Music, emotion, and the reward system: investigations with [11C] raclopride positron emission tomography, functional magnetic resonance imaging, and psychophysiological methods

Music is arguably one of the most potent natural rewards. In this thesis, we examine the brain's response to music through different imaging methods to investigate how musical sounds can be interpreted as pleasurable by a listener. First, we examine the hypothesis that rewarding responses to music are related to emotional arousal. Using self-selected "chill-inducing" music, we measure emotional arousal objectively through psychophysiological measures of autonomic nervous system activity, revealing a robust and direct positive relationship between increases in emotion and self-reported pleasure. Next, we investigate the hypothesis that the intense emotional responses to music may be targeting the brain's reward systems (mesostriatal dopamine circuitry), which have evolved to reinforce highly adaptive behaviours. We use [11C]raclopride positron emission tomography to measure dopamine activity during music listening, and functional magnetic resonance imaging (fMRI) to examine the temporal dynamics of activity in mesostriatal regions. The results provide the first evidence for dopamine release in the ventral striatal regions (specifically, the nucleus accumbens; NAcc) during peak moments of pleasure to music (objectively marked by experience of chills). Furthermore, we demonstrate a temporal distinction in dopaminergic activity as dopamine is released in the dorsal striatal regions in anticipation of the peak pleasure responses, suggesting that expectations and anticipation play an important role in musical pleasure. Finally, in the third study we use fMRI to take a closer look at the dynamic interactions between different brain regions that give rise to musical pleasure when a piece of music is novel, but considered desirable by an individual. The findings of this study reveal that activity in the NAcc during initial listening of music can predict whether that piece of music will be considered rewarding to an individual and subsequently purchased. Moreover, while increased activity in sensory and valuation areas of the brain does not predict reward value of the music, the connectivity of these regions, namely the auditory cortices, ventromedial and orbitofrontal cortices, and amygdala, with the NAcc predicts whether a piece of music will be subsequently purchased. These findings suggest that musical pleasure is a complex process involving highly integrated connectivity between ancient reward circuits in the brain and more recently evolved cortical areas involved in higher-order cognitive processes.La musique est sans doute l'une des plus puissantes récompenses naturelles qui existe. Dans cette thèse, nous étudions la réponse du cerveau lors de l'écoute de musique en utilisant différentes méthodes d'imagerie pour étudier comment les sons musicaux peuvent être perçus comme étant agréable par un auditeur. Dans un premier temps, nous testons l'hypothèse que le sentiment de récompense suite à l'écoute de la musique pourrait être relié à l'excitation émotionnelle. Nous avons utilisé une musique choisie par chaque participant pour éprouver des frissons en l'écoutant, et nous avons mesuré l'excitation émotionnelle de manière objective avec des mesures psychophysiologiques de l'activité du système nerveux autonome. Ceci a révélé un lien robuste et direct entre une augmentation de l'émotion et du plaisir rapporté par le participant. Ensuite, nous avons testé l'hypothèse que l'intensité des réponses émotionnelles lors de l'écoute de musique pourrait cibler l'ancien circuit de récompense (circuit de dopamine mésostriatal) qui a évolué pour renforcer le comportement hautement adaptif. Nous avons utilisé la tomographie par émission de positons [11C]raclopride pour mesurer l'activité de dopamine pendant l'écoute de musique, ainsi que l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle pour examiner la dynamique temporelle de l'activité des régions mésostriatales. Les résultats montrent pour la première fois la libération de dopamine dans les régions ventrales striatales (nucleus accumbens ; NAcc) pendant les moments de pic émotionnel suite à l'écoute de musique (objectivement mesuré par le ressenti de frissons). De plus, nous avons démontré une distinction temporelle dans l'activité dopaminergique pendant que les participants libèrent aussi de la dopamine dans les régions striatales dorsales en anticipation des réponses à un pic de plaisir, ce qui suggère que l'attente et l'anticipation jouent un rôle important dans le plaisir de la musique. Finalement, dans la troisième étude nous prenons une attention particulière aux interactions dynamiques entre les différentes régions cérébrales qui donnent lieu au plaisir musical quand une pièce de musique est nouvelle, mais qui est considérée désirable par l'individu. Les résultats de cette étude montrent que l'activité dans le NAcc, pendant l'écoute initiale de la musique peut prédire si une pièce de musique entraînera un sentiment de récompense par un individu et qui l'achètera par la suite. De plus, alors que l'activité accrue dans des régions sensorielles et évaluatrices ne prédisent le sentiment de récompense lors de l'écoute de la musique, la connectivité de ces régions, i.e. le cortex auditif, les cortex vendromédial et orbitofrontal et l'amygdale ainsi que NAcc semblent prédire si une pièce de musique sera achetée par la suite. Ces résultats suggèrent que le plaisir musical est un processus complexe qui implique une connectivité cérébrale hautement intégrée entre les anciens circuits de récompense et des aires corticales plus récemment évoluées impliquées dans les processus haut niveau