The potential cognitive benefits of musical training from childhood to healthy aging

Abstract

There is currently a growing interest in ways to enhance and preserve our cognitive skills through changes in lifestyle. Extensive scientific evidence links several behavioral and environmental factors, such as smoking, alcohol and drug abuse, a sedentary lifestyle, and inadequate nutrition, to an increased risk of cognitive impairment, dementia, and accelerated aging. On the other side, education, physical exercise, and cognitively stimulating occupations and leisure activities have all been associated with neurocognitive benefits and the prevention of the pervasive consequences of neural aging. Among them, a wealth of studies has associated musical training, and particularly learning to play an instrument, with differences in auditory and sensorimotor skills, as well as in multiple non-musical cognitive capacities: intelligence, visuospatial abilities, processing speed, executive control, attention and vigilance, episodic and working memory, and language. In addition, anatomical and functional changes have been documented in several brain networks, some of them related to higher-order cognitive processing or non-musical skills. A priori, the characteristics of playing a musical instrument make it a promising candidate for producing a transfer effect. It involves multiple sensory and motor systems, and requires a wide variety of higher-level cognitive processes. Moreover, a regular and motivated practice of progressive difficulty is necessary to master the technique of an instrument. The wide range of observed differences between musicians and nonmusicians suggests that musical practice might produce near and far transfer. However, some voices have argued against the causal role of musical training and hypothesized that the advantages are the consequence of the lack of control of cross-sectional studies. Skeptic authors rather propose that high-functioning children, with higher musical aptitude, higher socioeconomic status, and high openness to experience are more likely to be interested in music. Therefore, the idea that learning to play a musical instrument is the cause of a broad cognitive enhancement is still controversial. The research program in the present thesis dissertation aimed to contribute with answers to the debate. First, in a comprehensive meta-analysis of intervention studies (i.e., with a pre-posttest assessment), we showed that the available evidence of randomized controlled trials with children and adolescents supports a small benefit of musical training (d = 0.26). Interestingly, a small advantage at baseline was observed in studies with self-selection (d = 0.28), indicating that participants who had the opportunity to select the activity consistently showed a slightly superior performance prior to the beginning of the intervention. However, baseline performance did not fully explain the differences between children/adolescents with and without musical training, which rules out the effect being a methodological artifact (e.g., regression toward the mean). In addition, some moderators of the effect were observed: (a) the larger the baseline difference, the smaller the observed effect of musical training; (b) participants with lower socioeconomic status showed greater improvements compared to those with middle-high socioeconomic status; (c) the earlier the age of commencement, the larger the effect. Second, we conducted a meta-analysis regardless of the age of the participants to examine the impact of learning to play an instrument on music-related skills. The available intervention studies also suggested near transfer, but they are still scarce to reach firm conclusions. One explanation for the potential broad benefits of musical training might be its impact on attention and executive functions, as they are necessary functions for many cognitive tasks and daily activities. Indeed, in a well-controlled crosssectional study with a preregistered design, we found superior vigilance and psychomotor speed for musicians than non-musicians. Importantly, our extensive control of confounders led to smaller effects in contrast to the previous literature. These results are consistent with a nature and nurture hypothesis, in which expert musicians might have preexisting advantages (cognitive, personality, and/or musical aptitudes) that would promote the acquisition of musical skills and motivation to practice, while at the same time, this long-term engagement would also result in multiple neural and cognitive changes. Finally, we meta-analyzed the literature on musical training in healthy aging. We included both cross-sectional and experimental studies as they are complementary: experimental methodology involves randomization and thus allows the establishment of causal relationships, while correlational designs analyze samples with longer musical training. We observed benefits in both types of designs, although the experimental evidence is less abundant. Taken all together, it seems that musical training might have a protective effect in some functions and, mostly, an enhancing effect throughout life. Thus, musicians would present a superior cognitive performance at all stages of life. I proposed here several non-exclusive mechanisms to explain cognitive benefits of musical training. Given the high demands that musical practice places on multiple cognitive functions (e.g., memory), learning to play an instrument could specifically enhance cognitive abilities through neuroplasticity as a consequence of the increased use of those abilities. However, it might promote the use of more efficient strategies (e.g., improved rehearsal mechanism and semantic organization). As it is a multisensory activity, it might lead to multimodal representations of reallife events (e.g., spatial or visual representation of auditory words), enriching them with complementary inputs. Also, the characteristics of musical training might build a greater propensity for effort (i.e., learned industriousness), making effortful tasks less aversive and more engaging. Finally, the enhancements on domain-general cognitive functions, especially attention and executive control, might spread their benefits on other cognitive tasks, such as preventing the interference of irrelevant events in working memory. Overall, the contribution of musical training to cognitive skills seems to be rather small and probably makes very little difference in daily life, so it might be not one of the first-choice interventions if the only purpose is cognitive enhancement. However, learning to play an instrument is an enriching activity in itself and can become an important source of pleasure in the player's life. In addition to the social and emotional benefits of playing, practicing this activity for long periods (several decades) could also have significant implications for the development of basic cognitive skills, especially in samples with lower cognitive performance, low socioeconomic status or suffering from neurological conditions.

El interés por las formas de mejorar y preservar nuestras capacidades cognitivas a través de los estilos de vida ha crecido en los últimos años. Una abundante evidencia científica vincula ciertos factores ambientales y ciertos hábitos, como el tabaquismo, el abuso de alcohol y drogas, el sedentarismo y una nutrición inadecuada, con un mayor riesgo de deterioro cognitivo, una mayor prevalencia de demencias y un envejecimiento acelerado. En el lado contrario, la educación, el ejercicio físico, y las profesiones y actividades de ocio mentalmente estimulantes se han asociado a beneficios neurocognitivos y a la prevención de las consecuencias del envejecimiento cerebral. Una de esas actividades ha sido la práctica musical, y en particular aprender a tocar un instrumento, la cual se ha relacionado con diferencias en las habilidades auditivas y sensoriomotoras, así como en múltiples habilidades cognitivas que no son específicas de la música: la inteligencia, las habilidades visuoespaciales, la velocidad de procesamiento, el control ejecutivo, la atención, la capacidad de vigilancia, la memoria episódica, la memoria de trabajo y el lenguaje. También se han documentado cambios anatómicos y funcionales en varias redes cerebrales, algunas de ellas involucradas en procesos cognitivos de orden superior o capacidades no musicales. Tocar un instrumento musical es una actividad con unas características que, a priori, la convierten en una candidata prometedora para producir efectos de transferencia. Tocar un instrumento implica múltiples sistemas sensoriales y motores, y requiere una gran variedad de procesos cognitivos de nivel superior. Además, dominar la técnica de un instrumento conlleva una práctica regular y motivada con una dificultad progresiva. La amplia gama de aspectos cognitivos que se ven mejorados en las personas con formación musical sugiere que la práctica musical podría producir una transferencia cercana y lejana. Sin embargo, algunas voces han argumentado en contra del papel causal de la formación musical y plantean que todas las ventajas son consecuencia de la falta de control de los estudios transversales. Esas voces escépticas han propuesto que ciertas variables predisponen a que las personas se interesan y se impliquen en la práctica musical: un mayor rendimiento cognitivo previo al comienzo de la formación musical, mayores capacidades musicales, un mayor estatus socioeconómico y una mayor apertura a la experiencia como rasgo de personalidad. Por lo tanto, aún existe controversia en torno a la idea de que aprender a tocar un instrumento musical cause beneficios cognitivos. El conjunto de estudios que conforman esta tesis pretende aportar respuestas a este debate. En primer lugar, en un metaanálisis exhaustivo de los estudios de intervención (es decir, aquellos con un diseño pre-postest), encontramos que la evidencia disponible de los ensayos controlados aleatorizados con niños y adolescentes respaldan la existencia de un beneficio cognitivo pequeño de la práctica musical (d = 0,26). También observamos una pequeña ventaja al inicio del estudio en los estudios sin aleatorización (d = 0,28), lo que confirma que las personas que seleccionaron la práctica musical en base a sus propias motivaciones tenían un rendimiento superior antes del comienzo de la intervención. Sin embargo, el rendimiento inicial de los participantes no explicaba totalmente las diferencias entre los niños/adolescentes con y sin formación musical, lo que descarta que el efecto sea un artefacto metodológico (por ejemplo, la regresión a la media). Además, el efecto de la práctica musical estaba moderado por algunas variables: (a) el beneficio de la práctica musical disminuía cuanto mayor era la diferencia entre los dos grupos al principio del estudio (antes de la intervención); (b) los participantes con un estatus socioeconómico más bajo mostraban mayores mejoras en comparación con aquellos con un estatus socioeconómico medio-alto; y (c) cuanto más temprana era la edad de inicio, mayor era el efecto. En segundo lugar, realizamos un metaanálisis en todas las edades sobre el impacto de aprender a tocar un instrumento en las capacidades auditivas relacionadas con la música. Los estudios de intervención disponibles sugirieron una transferencia cercana, pero su número era escaso para conducir a conclusiones firmes. Una explicación de los amplios beneficios de la práctica musical podría ser a través de los beneficios que produciría en la atención y las funciones ejecutivas, ya que son funciones esenciales en muchas tareas cognitivas y actividades cotidianas. De esta forma, en un estudio transversal con un diseño prerregistrado y en el que controlamos una lista extensa de variables de confusión, un grupo de músicos adultos mostraron ventajas en la capacidad de vigilancia y la velocidad psicomotora en comparación a un grupo de personas sin formación musical. Destaca que los efectos observados tras el exhaustivo control de variables de confusión fueron menores que los encontrados en múltiples estudios transversales anteriores. Estos resultados son coherentes con una explicación de las diferencias cognitivas basada tanto en factores innatos como en la experiencia, es decir, las ventajas encontradas en los músicos expertos pueden ser consecuencia de factores anteriores a la práctica musical (ventajas cognitivas previas, rasgos de personalidad y/o aptitudes musicales anteriores a la formación musical) que promoverían la adquisición de las habilidades musicales y la motivación para practicar, mientras que la práctica musical a lo largo del tiempo también daría lugar, por su parte, a múltiples cambios neuronales y cognitivos. Por último, se realizó un metaanálisis de los estudios en el envejecimiento saludable. Incluimos tanto estudios transversales como experimentales, ya que son dos metodologías complementarias: los diseños experimentales implican la aleatorización de los participantes y, por tanto, permiten establecer relaciones causales, mientras que los diseños correlacionales analizan muestras con un entrenamiento musical más prolongado. Nuestro metaanálisis mostró beneficios en ambos tipos de diseño, aunque la evidencia experimental fue menos abundante. En conjunto, parece que la práctica musical podría tener un efecto protector en algunas funciones cognitivas, pero sobre todo tendría un efecto potenciador a lo largo de la vida. Por tanto, las ventajas en el rendimiento cognitivo de los músicos estarían presentes en todas las etapas de la vida. Propongo la existencia de varios mecanismos no excluyentes para explicar los beneficios cognitivos del entrenamiento musical. Dadas las demandas elevadas de la práctica musical sobre múltiples funciones cognitivas (por ejemplo, la memoria), aprender a tocar un instrumento podría mejorar específicamente las capacidades mentales a través de la neuroplasticidad desencadena por un mayor uso de esas capacidades. Sin embargo, podría promover el uso de estrategias más eficientes (por ejemplo, mejoras en el mecanismo de ensayo y la organización semántica). También, al tratarse de una actividad multisensorial, podría dar lugar a representaciones multimodales de los acontecimientos de la vida real (por ejemplo, representando espacial o visualmente las palabras auditivas), enriqueciéndolas con una información complementaria. Además, las características del entrenamiento musical podrían convertir a quienes la practican en personas con una mayor propensión al esfuerzo (es decir, con una mayor laboriosidad aprendida), por lo que las tareas que requieren esfuerzo podrían ser menos aversivas y más atractivas. Por último, las mejoras en funciones cognitivas generales, especialmente la atención y el control ejecutivo, podrían extender sus beneficios a otras tareas cognitivas, como la prevención de la interferencia de eventos irrelevantes en la memoria de trabajo. En general, la contribución del entrenamiento musical a las habilidades cognitivas parece ser bastante pequeña y probablemente marque una diferencia reducida en la vida diaria, por lo que podría no ser una de las intervenciones de primera elección si el único propósito es la mejora cognitiva. Sin embargo, aprender a tocar un instrumento es una actividad enriquecedora en sí misma y puede convertirse una fuente importante de placer en la vida de quien lo toca. Lo interesante es que, además de los beneficios sociales y emocionales de tocar, podría tener además implicaciones significativas en el desarrollo de habilidades cognitivas básicas tras largos periodos de práctica (de varias décadas) y en muestras con un menor rendimiento cognitivo, un bajo nivel socioeconómico o que sufren alguna afección neurológica.