Inside of the Creative Mind: Unravelling the Neurocognitive Mechanisms of Musical Creativity

Abstract

Creativity emerges from the individual or collective intellect in order to unfold the conundrum of life and give rise to meaningful deliberations for the attainment of a flourishing life. More specifically, creativity is commonly defined, within the framework of psychology, as a creative act or product that shall fulfill two main criteria: (i) it shall be novel (i.e. original and unexpected) and (ii) qualified judges shall agree upon its valuable contribution to the field. The cognitive science approach to creativity investigates the intellectual processes and representations concerned with the creative thinking. The methodologies of cognitive science, derived from the technological advancements of the past sixty years, have begun to adopt a more definitive and systemic perspective. Neuroscience has emerged, under this context, as the scientific study dedicated to explore the biological substrates of the nervous system, by utilizing a multitude of techniques such as neuroimaging. Cognitive neuroscience, in particular, studies the neural correlates of mental processes and it constitutes the central approach here adopted to study musical creativity. The primary goal of this thesis was thus to investigate the neurocognitive mechanisms underlying musical creativity. Functional magnetic resonance imaging was used to measure brain activity in thirty nine professional pianists and musical improvisation was employed as the ecologically valid behavioral model that could most accurately represent creative musical performance. Study I sought to investigate the specific neurocognitive effects derived from expertise in musical improvisation. A natural question that arises is whether extensive improvisational musical training may induce neuroplasticity in the brain. Many of the observed correlates of general musical training reflect not only acquisition of highly specific sensorimotor skills but also cognitive abilities required for various aspects of musical expertise. However, no study has previously focused on the effects of training musical improvisation. The results revealed a significant negative association between improvisational training and activity in a number of cortical regions in the right hemisphere. Also, improvisational training was specifically associated with functional connectivity during musical improvisation, using the premotor and prefrontal regions (previously reported to be involved during extemporization) as seed regions and controlling for age and conventional piano practice. More experienced improvisers showed higher functional connectivity during improvisation between prefrontal, premotor, and motor regions of the frontal lobe. Furthermore, the results were shown not be confounded by more experienced improvisers producing more complex improvisations. Study II explored the contribution of the dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) in creative cognition. Different neuroimaging studies have shown so far seemingly paradoxical results regarding the implications of the DLPFC in creative functioning. On one hand, DLPFC has been argued to exert active control over free generative tasks by inhibiting habitual responses, thus enabling more original output; on the other hand, a deactivation and concomitant decrease in monitoring and focused attention has been suggested to facilitate more spontaneous associations and novel insights. Here, the study highlights that creative cognition can be implemented in different ways given different circumstances. Two categories of behavioral conditions were specified in the experimental design to convey constraints either on the musical structure (set of pitches) or on the emotional expression (happiness or fear) of the improvisations. The results confirmed higher activity in the right DLPFC, as well as in the parietal lobe and right dorsal premotor cortex, when contrasting structural conditions with emotional conditions. These results suggest higher attentional effort and cognitive control when the participants had to conform to the structural constraints. Conversely, deactivations were identified for the emotional constraints in the same regions, plus other regions explicitly contributing to emotion processing. In addition, DLPFC was found functionally connected with the frontoparietal network as well as the cerebellum during structural conditions and to various regions comprising the default network during emotional conditions.

A criatividade emerge do universo intelectual, tanto individual como colectivo, com o objectivo de superar as limitações da existência e de promover decisões que conduzam a uma vida mais plena. No âmbito da psicologia, a criatividade é por norma definida como um acto ou produto criativo que deve cumprir com dois requisitos principais: (i) constituir algo novo (ou seja, ser original e inesperado) e (ii) reunir o consenso dos especialistas acerca da sua contribuição única na área. De acordo com a abordagem seguida em ciências da cognição, a criatividade é estudada a partir dos processos e representações intelectuais envolvidos no pensamento criativo. As respectivas metodologias, decorrentes dos avanços tecnológicos nos últimos sessenta anos, adoptaram uma perspectiva mais definitiva e sistémica. A neurociência surgiu, dentro deste contexto, como o estudo científico que se dedica a investigar os substratos neuronais, recorrendo para isso a uma diversidade de técnicas, entre as quais a neuro-imagem. Em particular, a neurociência da cognição estuda os substratos neuronais associados aos processos mentais, sendo esta a abordagem central adoptada no presente trabalho com vista ao estudo da criatividade musical. O principal objectivo desta tese foi, portanto, investigar os mecanismos neuro-cognitivos subjacentes à criatividade musical. A actividade cerebral de trinta e nove pianistas profissionais foi registada com recurso à ressonância magnética funcional, enquanto estes improvisavam pequenas peças musicais. O estudo I teve o objectivo de investigar os efeitos neuro-cognitivos especificamente decorrentes da experiência em improvisação musical. A questão, aqui colocada, remete-se à identificação dos processos de neuroplasticidade que derivam da prática extensiva em improvisação musical. Muitos dos mecanismos observados e associados ao treino musical reflectem não só a aquisição de habilidades motoras e sensoriais de elevada especificidade, mas também o desenvolvimento de capacidades cognitivas essenciais em diversos aspectos relativos à experiência musical. No entanto, nenhum estudo, até ao momento, se focou nos efeitos relativos à prática improvisacional em música. Os resultados revelaram uma correlação negativa e significativa entre a prática improvisacional e a actividade cerebral, num conjunto de regiões corticais do hemisfério direito. Os resultados evidenciaram, também, que a prática improvisacional está associada a uma maior conectividade funcional entre diversas áreas do córtex pré-frontal, prémotor e motor do lobo frontal, durante a improvisação musical. A idade dos participantes e a prática musical convencional foram introduzidas no modelo de regressão linear como variáveis de controlo. Além disso, os resultados não apresentaram qualquer relação com a complexidade das peças produzidas por pianistas com maior experiência musical. O estudo II examinou a contribuição do córtex pré-frontal dorsolateral (CPFDL) no processo cognitivo criativo. Até agora, diversos estudos em neuro-imagem têm revelado resultados aparentemente paradoxais no que respeita às implicações do CPFDL na actividade funcional responsável pelo pensamento criativo. Por um lado, foi comprovado que o CPFDL exerce um controlo activo sobre tarefas de produção livre, inibindo respostas habituais e promovendo consequentemente resoluções mais originais; por outro lado, a desactivação e concomitante diminuição do CPFDL, durante actividades cognitivas relacionadas com monitorização e concentração, sugere que esta região agiliza processos mentais de associação espontânea e de concretização de novas ideias. O presente estudo destaca que o mecanismo cognitivo associado à criatividade pode ser implementado de diversas formas, dependendo das circunstâncias externas. Duas categorias de restrições foram especificadas no paradigma experimental, de modo a condicionar o comportamento dos participantes. Essas restrições referiam-se à estrutura musical (conjunto de notas) ou à expressão emocional (alegria ou medo) das respectivas improvisações. Os resultados confirmaram uma maior actividade do CPFDL direito, do lobo parietal e do córtex pré-motor dorsal direito, durante a improvisação condicionada pela estrutura da música, quando comparada com a improvisação dependente da expressão emocional transmitida pela música. Os resultados sugeriram, portanto, um esforço maior na atenção prestada e um elevado controlo cognitivo, durante as improvisações condicionadas pela estrutura musical imposta. Em oposição, foram identificadas desactivações nas mesmas regiões, assim como em regiões tipicamente associadas ao processamento de emoções, durante as improvisações cujo desempenho remete para a expressão emocional da música. Além disso, os resultados comprovam que o CPFDL está funcionalmente conectado à rede de comunicação fronto-parietal e ao cerebelo, durante as improvisações condicionadas pela estrutura musical. Por sua vez, os resultados demonstram que o CPFDL está conectado a regiões associadas à rede neuronal em modo padrão, durante as improvisações musicais condicionadas pela expressão emocional.