"Människor och andra djur synkroniserar med rytmiska händelser i sin omgivning. Men de hjärnmekanismer som ligger bakom denna förmåga är fortfarande dåligt förstådda", säger huvudförfattaren Charles Schroeder, docent vid New York Universitys Center for Neural Science och Department of Psychology. "Vår modell ger insikter i hur hjärnan uppnår både beat-baserad synkronisering och flexibla anpassningar till tempoförändringar i miljön."
Schroeder och hans teams matematiska modell fokuserar på basalgangliernas roll, en hjärnstruktur involverad i motorisk kontroll och inlärning. Forskarna kombinerade sin matematiska analys med beteendedata från en tidigare studie för att ge experimentellt stöd för deras modells förutsägelser.
Modellen antyder att hjärnan har två kopplade neurala populationer:en som representerar regelbunden, taktbaserad timing (en mekanism av metronomtyp), och den andra, en justerbar neural oscillator som gör att hjärnan flexibelt kan anpassa sin inre rytm till externa rytmförändringar.
Modellens experimentella validering kom genom en musikalisk uppgift utförd av mänskliga försökspersoner. Deltagarna lyssnade på en serie toner vars rytm gradvis ökade eller minskade i hastighet, och de knackade med fingrarna till takten. Forskare mätte deltagarnas tappnoggrannhet och fann att den var nära anpassad till modellens förutsägelser - individer var initialt försenade i förhållande till det faktiska slaget, men anpassade sig så småningom och knackade exakt när tempot ändrades.
"En slående upptäckt var att människor tenderade att synkronisera med det förväntade snarare än det faktiska slaget under övergångar i tempo", konstaterar Schroeder. "Detta tyder på att hjärnan aktivt förutsäger den framtida platsen för slaget, i motsats till att bara reagera på det."
Författarna säger att deras modell - den första matematiska beskrivningen av de kopplade neurala populationerna som tros ligga bakom taktbaserad synkronisering - har potential att hjälpa till att förklara ett brett spektrum av beteenden, från dans och musik till social koordination och språkbehandling.
"Vi tror att den dubbla oscillatorarkitekturen kommer att ge insikter i hur neurala processer anpassar sig till och anpassar sig till rytmisk sensorisk input, vilket är avgörande för att förstå en rad kognitiva funktioner", säger Schroeder.
