ANR Blanc Project: "Mechanisms of Early Language Acquisition : Brain and Behavior" (SpeechCode)
in collaboration with: Christian Lorenzi (LSP, ENS-CNRS) and Jean-Pierre Nadal (LPS, ENS-CNRS-UPMC-Université Paris Diderot)
(2015-2018)
English summary:
Human language had been, for a long time, viewed as an abstract, discrete and symbolic mental system divorced from its physical implementations. While fruitful and productive when describing the mature language faculty, this view left open the question of how such a system might be acquired from a limited, concrete and continuous physical input, such as speech—a logical conundrum known as the ‘linking problem’. The current project proposes to break new ground by linking the earliest language acquisition mechanisms to basic auditory perception. Recent advances in the understanding of the neural coding and information processing properties of the mammalian auditory system make the time ripe for such a rethinking of the logical problem of language acquisition. Indeed, the speech signal encoded by the auditory system serves as the input for language learning. Importantly, auditory processing transforms this signal by organizing it into different representational patterns. The project investigates the general hypothesis that these transformations have a direct impact on language learning. The general objective of the project is thus to understand how the developing auditory system encodes the speech signal, providing representations that contribute to language acquisition. The project is thus organized around two, closely related specific objectives: (i) to analyze and characterize speech and other speech-like signals in terms of computational and mathematical principles of neural coding and information processing in the auditory system; and (ii) to identify and describe early perceptual abilities present at the onset of language development allowing human infants to recognize speech as a relevant signal for language acquisition. To achieve these objectives, the project is grounded in an integrative view of the mind and the brain, synthesizing hitherto rarely combined disciplines, such as language acquisition research, psychoacoustics and the study of neural coding. It provides a novel approach to foundational questions such as “Why is language special?” through the cross- fertilization of developmental cognitive neuropsychology, psychophysics and information theory. The project, which will run for a duration of 36 months and involves three leading research laboratories, the LPP, the LSP and the LPS, is broken down into two tasks. The first, corresponding to the first objective involves the computational modeling of speech and speech-like signals, such as the native language, an unfamiliar language, monkey calls and sine-wave speech. The second, corresponding to the second objective, comprises electrophysiological (EEG) and metabolic (near-infrared spectroscopy) measures of newborn infants’ brain responses to these sound categories, thereby assessing the role of prenatal experience as well as the specificity of the early neural specialization for speech and language processing. The expected result is a theoretical and empirical breakthrough in the understanding of how our auditory and cognitive systems develop to sustain speech and language. By identifying the physical and acoustic properties of speech that trigger language-related processing and the neural mechanisms underlying these, the current project opens up the way for the future development of new applications supporting individuals with speech processing and language impairments.
French summary:
Le langage humain avait été, pendant longtemps, considéré comme un système mental abstrait, discret et symbolique, éloigné de sa réalisation physique. Si cette approche s’est avérée fructueuse et utile pour comprendre la faculté du langage chez l’adulte, elle ne permet pas à répondre à la question de savoir comment un tel système peut être acquis à partir d’un input physique, continu et concret qu’est la parole, un problème logique connu sous le nom du problème du lien (« linking problem »). Le projet actuel s’intéresse à cette problématique quand il se propose de lier l’acquisition précoce du langage à la perception auditive. Dans le contexte des résultats les plus récents sur le codage neuronal et la transmission de l’information dans le système auditif, cette problématique est particulièrement pertinente. En effet, le signal de la parole tel qu’il est recodé par le système auditif sert d’input pour l’acquisition du langage. Or ce recodage transforme le signal de la parole en le représentant selon des patrons particuliers. Le projet a pour but de tester l’hypothèse générale selon laquelle ces transformations ont des conséquences directes pour l’acquisition du langage. L’objectif principal est donc de comprendre comment le système auditif des nourrissons code le signal de la parole pour fournir des représentations au développement langagier. Le projet s’articule autour de deux objectifs spécifiques : (i) de décrire le signal de la parole et son traitement auditif de façon mathématique et du point de vue de la théorie de l’information et (ii) d’identifier les mécanismes perceptifs précoces permettant aux jeunes nourrissons de reconnaître et de traiter la parole comme étant l’input pertinent pour l’acquisition du langage. Pour atteindre ces objectifs, le projet prend une perspective intégrative du cerveau et de l’esprit, conjuguant des domaines comme l’acquisition du langage, la psychoacoustique ou la théorie du codage neuronal efficace. Le projet repose donc sur la synergie des disciplines comme les neurosciences développementales cognitives, la psychophysique ou la théorie de l’information pour chercher à répondre à une interrogation fondamentale en sciences cognitives sur le statut spécial de la parole. A une durée de 36 mois, le projet, qui réunit trois laboratoires de recherche du plus haut niveau, le LPP, le LSP et le LPS, comprend deux volets. Le premier, correspondant au premier objectif, vise l’analyse computationnelle du signal de la parole dans la langue maternelle et dans des langues non connues, aussi bien que celle d’autres signaux pertinents comme les cris de singe ou la sine wave speech. Le deuxième, correspondant au deuxième objectif, se propose d’utiliser l’imagerie en EEG et en spectroscopie proche infrarouge pour mesurer la réponse cérébrale des nouveau- nés à ces signaux. Le projet cherche donc à avancer de façon considérable nos connaissances de l’acquisition du langage et du développement humain en général. Une meilleure connaissance du rôle de l’audition dans l’acquisition du langage pourrait contribuer à une prise en charge plus précoce et plus efficace des troubles de l’audition et du langage.