Abstract In speech, linguistic information is conveyed redundantly by many simultaneously present acoustic dimensions, such as fundamental frequency, duration and amplitude. Listeners show stable tendencies to prioritize these acoustic dimensions differently, relative to one another, which suggests individualized speech perception ‘strategies’. However, it is unclear what drives these strategies, and more importantly, what impact they have on diverse aspects of communication. Here we show that such individualized perceptual strategies can be related to individual differences in perceptual ability. In a cue weighting experiment, we first demonstrate that individuals with a severe pitch perception deficit (congenital amusics) categorize linguistic stimuli similarly to controls when their deficit is unrelated to the main distinguishing cue for that category (in this case, durational or temporal cues). In contrast, in a prosodic task where pitch-related cues are typically more informative, amusics place less importance on this pitch-related information when categorizing speech. Instead, they relied more on duration information. Crucially, these differences in perceptual weights were observed even when pitch-related differences were large enough to be perceptually distinct to amusic listeners. In a second set of experiments involving musical and prosodic phrase interpretation, we found that this reliance on duration information allowed amusics to overcome their perceptual deficits and perceive both speech and music successfully. These results suggest that successful speech - and potentially music - comprehension is achieved through multiple perceptual strategies whose underlying weights may in part reflect individuals’ perceptual abilities.

Abstract Most human auditory psychophysics research has historically been conducted in carefully controlled environments with calibrated audio equipment, and over potentially hours of repetitive testing with expert listeners. Here, we operationally define such conditions as having high ‘auditory hygiene’. From this perspective, conducting auditory psychophysical paradigms online presents a serious challenge, in that results may hinge on absolute sound presentation level, reliably estimated perceptual thresholds, low and controlled background noise levels, and sustained motivation and attention. We introduce a set of procedures that address these challenges and facilitate auditory hygiene for online auditory psychophysics. First, we establish a simple means of setting sound presentation levels. Across a set of four level-setting conditions conducted in person, we demonstrate the stability and robustness of this level setting procedure in open air and controlled settings. Second, we test participants’ tone-in-noise thresholds using widely adopted online experiment platforms and demonstrate that reliable threshold estimates can be derived online in approximately one minute of testing. Third, using these level and threshold setting procedures to establish participant-specific stimulus conditions, we show that an online implementation of the classic probe-signal paradigm can be used to demonstrate frequency-selective attention on an individual-participant basis, using a third of the trials used in recent in-lab experiments. Finally, we show how threshold and attentional measures relate to well-validated assays of online participants’ in-task motivation, fatigue, and confidence. This demonstrates the promise of online auditory psychophysics for addressing new auditory perception and neuroscience questions quickly, efficiently, and with more diverse samples. Code for the tests is publicly available through Pavlovia and Gorilla.

The brain is increasingly viewed as a statistical learning machine, where our sensations and decisions arise from the intricate interplay between bottom-up sensory signals and constantly changing expectations regarding the surrounding world. Which statistics does the brain track while monitoring the rapid progression of sensory information? Here, by combining EEG (three experiments N>=22 each) and computational modelling, we examined how the brain processes rapid and stochastic sound sequences that simulate key aspects of dynamic sensory environments. Passively listening participants were exposed to structured tone-pip arrangements that contained transitions between a range of stochastic patterns. Predictions were guided by a Bayesian predictive inference model. We demonstrate that listeners automatically track the statistics of unfolding sounds, even when these are irrelevant to behaviour. Transitions between sequence patterns drove an increase of the sustained EEG response. This was observed to a range of distributional statistics, and even in situations where behavioural detection of these transitions was at floor. These observations suggest that the modulation of the EEG sustained response reflects a universal process of belief updating within the brain. By establishing a connection between the outputs of the computational model and the observed brain responses, we demonstrate that the dynamics of these transition-related responses align with the tracking of 'precision', the confidence or reliability assigned to a predicted sensory signal, shedding light on the intricate interplay between the brain's statistical tracking mechanisms and its response dynamics.

Lower frequency, feedback, activity in the alpha and beta range is thought to predominantly originate from infragranular cortical layers, whereas feedforward signals in the gamma range stem largely from supragranular layers. Distinct anatomical and spectral channels may therefore play specialized roles in communication within hierarchical cortical networks; however, empirical evidence for this organization in humans is limited. We leverage high precision MEG to test this proposal, directly and non-invasively, in human participants during visually guided actions. Visual alpha activity mapped onto deep cortical laminae, whereas visual gamma activity predominantly arose from superficial laminae. This laminar-specificity was echoed in sensorimotor beta and gamma activity. Visual gamma activity scaled with task demands in a way compatible with feedforward signaling. For sensorimotor activity, we observed a more complex relationship with feedback and feedforward processes. Distinct frequency channels thus operate in a laminar-specific manner, but with dissociable functional roles across sensory and motor cortices.

Despite the prevalent use of alerting sounds in alarms and human-machine interface systems, we have only a rudimentary understanding of what determines auditory salience - the automatic attraction of attention by sound - and the brain mechanisms which underlie this process. A major roadblock to understanding has been the lack of a robust, objective means of quantifying sound - driven attentional capture. Here we demonstrate that microsaccade inhibition - an oculomotor response arising within 300ms of sound onset - is a robust marker for the salience of brief sounds. Specifically, we show that a 'crowd sourced' (N=911) subjective salience ranking correlated robustly with the superior colliculus (SC) mediated ocular freezing response measured in naive, passively listening participants (replicated in two groups of N=15 each). More salient sounds evoked earlier microsaccadic inhibition, consistent with a faster orienting response. These results establish that microsaccade-indexed activity within the SC is a practical objective measure for auditory salience.

Individuals with congenital amusia have a lifelong history of unreliable pitch processing. Accordingly, they downweight pitch cues during speech perception (even large, obvious ones) and instead rely on other dimensions such as duration. We investigated the neural basis for this strategy. During fMRI, individuals with amusia and controls (N=30) matched auditory and visual sentences using pitch and duration cues. A data-driven analysis procedure detected prominent reductions in functional connectivity in the amusia group, between left prefrontal language-related regions (inferior and middle frontal gyrus/DLPFC) and right hemisphere pitch-related regions (auditory and anterior insular cortex). Functional connectivity levels were correlated with prosodic cue weights measured outside the scanner. Furthermore, group differences in functional connectivity between these regions was not present during a control task (passive listening to tones). Our results suggest that individuals compensate for differences in the reliability of perceptual dimensions by regulating functional connectivity between task-relevant frontal and perceptual regions.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.

Prosody can be defined as the rhythm and intonation patterns spanning words, phrases and sentences. Accurate perception of prosody is an important component of many aspects of language processing, such as parsing grammatical structures, recognizing words, and determining where emphasis may be placed. Prosody perception is important for language acquisition and can be impaired in language-related developmental disorders. However, existing assessments of prosodic perception suffer from some shortcomings. These include being unsuitable for use with typically developing adults due to ceiling effects, or failing to allow the investigator to distinguish the unique contributions of individual acoustic features such as pitch and temporal cues. Here we present the Multi-Dimensional Battery of Prosody Perception (MBOPP), a novel tool for the assessment of prosody perception. It consists of two subtests -- Linguistic Focus, which measures the ability to hear emphasis or sentential stress, and Phrase Boundaries, which measures the ability to hear where in a compound sentence one phrase ends, and another begins. Perception of individual acoustic dimensions (Pitch and Time) can be examined separately, and test difficulty can be precisely calibrated by the the experimenter because stimuli were created using a continuous voice morph space. We present validation analyses from a sample of 57 individuals and discuss how the battery might be deployed to examine perception of prosody in various populations.

Auditory selective attention is vital in natural soundscapes. But, it is unclear how attentional focus on the primary dimension of auditory representation - acoustic frequency - might modulate basic auditory functional topography during active listening. In contrast to visual selective attention, which is supported by motor-mediated optimization of input across saccades and pupil dilation, the primate auditory system has fewer means of differentially sampling the world. This makes spectrally-directed endogenous attention a particularly crucial aspect of auditory attention. Using a novel functional paradigm combined with quantitative MRI, we establish that human frequency-band-selective attention drives activation in both myeloarchitectonically-estimated auditory core, and across the majority of tonotopically-mapped non-primary auditory cortex. The attentionally-driven best-frequency maps show strong concordance with sensory-driven maps in the same subjects across much of the temporal plane, with poor concordance in non-auditory areas. There is significantly greater activation across most of auditory cortex when best frequency is attended, versus ignored. Moreover, the single frequency bands that evoke the least activation and the frequency bands that elicit the least activation when attention is directed to them also correspond closely. Finally, the results demonstrate that there is spatial correspondence between the degree of myelination and the strength of the tonotopic signal across a number of regions in auditory cortex. Strong frequency preferences across tonotopically-mapped auditory cortex spatially correlate with R1-estimated myeloarchitecture, indicating shared functional and anatomical organization that may underlie intrinsic auditory regionalization.

The ability to track the statistics of our surroundings is a key computational challenge. A prominent theory (Dayan & Yu, 2006) proposes that the brain monitors for 'unexpected uncertainty' - events which deviate substantially from model predictions, indicating model failure. Norepinephrine (NE) is thought to play a key role in this process by serving as an interrupt signal, initiating model-resetting. However, evidence is from paradigms where participants actively monitored stimulus statistics. To determine whether NE routinely reports the statistical structure of our surroundings, even when not behaviourally relevant, we used rapid tone-pip sequences that contained perceptually salient pattern-changes associated with abrupt structural violations vs. emergence of regular structure. Phasic pupil dilations (PDR) were monitored to assess NE. We reveal a remarkable specificity: When not behaviourally relevant, only abrupt structural violations evoked a PDR. The results demonstrate that NE tracks 'unexpected uncertainty' on rapid time scales relevant to sensory signals.

Abstract Quantitative MRI (qMRI) allows extraction of reproducible and robust parameter maps. However, the connection to underlying biological substrates remains murky, especially in the complex, densely packed cortex. We investigated associations in human neocortex between qMRI parameters and neocortical cell types by comparing the spatial distribution of the qMRI parameters longitudinal relaxation rate ( R 1 ), effective transverse relaxation rate ( R 2 ∗ ), and magnetization transfer saturation (MTsat) to gene expression from the Allen Human Brain Atlas, then combining this with lists of genes enriched in specific cell types found in the human brain. As qMRI parameters are magnetic field strength-dependent, the analysis was performed on MRI data at 3T and 7T. All qMRI parameters significantly covaried with genes enriched in GABA- and glutamatergic neurons, i.e. they were associated with cytoarchitecture. The qMRI parameters also significantly covaried with the distribution of genes enriched in astrocytes ( R 2 ∗ at 3T, R 1 at 7T), endothelial cells ( R 1 and MTsat at 3T), microglia ( R 1 and MTsat at 3T, R 1 at 7T), and oligodendrocytes ( R 1 at 7T). These results advance the potential use of qMRI parameters as biomarkers for specific cell types.