Neurophysiological correlates of action monitoring during music performance

Abstract

Music performance is regarded as one of the most complex human behaviors. A fundamental aspect of music making is highly accurate motor control and ensuring that the intended goals are or will be achieved. For that, musicians have to constantly monitor their performed actions and the resulting sensory effects in order to detect deviations from the intended behavior. However, the cognitive and neural mechanisms of action monitoring including error processing during complex time-based sequential behaviors such as music performance have remained elusive. This dissertation describes three experiments that investigated different aspects of action monitoring during piano performances of skilled musicians by using event-related potentials (ERPs). In Experiment 1 and 2, ERPs elicited by correctly produced key presses and their corresponding auditory feedback were compared to ERPs elicited by correctly produced key presses whose auditory feedback (pitch content) was at random positions manipulated (action condition). Additionally, ERPs were recorded while pianists merely listened to those stimuli they had to perform in the action condition (perception condition). Results suggest that the intention and action of producing a certain auditory effect enhances expectancies and influences the processing of the auditory input (indicated by a larger feedback-related negativity in the action compared to the perception condition). In Experiment 3, the comparison of ERPs elicited by correctly and incorrectly produced key presses showed that error-related processes occur before auditory feedback of an error is available. In addition, a newly developed setup allowed for the simultaneous recording of detailed movement and EEG data. Results of the combined analysis of pianists’ finger movements and ERP results tentatively indicate that tactile feedback might play an important role for error detection. Both main findings are explained in terms of predictive mechanisms based on the common coding approach and internal forward models.

Musizieren ist ein komplexes Unterfangen und erfordert präzise motorische Kontrolle und Handlungsüberwachung. So kann festgestellt werden, ob ausgeführte Handlungen und ihre sensorischen Effekte dem intendierten Verhalten entsprechen. Die neurokognitiven Grundlagen der Handlungsüberwachung während eines komplexen Verhaltens wie dem Musizieren sind jedoch weitgehend noch unerforscht. Im Rahmen dieser Arbeit wurden drei Experimente durchgeführt, die mittels Ereignis-korrelierten Potentialen (EKPs) Aspekte der Handlungsüberwachung (inklusive Fehlerverarbeitung) bei Musikern während des Klavierspielens aus dem Gedächtnis untersuchten. In den Experimenten 1 und 2 wurden EKPs verglichen, die einmal während korrekt gespielter Noten samt korrekter auditorischer Rückmeldung, und einmal während korrekt gespielter Noten, die eine manipulierte auditorische Rückmeldung enthielten, evoziert wurden (Handlungsbedingung). Zusätzlich wurden EKPs in einer Bedingung gemessen, in der Versuchsteilnehmer die Stimuli lediglich hörten, die sie in der Handlungsbedingung produzieren mussten (Wahrnehmungsbedingung). Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Intention und die ausgeführte Handlung Erwartungen bezüglich der auditorischen Rückmeldung verstärken, was sich in einer grösseren Amplitude der Feedback-related negativity in der Handlungs- im Vergleich zur Wahrnehmungsbedingung widerspiegelte. In Experiment 3 wurden EKPs miteinander verglichen, die während des Spielens korrekter und inkorrekter Noten evoziert wurden. Die Ergebnisse lassen darauf schließen, dass Prozesse der Fehlerverarbeitung schon vor der auditorischen Rückmeldung des Fehlers ablaufen, und somit unabhängig von dieser sind. Eine kombinierte Betrachtung der Fingertrajektorien und EKPs lässt vorläufig vermuten, dass der taktilen Rückmeldung von Tastendrücken eine wichtige Rolle für frühe fehlerbezogene Prozesse während des Klavierspiels zukommt. Diese Befunde werden innerhalb des Ansatzes des common coding und interner Vorwärtsmodelle erklärt.