Étude des fondements neurophysiologiques de la perception du langage naturel chez les locuteurs natifs et non natifs // investigating the neurophysiological foundations of naturalistic native and non-native speech perception

Topic description

Afin de mieux comprendre comment le cerveau humain traite le langage, il est essentiel d'étudier la manière dont il s'adapte aux différentes langues, notamment aux particularités phonétiques, sémantiques et grammaticales. Cette question est particulièrement importante dans un contexte où plus de la moitié de la population mondiale est multilingue et doit donc s'adapter à plusieurs langues au cours de sa vie. La façon dont le cerveau se façonne au contact des langues maternelles et non maternelles, ainsi que le degré de partage des mécanismes cérébraux impliqués dans la compréhension des langues apprises à différents moments de la vie, demeurent des questions centrales. Les oscillations neuronales pourraient constituer des marqueurs du traitement de la parole à différents niveaux de complexité. Un défi majeur consiste toutefois à identifier si l'activité oscillatoire enregistrée est spécifiquement liée au traitement de la parole. Les réponses cérébrales à la parole sont souvent comparées à celles enregistrées lors de l'écoute des sons non verbaux, mais ces stimuli contrôle présentent des propriétés acoustiques différentes. Il est également nécessaire de mieux comprendre comment le traitement du langage se déroule dans des contextes de la vie réelle, en prenant compte des fluctuations prosodiques et linguistiques de la parole naturelle.
Le doctorat proposé a pour but d'étudier les mécanismes du traitement de la parole, grâce à une collaboration internationale franco-allemande entre le Centre de Recherche en Neurosciences de Lyon et l'Université Goethe de Francfort. Le projet prévoit plusieurs études en neuroimagerie auprès de volontaires francophones et germanophones écoutant les mêmes stimuli de parole. L'utilisation des mêmes matériaux dans les deux langues permettra de garantir une comparabilité en termes de complexité linguistique. De plus, la comparaison directe des réponses cérébrales aux mêmes sons de parole chez des volontaires francophones et germanophones permettra de caractériser les processus spécifiques à l'analyse du langage et à la compréhension de la parole, indépendamment des différences acoustiques.
Plus précisément, le ou la doctorant·e mènera des expériences et analysera des données en magnétoencéphalographie (MEG) associée à des IRM anatomiques individuelles, électroencéphalographie (EEG) et enregistrements intracrâniens stéréo-électroencéphalographiques (SEEG). Des volontaires francophones et germanophones écouteront différents extraits de conversations adaptés dans les deux langues. Dans une première série d'expériences, les volontaires et patient·s implanté·es ne connaîtront pas l'autre langue utilisée dans l'étude. Dans une seconde phase, les effets de l'apprentissage de la langue seconde seront évalués en invitant des francophones apprenant l'allemand et des germanophones apprenant le français à écouter les mêmes stimuli verbaux.
L'activité cérébrale liée à l'écoute sera analysée en se concentrant sur les mesures de synchronisation oscillatoire entre la parole et le cerveau, quantifiées notamment par la cohérence cérébro-acoustique et l'information mutuelle parole-cerveau dans les bandes de fréquence delta (1–4 Hz) et theta (4–8 Hz) en MEEG, ainsi que par l'activité LFP haute gamma (70– Hz) en SEEG. L'objectif sera de décoder les contenus linguistiques à partir des données cérébrales à différents niveaux de complexité : suivi de l'enveloppe sonore, transcription phonétique, sémantique et syntaxe. La comparaison des données entre participants français et allemands permettra d'isoler les mécanismes cérébraux liés à l'intelligibilité et à la compréhension, indépendamment du simple traitement acoustique.
Ce projet offrira une opportunité unique d'étudier les mécanismes spécifiques à la parole impliqués dans la compréhension du langage naturel, grâce à la comparaison de réponses cérébrales à des stimuli acoustiques identiques chez des sujets possédant des compétences linguistiques différentes.
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In order to gain insights into how the human brain processes language, it is crucial to examine how the brain adapts to the various forms of language, such as unique sound patterns, semantic maps, and grammar rules across different languages. This understanding is particularly relevant given that more than half of the global population is multilingual, requiring individuals to adapt to different languages throughout their lives. How the language brain is shaped by exposure to native and non-native languages, and to what extent first, second, and later language comprehension share the same brain mechanisms, remain core open research questions. Neural oscillations could provide important markers of speech processing at various levels of complexity. One ongoing challenge is to identify the contributions of neural oscillatory activity that are unique to speech processing. Often, the neural response to speech is compared to responses to non-verbal sounds, but these control materials have different acoustic properties. It is further essential to better understand how language processing unfolds in real-life contexts. Genuine, spontaneous interactions generate a natural flow of speech that includes unexpected fluctuations in speed and complexity.

The proposed PhD project will investigate the underpinnings of speech processing via a unique Franco-German international collaboration between the Centre de Recherche en Neurosciences de Lyon and the Goethe University Frankfurt. The project aims to conduct neuroimaging studies and analyze human electrophysiological data on German-speaking and French-speaking participants who will be listening to the same speech materials. By utilizing the same materials in both languages, we ensure that the speech segments are comparable in terms of linguistic complexity. Furthermore, by directly comparing the brain responses to the same speech sounds between German-speaking and French-speaking volunteers, we will be able to characterize the processes that are specific to language analysis and speech comprehension, irrespective of acoustical confounds.
Specifically, the PhD will conduct and analyze electrophysiological data using state-of-the art techniques (magnetoencephalography (MEG) with individual MRI anatomical scans, electroencephalography (EEG), and intracranial stereo-electroencephalographic (SEEG) recordings) where native German and French participants will listen to various excerpts of conversational speech adapted to both French and. In a first set of experiments, MEG and intracranial implanted patients will be unfamiliar with the other language being used in the study. In the second experiment, we will evaluate the effects of second language acquisition by inviting French speakers learning German and German speakers learning French to listen to the same speech materials. Brain activity in response to the spoken materials will be analyzed, with a focus on measures of speech-brain neural oscillatory tracking, quantified with cerebro-acoustic coherence and speech-brain mutual information of low-frequency delta (1 - 4 Hz) and theta (4-8 Hz) oscillatory activity in MEEG and high-gamma power (70 Hz - Hz) LFP activity in SEEG. We aim to decode the speech materials from the brain data at distinct levels of complexity (envelope tracking, phonetic transcription, semantics, syntax). By comparing the data between matched participants from the French and German sides, we will be able to solely decode the information related to intelligibility and comprehension from acoustic processing.

This project will provide a unique opportunity to investigate the speech specific mechanisms underlying naturalistic speech comprehension, and will present a rare opportunity to discern speech-specific patterns in MEG recordings by comparing brain responses to the same acoustic stimuli among subjects with varying language abilities.
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Début de la thèse : 01/10/

Funding category

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Funding further details

Concours pour un contrat doctoral