Dans une étude récente publiée dans la revue Communications naturelles, à l’aide d’enregistrements intracrâniens, les chercheurs ont étudié les bases neuronales de la production de tonalités lexicales chez des locuteurs natifs du mandarin. Ils ont découvert que la dynamique de hauteur des tons lexicaux est provoquée par les populations locales dans le cortex moteur laryngé bilatéral (LMC), qui code les informations cinématiques articulatoires au lieu de coder sélectivement pour une catégorie à un seul ton. En outre, ils ont démontré que la stimulation électrocorticale de différentes populations du LMC pourrait aider à augmenter ou diminuer la hauteur de production du son.
Étude : Contrôle neuronal de la production de tonalité lexicale dans le cortex moteur laryngé humain. Crédit d’image : Nailotl/Shutterstock
Sommaire
Arrière-plan
Pour distinguer les mots d’une langue tonale, un locuteur doit moduler la hauteur de la voix pour former des trajectoires spécifiques appelées « tons lexicaux ». Un contrôle précis du larynx est essentiel pour produire et moduler la hauteur de la voix via trois fonctions : harmonisation, montée et descente. Bien que deux régions LMC en corrélation avec les mouvements laryngés aient été récemment identifiées, on ne sait toujours pas comment les muscles laryngés sont contrôlés dynamiquement par les humains pour générer des tonalités lexicales.
Il est intéressant de noter que la nature dynamique de la hauteur vocale pendant la parole est telle que des changements de hauteur peuvent se produire en moins de 100 ms. Par conséquent, des études d’imagerie antérieures à faible résolution temporelle n’ont pas réussi à déterminer le codage neuronal dans le LMC permettant le contrôle de la hauteur vocale. Par conséquent, en utilisant des grilles d’électrocorticogrammes à haute densité (ECoG) avec une plus grande résolution spatio-temporelle, les chercheurs de la présente étude ont cherché à comprendre les mécanismes de codage sous-jacents au contrôle de la hauteur de la voix, qui permet la production de tonalités lexicales. Ils visaient également à identifier les paramètres de hauteur codés lors de la production du son et à déterminer la localisation du codage neuronal de la hauteur dans le cortex cérébral.
À propos de l’étude
L’étude a inclus huit participants (âgés de 29 à 51 ans, dont cinq hommes et trois femmes) subissant une cartographie du langage éveillé dans le cadre de leur chirurgie pour une tumeur cérébrale. Tandis que les participants parlaient des syllabes mandarin sur quatre tons différents, l’activité neuronale était enregistrée à l’aide de grilles d’électrodes à haute densité placées dans le cortex sensorimoteur (SMC). Les tâches expérimentales comprenaient la production de tons (en utilisant deux paradigmes différents) ainsi que la production de phrases, où 20 phrases en mandarin phonétiquement équilibrées étaient lues par les participants à partir d’une invite à l’écran. Au cours de ces tâches, des signaux neuronaux ont été enregistrés à partir de grilles ECoG à 128 canaux à l’aide d’un amplificateur multicanal connecté optiquement à un processeur de signal numérique. L’espace de hauteur acoustique des tons lexicaux a été analysé à l’aide d’une analyse en composantes principales.
Les électrodes ont été localisées en peropératoire à l’aide d’un système de neuro-navigation et d’un logiciel basé sur Python. Des électrodes sensibles à la parole ont été identifiées, qui pourraient également faire la distinction entre les tons lexicaux. Le contour de hauteur de chaque syllabe a été extrait et les hauteurs minimale et maximale individuelles ont été identifiées pour chaque participant. Les composantes de la phrase et du ton pour chaque syllabe et phrase ont été notées. De plus, pour évaluer quelles caractéristiques déterminent l’activité neuronale dans le LMC lors de la génération de tonalité lexicale, des modèles de champ récepteur temporel (TRF) ont été utilisés. Une analyse de modèles multivariée a été utilisée pour évaluer la précision du décodage des tonalités dans la population neuronale LMC. De plus, une stimulation électrique corticale directe a été utilisée en peropératoire chez cinq patients atteints de gliome subissant une intervention chirurgicale éveillée pour sonder la relation causale entre la population neuronale spécifique et la dynamique de hauteur correspondante.
Résultats et discussion
Selon l’étude, le codage neuronal du contrôle dynamique de la hauteur vocale est provoqué par des populations neuronales distribuées dans le LMC ventral et dorsal. Au cours de l’analyse, aucune preuve de sites d’électrodes adaptés à une catégorie de tonalité individuelle n’a été trouvée. Au lieu de cela, il a été démontré qu’un type distribué de codage neuronal dans les LMC bilatéraux était à la base du contrôle cortical de la génération du ton lexical.
Le codage de la hauteur s’est révélé être positivement corrélé à la discriminabilité des tonalités. Dans les tâches de production de syllabes et de phrases, l’activité neuronale des électrodes de discrimination tonale s’est avérée représenter la dynamique de la tonalité. De plus, il a été constaté que la stimulation peropératoire du LMC dorsal induisait une augmentation et une diminution de la tonalité. Ces résultats fournissent une preuve causale des modèles de réglage négatifs et positifs de LMC.
Les résultats améliorent notre compréhension du LMC et de son codage neuronal et ont des implications importantes pour les personnes parlant des langues tonales, qui constituent environ un tiers de la population mondiale. Cependant, l’étude est limitée par la variabilité interindividuelle du cortex de production de tonalité et par l’incapacité d’enregistrer simultanément à partir des LMC gauche et droit chez le même participant. À l’avenir, des recherches sur un échantillon plus grand pourraient être nécessaires pour confirmer ces résultats.
Conclusion
En conclusion, les enseignements de cette étude ouvrent la voie à de nouvelles approches pour lutter contre les troubles de la parole chez les personnes parlant des langues tonales, tout en trouvant également des applications dans le développement d’interfaces cerveau-ordinateur (BCI) pour la parole assistée. Les mécanismes neuronaux sous-jacents au traitement du langage tonal découverts dans l’étude pourraient éclairer les recherches futures.
