The human central auditory system can automatically extract abstract regularities from a variant auditory input. To this end, temporarily separated events need to be related. This study tested whether the timing between events, falling either within or outside the temporal window of integration (~350 ms), impacts the extraction of abstract feature relations. We utilized tone pairs for which tones within but not across pairs revealed a constant pitch relation (e.g., pitch of second tone of a pair higher than pitch of first tone, while absolute pitch values varied across pairs). We measured the mismatch negativity (MMN; the brain’s error signal to auditory regularity violations) to second tones that rarely violated the pitch relation (e.g., pitch of second tone lower). A Short condition in which tone duration (90 ms) and stimulus onset asynchrony between the tones of a pair were short (110 ms) was compared to two conditions, where this onset asynchrony was long (510 ms). In the Long Gap condition, the tone durations were identical to Short (90 ms), but the silent interval was prolonged by 400 ms. In Long Tone, the duration of the first tone was prolonged by 400 ms, while the silent interval was comparable to Short (20 ms). Results show a frontocentral MMN of comparable amplitude in all conditions. Thus, abstract pitch relations can be extracted even when the within-pair timing exceeds the integration period. Source analyses indicate MMN generators in the supratemporal cortex. Interestingly, they were located more anterior in Long Gap than in Short and Long Tone. Moreover, frontal generator activity was found for Long Gap and Long Tone. Thus, the way in which the system automatically registers irregular abstract pitch relations depends on the timing of the events to be linked. Pending that the current MMN data mirror established abstract rule representations coding the regular pitch relation, neural processes building these templates vary with timing.

The human central auditory system can automatically extract abstract regularities from a variant auditory input. To this end, temporarily separated events need to be related. This study tested whether the timing between events, falling either within or outside the temporal window of integration (~350 ms), impacts the extraction of abstract feature relations. We utilized tone pairs for which tones within but not across pairs revealed a constant pitch relation (e.g., pitch of second tone of a pair higher than pitch of first tone, while absolute pitch values varied across pairs). We measured the mismatch negativity (MMN; the brain’s error signal to auditory regularity violations) to second tones that rarely violated the pitch relation (e.g., pitch of second tone lower). A Short condition in which tone duration (90 ms) and stimulus onset asynchrony between the tones of a pair were short (110 ms) was compared to two conditions, where this onset asynchrony was long (510 ms). In the Long Gap condition, the tone durations were identical to Short (90 ms), but the silent interval was prolonged by 400 ms. In Long Tone, the duration of the first tone was prolonged by 400 ms, while the silent interval was comparable to Short (20 ms). Results show a frontocentral MMN of comparable amplitude in all conditions. Thus, abstract pitch relations can be extracted even when the within-pair timing exceeds the integration period. Source analyses indicate MMN generators in the supratemporal cortex. Interestingly, they were located more anterior in Long Gap than in Short and Long Tone. Moreover, frontal generator activity was found for Long Gap and Long Tone. Thus, the way in which the system automatically registers irregular abstract pitch relations depends on the timing of the events to be linked. Pending that the current MMN data mirror established abstract rule representations coding the regular pitch relation, neural processes building these templates vary with timing.:Introduction; Materials and methods; Results; Discussion; Conclusion

Die Einbeziehung des Klangs in die analytische Musikbetrachtung erscheint spätestens im 20. Jahrhunderts eine unausweichliche Herausforderung an die musiktheoretische Forschung. Ausgangspunkt der hier vorgestellten Studie ist der musikalische Cluster. Cluster markieren die Schnittstelle zwischen tonhöhengeleitetem Harmoniebegriff und geräuschhaften Klangmaterial. Mit Henry Cowells Buch New musical resources (1930) existiert zudem eine kompositorische Theorie zur Clustertechnik. Für die wahrnehmungspsychologische Studie wurden zunächst zehn Prototypen von Clustern entwickelt, die teils Cowells Klavierwerken entstammen (z.B. diatonisch, pentatonisch, chromatisch) und teils nach theoretischen Überlegungen konstruiert waren. Mit experimentellen Methoden gingen wir der Frage des Konzept-Perzept-Verhältnisses nach, also ob diese Prototypen auditiv überhaupt unterscheidbar sind, welche Hörexpertise dafür notwendig ist und welche psychoakustischen Eigenschaften die Cluster als Voraussetzung für eine auditive Diskriminierung haben müssen. Das angewandte Paradigma war eine Modifikation des MUSHRA Hörtests (MUlti Stimulus test with Hidden Reference and Anchor, ein Hörtest zur Ermittlung der Audioqualität von datenreduzierenden Algorithmen wie MP3). Die Probanden beurteilten hierbei die Ähnlichkeit der Cluster-Klänge im Vergleich zu einem zuvor festgelegten Referenzklang. Das Ergebnis der Studie zeigte, dass sich die Ähnlichkeitsratings in zwei Gruppen aufteilen lassen: (a) Cluster, deren perzeptuelle Ähnlichkeitseinschätzung von ihrer Clusterdichte abhingen und (b) Cluster, deren Klangstruktur eine perzeptuelle Sättigung aufwiesen, was die Differenzierung erschwerte. Auch die psychoakustischen Untersuchungen der Stimuli korrelierten stark mit den Ergebnissen des Ähnlichkeitsratings. Die Beobachtungen ermöglichen es, die Wirkung von Clustern empirisch fundiert zu beschreiben. Das Ziel der weiteren Forschung wird es sein, den Zusammenhang der Clustertheorie mit anderen Klangformen zu untersuchen. / The musical tone cluster is a prototypical sound of avant-garde music in the twentieth and twenty-first centuries. Tone clusters mark a boundary between pitch-related techniques of composing in earlier epochs to the use of sound-based materials in avant-garde music. The composer Henry Cowell offered the first theoretical reflection on the structure of tone clusters with a focus on tone density, which relies on the number of tones and the ambitus of a cluster (Cowell, 1930). Using experimental methods, we investigated whether participants were able to discriminate between various types of tone clusters (e.g., pentatonic, diatonic or chromatic) and how they evaluated their similarities. We also questioned whether a timbre-based approach using psychoacoustical methods of analysis could be used to explain the perception of avant-garde music sounds. Ten different prototypical tone cluster chords varying in density were presented in two studies. Additionally, the relation between similarity ratings and psychoacoustic features was examined. The design of the study was based on an adaption of the Multi Stimulus with Hidden Reference and Anchor (MUSHRA) paradigm (International Telecommunication Union, 2014). With this method, participants rated the similarity between a firstly chosen reference tone cluster and the other cluster sounds. The tone clusters could be grouped into two classes of sounds based on the similarity ratings of the participants: (a) those clusters with a high grade of perceptual discrimination depending on the cluster density and (b) those clusters of a more aurally saturated structure, making it difficult to separate and evaluate them. The results also showed congruency between theoretical features of the cluster structure, results of the timbre feature analysis, and perceptual evaluation of stimuli. The findings can provide valuable insights into aural training methods for avant-garde music. In future research, there will be a need to identify more variables influencing the aural perception of musical sounds to aid in listening to and understanding avant-garde music.

In unserer lautsprachlichen Welt ist Kommunikation stark auf das Hören angewiesen. Normalhörende Kinder sammeln in ihren ersten Lebensjahren Hörerfahrungen, die ihre sprachliche Entwicklung unterstützen. Früh ertaubten oder von Geburt an gehörlosen Kindern fehlt diese Möglichkeit bis zur Cochlea-Implantation. Ein Cochlea-Implantat (CI) ist eine Innenohrprothese, die geschädigte sensorische Haarzellen ersetzt und das Hören ermöglicht, wenn der Hörnerv intakt ist. Nach der Implantation beginnen CI-tragende Kinder ohne relevante Hörerfahrung mit der lautsprachlichen Entwicklung und müssen zu gleichaltrigen normalhörenden Kindern aufschließen. Die CI-Funktionen werden in mehreren Sitzungen an die Wahrnehmung der Person angepasst, doch das CI überträgt die Tonwelt nicht so exakt wie ein intaktes Gehör, was die auditive Umgebungswahrnehmung von CI-tragenden Kindern erschwert. Erwachsene CI-Nutzer können bei der Anpassung verbal kommunizieren, Kleinkinder oder Säuglinge jedoch nicht, weshalb ihre Hörwelt weitgehend unbekannt bleibt. Sprache und Musik teilen einige Wahrnehmungseigenschaften: Prosodie (Sprachmelodie) basiert auf Frequenz und Intonation, Emotionen werden durch Rhythmus und Intensität ausgedrückt, und Klangfarbe ermöglicht die Unterscheidung von Sprechstimmen und Instrumenten. Die Studie untersucht die musikalische Hörverarbeitung bei normalhörenden Säuglingen und CI-tragenden Kleinkindern mit vergleichbarem Höralter. Mithilfe der Mismatch Negativity (MMN) im EEG, die unabhängig von der Aufmerksamkeit des Probanden ausgelöst wird, wurde die Hörwahrnehmung objektiv beurteilt. Verschiedene musikalische Qualitäten wurden mit einem Multi-feature-MMN-Paradigma untersucht. Die Stimuli bestanden aus einem Tonlauf von vier Achtelnoten (Alberti-Bass) und wurden in allen Dur- und Moll-Tonarten in randomisierter Reihenfolge dargeboten, wobei der dritte Ton in Tonhöhe (pitch), Klangfarbe (timbre), Intensität (intensity), Rhythmus (rhythm), Glissando (slide) und einem zweiten Standard (standard2) variierte. Die Probanden wurden während der Stimulus-Präsentation geräuschlos abgelenkt. Es wurden Daten von 17 prälingual ertaubten CI-tragenden Kleinkindern (durchschnittlich 1 Jahr und 7 Monate alt) und 21 normalhörenden Säuglingen (6 Monate alt), beide mit 6 Monaten Hörerfahrung, ausgewertet. Für jede Bedingung wurde der Grand Average in beiden Gruppen und deren Untergruppen gebildet, und die MMN in frühen und späten Zeitfenstern analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass CI-tragende Kinder bei allen Devianten eine signifikante MMN zeigten. Die Untergruppe „mit Hörerfahrung“ wies bei timbre, intensity, rhythm und standard2 signifikante Ergebnisse auf, während die Untergruppe „ohne Hörerfahrung“ bei allen Devianten Signifikanzen zeigte. Dies wird jedoch aufgrund der kleinen Stichprobengröße nicht als robust betrachtet. Normalhörende Kinder zeigten bei allen Devianten außer standard2 eine signifikante MMN. CI-tragende Kinder reagierten unerwartet stark auf intensity und schwach auf rhythm, während normalhörende Kinder standard2 nicht wahrnehmen konnten. Erstmals wurde die Hörwahrnehmung von früh implantierten, bilateral CI-tragenden Kindern in ihrem frühen Höralter von sechs Monaten untersucht. CI-tragende Kinder konnten alle untersuchten Abweichungen wahrnehmen, wobei timbre und intensity besser und rhythm schwächer als erwartet wahrgenommen wurden. Normalhörende Kinder konnten standard2 aufgrund ihres Entwicklungsstandes nicht wahrnehmen, während ältere CI-tragende Kleinkinder dies kognitiv leisten konnten. Die CI-tragenden Kinder zeigten eine vergleichbare Fähigkeit zur Wahrnehmung akustischer Reize wie normalhörende Kinder, trotz fehlender oder unterbrochener Hörerfahrung.:Inhaltsverzeichnis Relevanz der Dissertation für den Forschungsbereich 1. Einleitung 1.1. Das auditive System 1.1.1. Anatomie des Ohres 1.1.2. Physiologie der akustischen Wahrnehmung 1.1.3. Embryologische Entwicklung des Innenohres: Der Beginn des Hörens 1.1.4. Kindliche Hörstörungen 1.2. Das Cochlea-Implantat (CI) 1.2.1. Definition und Entwicklung 1.2.2. Aufbau und Funktion 1.2.3. CI-Versorgung bei Kleinkindern 1.3. EEG und evozierte Potentiale 1.3.1. EEG 1.3.2. Ereignis-korrelierte Potentiale 1.3.3. CI-Artefakte 1.4. Bedeutung von Musik für die Entwicklung 1.4.1. Musik als Kulturgut 1.4.2. Psychosoziale Aspekte 1.4.3. Hörwahrnehmungen bis zum Kleinkindalter 1.4.4. Musikwahrnehmung mit CI 2. Experiment 2.1. Motivation 2.2. Stand der Wissenschaft 2.3. Fragestellung und Hypothesen 2.4. Methoden 2.4.1. Probanden 2.4.2. Versuchsdesign 2.4.3. Versuchsablauf 2.4.4. Elektrophysiologische Ableitung 2.4.5. Datenanalyse 2.5. Ergebnisse 2.5.1. Patientengruppe (CI-tragende Kinder) 2.5.2. Kontrollgruppe (normalhörende Kinder) 2.5.3. Übersicht über die CI- und die NH-Gruppe 2.5.4. Die Auswirkung des CI-Artefakts auf die MMN 3. Diskussion 3.1. Hörwahrnehmung CI-tragender Kinder 3.1.1. Pitch 3.1.2. Timbre 3.1.3. Intensity 3.1.4. Rhythm 3.1.5. Slide 3.1.6. Standard2 3.1.7. Globaler Vergleich der diskutierten Studien 3.2. Hörwahrnehmung normalhörender 6 Monate alter Säuglinge 3.3. Untergruppen „mit“ und „ohne Hörerfahrung“ 3.4. Latenzen 3.5. Fazit 3.6. Limitationen 3.7. Ausblick 4. Zusammenfassung 4.1. Deutsch 4.2. English Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Literaturverzeichnis Anlage 1: Erklärung zur Eröffnung des Promotionsverfahrens Anlage 2: Erklärung zur Einhaltung aktueller gesetzlicher Vorgaben