The Brain Orchestra – neural activity sonification

Neural activity data-sonification, with Sébastien Wolf (ENS Institute of Biology).

Data sonification could be an effective tool for neuroscience research, complementing data visualization. Recent advances in brain imaging have made it possible to record the activity of tens of thousands of mammalian neurons simultaneously in real time. The spatial and temporal dynamics of neuron activation can be translated into sound triggering, according to the functional groups to which these neurons belong.

We have developed a software to load such datasets as binary matrices and translate them into MIDI messages, triggering notes whose velocity is a function of neuronal activity. In order to process this vast quantity of data — several tens of thousands of neurons over several tens of thousands of samples — the software enables neurons to be associated in sub-groups, such as those proposed in common atlases, or in an arbitrary manner. The same interface can also be used to sonify continuous data sets from electroencephalography (EEG) recordings of human brain activity.

This software, developed with Max, can be used as a stand-alone program, but can also be loaded directly as a plugin into the Ableton Live digital audio workstation. This makes it easy to get to grips with the software, enabling you to test different mappings between neural activity data and musical values: which chords, which harmonic progressions, which orchestration, etc. translate the neural activity data set in the most interesting way from the point of view of their scientific understanding and/or musical aesthetics.

References

  • Vincent Goudard, Sébastien Wolf. The Brain Orchestra, un outil de sonification de l’activité neuronale. Journées d’Informatique Musicale, GRAME; INRIA, Jun 2025, Lyon, France. ⟨hal-05102386v1⟩

Media

Sonification of the zebra-fish neural activity

In the two videos below, you can see and hear the brain’s activity of a larval zebrafish, which has the good idea of being transparent and filmable with suitable microscopes. Its 80,000 neurons communicate by sending small electrical impulses to each other, according to a dynamic and functional organization that neuroscience research strives to decipher.

1. sonification of the ARTR region

The activity of the region selected here, called the “Anterior Rhombencephalic Turning Region”, is correlated with the zebrafish’s swimming movements, to the left or to the right. The sonification of both hemispheres of this region (in red and blue) according to different tunings suggests the alternation of this activity, depending on the zebrafish’s turns.

2. sonification of the habenula region

The region selected here is called the “habenula”. It is a small and deeply nested region of the brain, common to all vertebrates animals, that contains a few hundreds neurons in the case of the zebra-fish. The activity of this region in that dataset shows asynchronous peaks, where groups of neurons tend to fire spikes in sequences rather than simultaneously. The resulting sonification is hence closer to a monodic melody than to a sequence of harmonic chords.

Sonification of a human brain’s EEG

This example shows the sonification of 16 EEG sensors (out of 64 in the whole dataset) placed on a human skull, while the subject was asked to performed various visual indentification tasks. The sonic result lets one hear various timescales of musical patterns, along with various harmonic combinations (and non-combinations), suggesting the synchrone activity of several regions of the brain, and the asynchrone activity of other regions. Overall, the gradual crescendos and decrescendos of the different EEG channels make for a pleasant cinematique soundtrack. Who would have known this (and more) all happens in your brain?

Fine grain sonification with granular synthesis

This video shows the neural activity of a zebra fish larvae, whose 23743 neurons have been recorded using light-sheet microscopy. This dataset is then downsampled to 8000 points, then fed to a granular synthesis engine. Grains of sound are triggered according to the activity of this subset of neurons. The pitch of the sound is mapped according to the position of the neurons along the spinal cord axis, and spread on four octaves of a diatonic scale. This mapping allows to highlight the spatial propagation of the neural impulses (also called “spikes”) throughout the brain, resulting in rapid audible glissandi/arpeggi, without occasional “epileptic” clusters of notes. Each grain of sound is then spatialized in a stereo output according to their 3D position.

Unravelling edges for ages

Running the Hungarian algorithm in Max to unravel graph edges. I hadn’t realized this was a non-trivial optimization problem when I started this thing.

[edit] It has proved useful for visualizing the activity of thousands of neurons, in the Brain Orchestra project.

Staccato – Musical sound streams vibrification

Vibrotactile transformation of musical audio streams

Vibrification, or the transformation of audio streams into tactile vibration streams, involves the development of transformation algorithms, in order to translate perceptible cues in the audible domain into vibratory cues in the tactile domain. Although auditory and tactile perceptions have similarities, and in particular share part of their sensitive frequency space, they differ in many respects. Consequently, the process of vibrating an audio signal requires a set of strategies for selecting the elements to be translated into vibrations. To this end, as part of the “Staccato” project, a set of free and open-source tools in the Max software have been developed:

  • a framework based on the “Model-View-Controller” (MVC) pattern to facilitate settings and experimentation
  • a set of algorithms, enabling adaptation to different types of vibrotactile transducers and leaving the choice between various vibrification strategies, adaptable according to the content of the audio signal and the user’s preferences.

This set of tools aims at easing the exploration of the vibrotactile modality for musical sound diffusion, supported by a recent boom in technical devices enabling its implementation.

The Staccato project was funded by the french National Research Agency (ANR-19-CE38-0008) and coordinated by Hugues Genevois from the Luthery-Acoustics-Music team at ∂’Alembert Institute- Sorbonne University.

Code is available on GitHub.

Reference

Vincent Goudard, Hugues Genevois. Transformation vibrotactile de signaux musicaux. Journées d’informatique musicale, Laboratoire PRISM; Association Francophone d’Informatique Musicale, May 2024, Marseille, France. [online]

#25 – Béni soit l’enfant

Them that’s got shall get / Them that’s not shall lose
So the bible said and it still is news
Mama may have, papa may have
But God bless the child that’s got his own, that’s got his own.
 
Ceux qui ont auront / Ceux qui n’ont pas perdront
C’est ce que disait la Bible et c’est toujours d’actualité
Maman peut en avoir, papa peut en avoir
Mais Dieu bénisse l’enfant qui a le sien, qui a le sien.

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#24 – a nature boy in the city life

En 1999, j’avais acheté ce CD “fear of fours” du duo anglais Lamb, un peu par hasard, parce que le titre et la pochette m’intriguaient (et parce qu’on faisait comme ça de mon temps avant l’internet et spotify, bande de jeunes). Un mélange de jazz, de sons électroniques, de cordes classiques et de jungle-break-beats qui reflètent vraiment un air du temps très “city life” —  les œuvres de  Steve Reich et de Goldie étant coïncidemment sorties toutes deux en 1995.

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#23 – une goutte d’eau dans un océan de son

Il y a un sensation psychique singulière dans le fait de reconnaitre un sample au milieu d’un morceau. Il semble se détacher, comme s’il avait été rajouté et collé là, quand bien même on écouterait le morceau original dont il est extrait. On pourrait attribuer cette sensation à une réaction primaire et profondément ancrée de réconfort que procure la familiarité, mais il s’y ajoute une forme d’excitation de l’ailleurs. Car cette familiarité dévoile sous nos pieds une passerelle secrète entre un monde que nous connaissions déjà et un autre jusqu’alors inconnu, rempli de couleurs et de sons inouïs. Et quoi de plus grisant que de nouvelles couleurs ?

Je ne me souviens plus de la date à laquelle j’ai entendu pour la première fois ce morceau de Shelly Manne, mais je me souviens de cette sensation.  Il figure tout à la fin de l’album “Mannekind”, album de jazz progressif sorti en 1973, sur lequel Shelly Manne — batteur et chef d’orchestre au nombre impressionnant d’albums et de collaboration (dont Henry Mancini, dont nous parlions hier, mais aussi tant d’autres) — s’amuse à introduire quelques sons  exotiques: Berimbau et Cuíca brésiliens, woodblocks et autres flexatones… Un son particulier ressort sur le dernier morceaux intitulé “Infinity”, qui ressemble à une sorte de balafon avec une réverbération très colorée et un slap-delay, comme des gouttes d’eau tombant au fond d’une caverne.

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#22 – non, non, rien n’a changé

Après le succès de “Noël 70”, les Poppys, une quinzaine de jeunes sous la quinzaine,  sélectionnés parmi les Petits Chanteurs d’Asnières pour interpréter des chansons de la gauche chrétienne (avec des titres comme “Jésus révolution“, yeah!), remet le couvert pour Noël 1971 avec leur plus grand tube: “Non, non, rien n’a changé“. Sur la face B de ce 45 tours (je réalise à quel point cette phrase n’a aucun sens pour les plus jeunes), sur cette face B, donc, on trouve ce titre tout aussi emblématique de la mondialisation naissante que de la culture hippie: “Love, Lioubov, Amour“.

À cette époque la guerre du Vietnam se “vietnamise” comme on dit officiellement, c’est à dire que Nixon, Brejnev et Mao se disent qu’il vaut finalement mieux se faire la guerre par procuration et envoyer des armes, plutôt que leur jeunesse, afin que les vietnamiens puissent continuer de s’entretuer, sans trop nuire à leur popularité.
Il n’en fallait pas plus pour confier aux Poppys le soin d’interpréter ce texte écrit par Jacqueline Néro, qui imagine Richard, Leonid et Georges partir en Chine pour “rire, boire et chanter dans une surprise-partie entre vieux copains” (oui, Georges est invité aussi, la France étant, comme chacun sait, au centre de l’échiquier politique mondial). Parce que la paix, c’est cool et à l’époque, ces leaders politiques avaient visiblement du mal à le comprendre. Heureusement qu’aujourd’hui, tout a changé et rien de cela n’a continué.

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#21 – passage de panthère

Dans toute la série de films de la Panthère Rose, le troisième épisode, intitulé simplement “Inspector Clouseau”, est le seul qui ne sera pas réalisé par le trio Blake Edwards / Peter Sellers / Henry Mancini (à la réalisation, l’interprétation et la musique respectivement), car ils étaient pris à ce moment par le tournage de “The Party” (excuse acceptée). Il en résulte un film réalisé par Bud Yorkin, plutôt raté et assez vite oublié, ainsi que sa musique, composée par Kenneth Thorne dans le style jazz-symphonique de cette époque.

Il est toujours intéressant dans ces séries, comme La Panthère Rose, James Bond, Mission Impossible etc.,  de voir comment le leitmotiv (et tout le monde connait celui de la panthère rose) filtre à travers chaque épisode. Film à part dans la série, “Inspector Clouseau” déroge à la règle en ne reprenant par directement le thème, mais dans un morceau comme “In the Alley Ways” par exemple, on sent son influence: on reste en mi mineur et la mélodie avance par chromatisme, comme le fameux thème… qu’on peut s’amuser à chanter dessus.

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