Abstract Listening to pleasurable music is known to engage the brain’s reward system. This has motivated many cognitive-behavioral interventions for healthy aging, but little is known about the effects of music-based intervention (MBI) on activity and connectivity of the brain’s auditory and reward systems. Here we show preliminary evidence that brain network connectivity can change after receptive MBI in cognitively unimpaired older adults. Using a combination of whole-brain regression, seed-based connectivity analysis, and representational similarity analysis (RSA), we examined fMRI responses during music listening in older adults before and after an eight-week personalized MBI. Participants rated self-selected and researcher-selected musical excerpts on liking and familiarity. Parametric effects of liking, familiarity, and selection showed simultaneous activation in auditory, reward, and default mode network (DMN) areas. Functional connectivity within and between auditory and reward networks was modulated by participant liking and familiarity ratings. RSA showed significant representations of selection and novelty at both time-points, and an increase in striatal representation of musical stimuli following intervention. An exploratory seed-based connectivity analysis comparing pre- and post-intervention showed significant increase in functional connectivity between auditory regions and medial prefrontal cortex (mPFC). Taken together, results show how regular music listening can provide an auditory channel towards the mPFC, thus offering a potential neural mechanism for MBI supporting healthy aging.

Abstract Creativity is the ability to produce work that is novel, high in quality, and appropriate to an audience. One domain of creativity comes from musical improvisation, in which individuals spontaneously create novel auditory-motor sequences that are aesthetically rewarding. Here we test the hypothesis that individual differences in creative behavior are subserved by mesial and lateral differences in white matter connectivity. We compare jazz improvising musicians against classical (non-improvising) musicians and non-musician control subjects in musical performance and diffusion tensor imaging. Subjects improvised on short musical motifs and underwent DTI. Statistical measures of fluency and entropy for musical performances predicted expert ratings of creativity for each performance. Tract-Based Spatial Statistics (TBSS) showed higher Fractional Anisotropy (FA) in the cingulate cortex and corpus callosum in jazz musicians. FA in the cingulate also correlated with entropy. Probabilistic tractography from these mesial regions to lateral seed regions of the arcuate fasciculus, a pathway known to be involved in sound perception and production, showed mesial-to-lateral connectivity that correlated with improvisation training. Results suggest that white matter connectivity between lateral and mesial structures may integrate domain-general and domain-specific components of creativity.

Abstract Much of what we know and love about music hinges on our ability to make successful predictions, which appears to be an intrinsically rewarding process. Yet the exact process by which learned predictions become pleasurable is unclear. Here, we created novel melodies in an alternative scale different from any established musical culture, to show how musical preference is generated de novo . Across nine studies (n=1185), participants learned to like more frequently-presented items that adhered to this rapidly-learned structure, suggesting that exposure and prediction errors both affected self-report liking ratings. Learning trajectories varied by music reward sensitivity, but were similar for USA and Chinese participants. Furthermore, fMRI activity in auditory areas reflected prediction errors whereas functional connectivity between auditory and medial prefrontal regions reflected both exposure and prediction errors. Collectively, results support predictive coding as a cognitive mechanism by which new musical sounds become rewarding.

Abstract The intrinsic organization of functional brain networks is known to change with age, and is affected by perceptual input and task conditions. Here, we compare functional activity and connectivity during music listening and rest between younger (N=24) and older (N=24) adults, using whole brain regression, seed-based connectivity, and ROI-ROI connectivity analyses. As expected, activity and connectivity of auditory and reward networks scaled with liking during music listening in both groups. Younger adults show higher within-network connectivity of auditory and reward regions as compared to older adults, both at rest and during music listening, but this age-related difference at rest was reduced during music listening, especially in individuals who self-report high musical reward. Furthermore, younger adults showed higher functional connectivity between auditory network and medial prefrontal cortex (mPFC) that was specific to music listening, whereas older adults showed a more globally diffuse pattern of connectivity, including higher connectivity between auditory regions and bilateral lingual and inferior frontal gyri. Finally, connectivity between auditory and reward regions was higher when listening to music selected by the participant. These results highlight the roles of aging and reward sensitivity on auditory and reward networks. Results may inform the design of music- based interventions for older adults, and improve our understanding of functional network dynamics of the brain at rest and during a cognitively engaging task.

Abstract The intrinsic dynamics of human brain activity display a recurring pattern of anti-correlated activity between the default mode network (DMN), associated with internal processing and mentation, and task positive regions, associated with externally directed attention. In human functional magnetic resonance imaging (fMRI) data, this anti-correlated pattern is detectable on the infraslow timescale (<0.1 Hz) as a quasi-periodic pattern (QPP). While the DMN is implicated in creativity and musicality in traditional time-averaged functional connectivity studies, no one has yet explored how creative training may alter dynamic spatiotemporal patterns involving the DMN such as QPPs. In the present study, we compare the outputs of two QPP detection approaches, sliding window algorithm and complex principal components analysis (cPCA). We apply both methods to an existing dataset of musicians captured with resting state fMRI, grouped as either classical, improvisational, or minimally trained non-musicians. The original time-averaged functional connectivity (FC) analysis of this dataset used improvisation as a proxy for creative thinking and found that the DMN and visual networks (VIS) display higher connectivity in improvisational musicians. We expand upon this dataset’s original study and find that QPP analysis detects convergent results at the group level with both methods. In improvisational musicians, dynamic functional correlation in the group-averaged QPP was found to be increased between the DMN-VIS and DMN-FPN for both the QPP algorithm and complex principal components analysis (cPCA) methods. Additionally, we found an unexpected increase in FC in the group-averaged QPP between the dorsal attention network and amygdala in improvisational musicians; this result was not reported in the original seed-based study of this dataset. The current study represents a novel application of two dynamic FC detection methods with results that replicate and expand upon previous seed-based FC findings. The results show the robustness of both the QPP phenomenon and its detection methods. This study also demonstrates the value of dynamic FC methods in reproducing seed-based findings and their promise in detecting group-wise or individual differences that may be missed by traditional seed-based resting state fMRI studies.

Abstract Neural entrainment to musical rhythm is thought to underlie the perception and production of music. In aging populations, the strength of neural entrainment to rhythm has been found to be attenuated, particularly during attentive listening to auditory streams. However, previous studies on neural entrainment to rhythm and aging have often employed artificial auditory rhythms or limited pieces of recorded, naturalistic music, failing to account for the diversity of rhythmic structures found in natural music. As part of larger project assessing a novel music-based intervention for healthy aging, we investigated neural entrainment to musical rhythms in the electroencephalogram (EEG) while participants listened to self-selected musical recordings across a sample of younger and older adults. We specifically measured neural entrainment to the level of musical pulse—quantified here as the phase-locking value (PLV)—after normalizing the PLVs to each musical recording’s detected pulse frequency. As predicted, we observed strong neural phase-locking to musical pulse, and to the sub-harmonic and harmonic levels of musical meter. Overall, PLVs were not significantly different between older and younger adults. This preserved neural entrainment to musical pulse and rhythm could support the design of music-based interventions that aim to modulate endogenous brain activity via self-selected music for healthy cognitive aging.

ABSTRACT Background music is widely used to sustain attention, but little is known about what musical properties aid attention. This may be due to inter-individual variability in neural responses to music. We test the hypothesis that music can sustain attention by affecting oscillations via acoustic amplitude modulation, differentially for those with varying levels of attentional difficulty. We first show that heavily-modulated music improves sustained attention for participants with more ADHD symptoms. FMRI showed this music elicited greater activity in attentional networks in this group only, and EEG showed greater stimulus-brain coupling for this group in response to the heavily-modulated music. Finally, we parametrically manipulated the depth and rate of amplitude modulations inserted in otherwise-identical music, and found that beta-range modulations helped more than other frequency ranges for participants with more ADHD symptoms. Results suggest the possibility of an oscillation-based neural mechanism for targeted music to support improved cognitive performance.

Music-based interventions are a common feature in long-term care with clinical reports highlighting music's ability to engage individuals with complex diagnoses. While these findings are promising, normative findings from healthy controls are needed to disambiguate treatment effects unique to pathology and those seen in healthy aging. The present study examines brain network dynamics during music listening in a sample of healthy older adults before and after a music-based intervention. We found intervention effects from hidden Markov model-estimated fMRI network data. Following the intervention, participants demonstrated greater occupancy (the amount of time a network was occupied) in a temporal-mesolimbic network. We conclude that network dynamics in healthy older adults are sensitive to music-based interventions. We discuss these findings' implications for future studies with individuals with neurodegeneration.

Music-based interventions have become increasingly widely adopted for dementia and related disorders. Previous research shows that music engages reward-related regions through functional connectivity with the auditory system. Here we characterize intrinsic connectivity of the auditory and reward systems in healthy aging, mild cognitive impairment (MCI), and Alzheimers disease (AD). Using resting-state fMRI data from the Alzheimers Database Neuroimaging Initiative, we defined a network of regions with known roles in auditory and reward functions, and tested functional connectivity in these networks among older adults with MCI, AD, and age-matched healthy controls (N=105). Seed-based correlations were assessed from regions of interest (ROIs) in the auditory network, i.e. temporal lobe structures, and reward network i.e. orbitofrontal cortex and striatum. AD individuals were lower in both within-network and between-network functional connectivity in the auditory network and reward networks compared to MCI and controls. Furthermore, graph theory analyses showed that MCI individuals had higher clustering, local efficiency, degrees, and strengths than both AD and control individuals. Together, the auditory and reward systems show preserved within- and between-network connectivity in MCI relative to AD. These results suggest that music-based interventions have the potential to make an early difference in individuals with MCI, due to the preservation of functional connectivity in reward-related regions and between auditory and reward networks.

1 Abstract Knowledge of speech and music depends upon the ability to perceive relationships between sounds in order to form a stable mental representation of statistical structure. Although evidence exists for the learning of musical scale structure from the statistical properties of sound events, little research has been able to observe how specific acoustic features contribute to statistical learning independent of the effects of long-term exposure. Here, using a new musical system, we show that spectral content is an important cue for acquiring musical scale structure. In two experiments, participants completed probe-tone ratings before and after a half-hour period of exposure to melodies in a novel musical scale with a predefined statistical structure. In Experiment 1, participants were randomly assigned to either a no-exposure control group, or to exposure groups who heard pure tone or complex tone sequences. In Experiment 2, participants were randomly assigned to exposure groups who heard complex tones constructed with odd harmonics or even harmonics. Learning outcome was assessed by correlating pre/post-exposure ratings and the statistical structure of tones within the exposure period. Spectral information significantly affected sensitivity to statistical structure: participants were able to learn after exposure to all tested timbres, but did best at learning with timbres with odd harmonics, which were congruent with scale structure. Results show that spectral amplitude distribution is a useful cue for statistical learning, and suggest that musical scale structure might be acquired through exposure to spectral distribution in sounds.