Sequence encoding in preverbal infants : an electrophysiological perspective

par Claire Kabdebon

Thèse de doctorat en Neurosciences Cognitives

Sous la direction de Ghislaine Dehaene-Lambertz.

Soutenue le 13-12-2016

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris) .

Le président du jury était Anne Christophe.

Le jury était composé de Lionel Naccache, Jean-Rémy Hochmann.

Les rapporteurs étaient Luca Bonatti, Teodora Gliga.

  • Titre traduit

    Représentations mentales de séquences chez le nourrisson : une approche en électrophysiologie


  • Résumé

    A ce jour, seul le cerveau du nourrisson est capable d’appréhender et de maîtriser la complexité du langage humain. La recherche en psychologie du développement a investi beaucoup d’énergie pour tenter de percer le mystère de l’acquisition du langage, révélant d’impressionnantes capacités précoces permettant le traitement et la représentation de la parole. La récente émergence de techniques de neuro-imagerie non-invasives offre aujourd’hui de nouveaux outils et de nouvelles perspectives pour d’étude des mécanismes d’apprentissage du langage. Cette thèse a pour but d’explorer les mécanismes permettant l’acquisition et la représentation de structures linguistiques, grâce à une approche en électrophysiologie. La première partie de ce manuscrit consiste en une contribution méthodologique à la neuro-imagerie du développement. Sur la base de données acquises en imagerie par résonnance magnétique (IRM), nous avons localisé les positions du système international 10/20 pour le placement d’électrodes – utilisé aussi bien en électroencéphalographie (EEG) qu’en spectroscopie proche infra-rouge (NIRS) – par rapport aux structures cérébrales internes. Cette étude a permis de quantifier la variabilité interindividuelle de ces positions, mais également de construire un modèle de cerveau complété d’un atlas anatomique pour le nourrisson. Dans une seconde partie de cette thèse, grâce à l’EEG haute-densité, nous avons pu démontrer que dès 8 mois, les nourrissons étaient capables de mettre en œuvre de puissance mécanismes d’analyse statistique, permettant d’extraire les dépendances entre syllabes non-adjacentes, pour segmenter un flux continu de parole en unités distinctes. L’analyse des réponses neurales a révélé une hiérarchie de processus cérébraux soutenant le traitement des syllabes mais aussi des unités segmentées. Enfin, dans une dernière partie, nous proposons un paradigme expérimental permettant d’étudier non seulement l’extraction mais aussi la représentation de séquences linguistiques sous la forme d’expressions unifiées. Nous avons pu établir grâce à cette étude que dès 5 mois, les nourrissons étaient capables de former de solides représentations de séquences définies par des répétitions, leur permettant de catégoriser et manipuler plusieurs structures. Pour conclure, cette thèse vient compléter les études comportementales sur l’acquisition du langage, grâce à une approche des processus cérébraux soutenant l’apprentissage de séquences. La richesse du signal EEG a permis de mettre en évidence une hiérarchie de traitements complexes.


  • Résumé

    To this day, the infant brain is the only known learning system able to apprehend and master the complexity of the human language. Developmental psychologists have dedicated a lot of efforts to break down the mystery of language acquisition, revealing precocious and impressive abilities for processing and encoding speech sequences. The recent emergence of non-invasive neuroimaging techniques provides a new tool to explore language learning mechanisms from a different perspective. In the present thesis, we aimed at investigating the encoding mechanisms of the structural properties of a speech sequence from an electrophysiological perspective. In the first part of this thesis, we provided the developmental neuroimaging community with a methodological contribution. Based on magnetic resonance imaging (MRI) data, we virtually localized the standardized sensor placement system for both electroencephalography (EEG) and near infrared spectroscopy (NIRS) relative to the internal brain structures, and assessed their variability. We additionally provided an infant brain template with an anatomical atlas which will be valuable for studies in which individual anatomical information cannot be obtained. In the second part of this thesis, using high-density EEG, we demonstrated that 8 month-old infants could deploy powerful learning mechanisms for capturing the statistical dependencies between non-adjacent syllable units, in order to chunk a continuous speech stream. Interestingly, a hierarchy of neural processes tracked both the syllables and the chunked constituents of the sequence. Finally, in a third cognitive EEG study, we proposed an experimental design to assess infants’ ability to not only extract but also encode the structure of speech sequences into unified mental schemas. The results of this study established that 5 month-old infants could form robust mental representations for repetition-based sequences, allowing them to represent, categorize and operate on multiple structures. Inspection of various neural measurements revealed that several stages of the processing hierarchy were affected by the acquired mental representations. Overall, this thesis complements behavioral research on language acquisition with a window onto the early neural mechanisms allowing sequence encoding, revealing a hierarchy of increasingly complex computations in the encoding of linguistic structures.

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