogs on rhythmic entrainment in, e.g., chimpansees and sea lions).

The gradual audiomotor evolution hypothesis (Merchant & Honing, 2014; Honing & Merchant, in press) accommodates the fact that nonhuman primates (i.e. macaques) performance is comparable to humans in single interval tasks (such as interval reproduction, categorization, and interception), but show differences in multiple interval tasks (such as rhythmic entrainment, synchronization and continuation). Furthermore, it is in line with the observation that macaques can, apparently, synchronize in the visual domain, but show less sensitivity in the auditory domain.  And finally, while macaques are sensitive to interval-based timing and rhythmic grouping, the absence of a strong coupling between the auditory and motor system of nonhuman primates might be the reason why macaques cannot rhythmically entrain in the way humans do.

Dorsal auditory stream (light blue) and mCBGT in primates (from: Merchant & Honing, 2013).

Functional imaging studies in humans have revealed that the motor cortico-basal ganglia-thalamo-cortical circuit (mCBGT; see Figure) is involved not only on sequential and temporal processing, but also on rhythmic behaviors such as music and dance, where the auditory modality plays a critical role. However, the mCBGT circuit seems to be less engaged in audiomotor integration in monkeys as opposed to humans. While in humans different cognitive mechanisms can be shown to be active for interval-based timing versus beat-based timing, with beat perception being dependent on distinct parts of the timing network in the brain, the anterior prefrontal CBGT and the mCBGT circuits in monkeys might be less viable to multiple interval structures, such as a regular beat.

Merchant, H., & Honing, H. (2014). Are non-human primates capable of rhythmic entrainment? Evidence for the gradual audiomotor evolution hypothesis. Frontiers in Neuroscience, 7 (274) 1-8. doi 10.3389/fnins.2013.00274 (Pre-Print).

Honing, H., & Merchant, H. (in press). Differences in auditory timing between human and non-human primates. Behavioral and Brain Science.

Wat maakt ons muzikale dieren? [Dutch]

Dit essay beschrijft een recentelijk ingezette zoektocht over de vraag wat ons muzikale dieren maakt. Wat is er te zeggen over de oorsprong van muziek en muzikaliteit vanuit een biologisch en evolutionair perspectief? Hoe is muziek ontstaan? Is muziek uniek voor mensen, zoals taal dat lijkt te zijn? En zo niet, welke muzikale vaardigheden delen we dan met andere primaten? Het antwoord op deze vragen zal nog veel onderzoek vergen.

Deze voorpublicatie, van een boek dat naar verwachting zal verschijnen in de winter van 2014 bij Nieuw Amsterdam, is een verslag van de eerste stappen die onze onderzoeksgroep zet op dit grotendeels onontgonnen onderzoeksterrein.

Honing, H. (2013). Op zoek naar wat ons muzikale dieren maakt. Gratis download via iTunes (iPad only).

Zorgen muzieklessen voor betere Cito-score? [Dutch]

'Van zingen krijg je een fijn gevoel'

Vandaag verscheen er een reportage in NRC Handelsblad / NRC Next met de titel Van zingen krijg je een fijn gevoel over de kinderen van de Kathedrale Koorschool in Utrecht die, volgens een onderzoek van Jaap Dronkers in opdracht van RTL, uitzonderlijk hoog scoorde op de landelijke Cito toets. Zou dat komen omdat op die school muziek een prominente plaats inneemt?

Het is een aantrekkelijke gedachte, en niet alleen voor degenen die het muziekonderwijs een warm hart toedragen. Lekker muziek maken en dan, als een soort bonus, ook nog eens hogere cijfers! Het is een gedachte die al vaker is aangevoerd om het belang van het muziekonderwijs te verdedigen in tijden van bezuinigingen. Dit alles onder het motto: muziek maakt je slimmer!

Het is echter maar de vraag of dat zo is. En als dat zo is, waardoor dat komt. (N.B. Met het mogelijke feit dat 'muziek slimmer maakt' het belang van muziek aantonen, en niet met een intrinsieke eigenschap van muziek zelf, is natuurlijk curieus. Maar daarover een andere keer meer.)

Fragment uit NRC van 23 december 2013.

Er is een rijke literatuur van muziekpedagogische teksten die de positieve invloed van muziek op het (andere) onderwijs tot waarheid promoveert – denk bijvoorbeeld aan Musik(erziehung) und ihre Wirkung van Hans Günther Bastian. Wederom, het is een sympathieke gedachte, maar is er ook wetenschappelijk onderbouwing voor te vinden?

Er leeft bij veel muziekpedagogen de begrijpelijke en ten dele terechte overtuiging dat je van muziek maken veel opsteekt, en niet alleen direct (near transfer) i.e. op de muziekvaardigheden zelf, maar ook indirect (far transfer): sociale en cognitieve vaardigheden — zoals geheugen, IQ, concentratie en scores voor vakken als lezen, schrijven en rekenen —, zouden er aanzienlijk door verbeteren. Voor dat laatste is echter nog maar weinig onderbouwing te vinden. Of preciezer gezegd: de beschikbare onderzoeksresultaten zijn alles behalve eenduidig.

Artur Jaschke et al. (2013) vergeleken onlangs een groot aantal representatieve studies met de conclusie dat voor veel zaken (zoals lezen, schrijven, rekenen) de wetenschappelijke uitkomsten vaak zover uiteen lopen dat er geen eenduidige conclusie te trekken is. Dit lijkt meestal veroorzaakt te worden door de gebruikte methode en relatief kleine schaal waarop de studies zijn uitgevoerd.

Een uitzondering is een Canadese studie (Schellenberg, 2004) waarin 150 6-jarige kinderen een jaar lang kunstonderwijs (muziek of toneel) werd aangeboden en vergeleken met een controle groep (o.a. gematched wat betreft opleiding en inkomen van de ouders) die het pas een jaar later aangeboden kreeg. Door het ontwerp van de studie (o.a. met gerandomiseerde toekenning aan groepen) kon het beter scoren op een IQ-test na een jaar muziekles verklaart worden als zijnde veroorzaakt door de muziekles. 

Prachtig onderzoek, maar door de gebruikte methode en de schaal waarop het moet worden uitgevoerd nogal kostbaar, en wellicht daarom maar weinig gedaan. We lijken niet alleen muziek een luxe te vinden, het begrijpen ervan ook.

Jaschke, A. C. et al. (2013) Music education and its effect on intellectual abilities in children: a systematic review. Reviews in the Neurosciences, 24, 6, 665–675. [een pre-print is hier te vinden]

Schellenberg, E. G. (2004). Music lessons enhance IQ. Psychological Science, 15 (8), 511-4 PMID: 15270994

Waarom blijft dat liedje in je hoofd hangen? [Dutch]

Waaraan herken je dat bekende nummer onmiddellijk? Waarom blijft het ene muziekfragment in je hoofd hangen en het andere niet? Om dat te achterhalen ontwikkelden onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam, Universiteit Utrecht en het Nederlands Instituut voor Beeld en Geluid ‘Hooked!’, een game voor de iPhone en andere iOS apparaten met muziek uit de Radio 2 Top 2000 (voor de wetenschap achter Hooked!, zie Burgoyne et al., 2013). De game is vanaf vandaag gratis te downloaden in de iTunes App store voor iedereen met een Spotify Premium Account. 

Voor meer informatie zie de Hooked! website.

‘Hooked!’, een game voor de iPhone en andere iOS apparaten.

J.A. Burgoyne et al. (2013). Hooked: A game for discovering what makes music catchy. Proceedings ISMIR.

Do you know this song?

What makes music catchy? Why do some pieces of music come right back to you even if you haven’t heard them in years, while you forget others almost immediately? Hooked! is designed by researchers of University of Amsterdam and Utrecht University to answer these questions (Burgoyne et al., 2013). The game tests how quickly different parts of a song trigger your memory, and with data from thousands of players, the researchers will be able to see what the catchiest hooks of all time have been and what they have in common. The more you play, the more you contribute to science!

A free version of Hooked! can now be downloaded at iTunes.
More information of the research can be found here.
More information on the game can be found here.

J.A. Burgoyne et al. (2013). Hooked: A game for discovering what makes music catchy. Proceedings ISMIR.

Maakt muziek slimmer? [Dutch]

Henkjan Honing (UvA) en Marc Leman (UGent) gaven 9 oktober j.l. een lezing in de Handelsbeurs van Gent en gingen daarna met Eos-redacteur Reinout Verbeke in gesprek.

Voor meer fragmenten zie YouTube.

Can we borrow your ears?

Fleur Bouwer, from the Music Cognition Group at the University of Amsterdam, traveled to Canada a few weeks ago to start-up an ambitious experiment on rhythm perception in collaboration with the group of Jessica Grahn, the Music Neuroscience Lab at Western University in London, Ontario. In preparation for a larger fMRI study she invites listeners to join an online pilot study. Interested?

The study involves listening to and rating rhythms online. The entire study will take up to 1 hour to complete and you can participate at a time and location of your convenience. You can also take the experiment in short blocks and take breaks in between. To participate, you need a computer with an Internet connection and loudspeakers or headphones.

The online experiment can be found at this link.