Comment le cerveau distingue la voix du son
Publié par Isabelle le 19/07/2019 à 14:00
Source: Université de Genève
Des chercheurs de l'UNIGE et de l'Université de Maastricht démontrent que le cerveau s'adapte à l'intention de la personne en privilégiant soit l'écoute de la voix, soit celle des sons.[/I]


[i]En haut: Analyse des principaux paramètres acoustiques qui sous-tendent les différences entre les voix (locuteurs) et les sons vocaux (phonèmes) dans les pseudo-mots eux-mêmes: les modulations spectrales élevées différencient mieux les voix (profil spectral bleu), les modulations temporelles rapides (profil temporel rouge) et les modulations spectrales faibles (profil spectral rouge) sont celles qui permettent de différencier les sons vocaux. En bas: Analyse des données (L’analyse des données est un sous domaine des statistiques qui se préoccupe de la description de données conjointes. On cherche par ces méthodes à donner les liens...) neurales, IRMf: pendant l'exécution de la tâche vocale, le cortex (En biologie, le cortex (mot latin signifiant écorce) désigne la couche superficielle ou périphérique d'un tissu organique.) auditif amplifie les modulations spectrales supérieures (profil spectral bleu), et pendant l'exécution de la tâche phonème, il amplifie les modulations temporelles rapides (profil temporel rouge) et les modulations spectrales inférieures (profil spectral rouge). Ces profils d'amplification (On parle d'amplificateur de force pour tout une palette de systèmes qui amplifient les efforts : mécanique, hydraulique, pneumatique, électrique.) sont très similaires aux profils acoustiques pour différencier les voix et les phonèmes. © UNIGE


Le cerveau (Le cerveau est le principal organe du système nerveux central des animaux. Le cerveau traite les informations en provenance des sens, contrôle de...) est-il capable de distinguer la voix des sons qu'elle prononce ? Peut-il différencier avec précision la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le mot fréquence sans précision, on...) ou encore la modulation temporelle ? Pour répondre à ces questions, des chercheurs de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux...) de Genève (UNIGE), en collaboration avec l'Université de Maastricht, ont créé des pseudo-mots dictés par trois voix aux timbres différents, afin d'observer comment le cerveau traite ces informations lorsqu'il se focalise une fois sur la voix et une autre fois sur les sons. Ils ont constaté que le cortex auditif ne se concentre pas sur les mêmes aspects en fonction de la tâche qui lui est demandée. Les hautes variations spectrales sont privilégiées pour la voix, alors que les modulations temporelles rapides et les faibles modulations spectrales prennent le dessus pour les sons. Ces résultats, à lire dans la revue Nature Human Behaviour, permettent d'éclaircir les mécanismes cérébraux du traitement de la parole (La parole, c'est du langage incarné. Autrement dit c'est l'acte d'un sujet. Si le langage renvoie à la notion de code, la parole renvoie à celle de corps. La parole est singulière et opère un...).

L'information langagière est caractérisée par deux aspects: d'une part la voix de l'interlocuteur, d'autre part les sons qu'il prononce (phonèmes). Le cerveau traite-t-il ces deux informations de la même manière ? "Pour répondre à cette question, nous avons créé 120 pseudo-mots qui respectent la phonologie française, mais qui n'ont aucun sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une...), afin que le traitement sémantique ne vienne pas interférer avec la perception pure des phonèmes", explique Narly Golestani, professeure à la Section de psychologie de la Faculté de psychologie et des sciences de l'éducation (FPSE) de l'UNIGE. Ces pseudo-mots mettaient en avant des phonèmes comme /pe/, /te/ et /ke/, à l'image de /gabratade/, /preperibion/ ou encore /ecalimacre/.

L'équipe de l'UNIGE a enregistré la voix d'une phonéticienne qui articulait l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...) des pseudo-mots, qu'elle a ensuite convertis en trois voix différentes, de graves à aigus. "Pour rendre la différenciation des voix aussi difficile que la différenciation du discours, nous avons créé la perception de trois voix différentes à partir des stimuli enregistrés, plutôt que d'enregistrer trois personnes différentes", complète Sanne Rutten, chercheuse à la Section de psychologie de la FPSE de l'UNIGE.

Comment le cerveau trie les informations langagières

Les scientifiques ont ensuite placé les participants de l'étude dans un scanner (Un scanneur, ou numériseur à balayage est l'équivalent du terme anglais scanner, qui vient du verbe anglais to scan, signifiant « balayer » dans le sens de « parcourir une certaine étendue ».) pour imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La...) par résonnance magnétique fonctionnelle (En mathématiques, le terme fonctionnelle se réfère à certaines fonctions. Initialement, le terme désignait les fonctions qui en prennent d'autres en argument. Aujourd'hui, le terme a été étendu,...) (IRM) à haut champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la...) (7 Tesla), qui permet d'observer l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) du cerveau en mesurant l'oxygénation du sang (Le sang est un tissu conjonctif liquide formé de populations cellulaires libres, dont le plasma est la substance fondamentale et est présent chez la plupart des animaux. Un humain adulte...) dans le cerveau: plus il y a d'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.), plus la zone du cerveau est employée. Les participants ont ensuite écouté les pseudo-mots lus par les trois voix et devaient une fois identifier les phonèmes /pe/, /te/ et /ke/, une autre fois dire si ceux-ci étaient lus par la voix 1, 2 ou 3.

Les équipes genevoise et hollandaise ont préalablement analysé les pseudo-mots qui avaient été enregistrés au niveau acoustique (L’acoustique est une branche de la physique dont l’objet est l’étude des sons et des ondes mécaniques. Elle fait appel aux phénomènes ondulatoires et à la mécanique vibratoire.), en se focalisant sur la fréquence (haut/bas), la modulation temporelle (à quelle rapidité le son change à travers le temps) et la modulation spectrale (comment l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) est rependue à travers les différentes fréquences). Ils ont constaté que pour différencier les voix, il fallait se concentrer sur les plus hautes variations spectrales, soit une grande variation des fréquences et des résonnances des sons. Au contraire, ce sont principalement les modulations temporelles rapides qui permettent de distinguer les phonèmes, aidés par les modulations spectrales basses.

Ils ont ensuite utilisé la modélisation computationnelle pour analyser les résultats de l'IRM, soit de l'activation (Activation peut faire référence à :) cérébrale dans le cortex auditif lors du traitement des sons durant les deux tâches. Lorsque les participants devaient se concentrer sur les voix, le cortex auditif amplifiait les hautes modulations spectrales. Pour les phonèmes, il répondait plus aux modulations temporelles rapides et aux modulations spectrales basses. "Dans les deux cas, nous voyons que les résultats d'analyse des sons et celles des résultats de l'IRM sont très similaires", se réjouit Narly Golestani.

Ces analyses comparatives permettent de relever que pendant l'écoute (Sur un voilier, une écoute est un cordage servant à régler l'angle de la voile par rapport à l'axe longitudinal du voilier et en conséquence l'angle...), le cortex auditif amplifie l'aspect acoustique critique pour répondre à la tâche demandée: soit distinguer une voix, soit différencier des phonèmes. "C'est la première fois chez l'homme (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo sapiens) ou plus simplement « Homme ». Par distinction, l'homme prépubère...) que l'on démontre, à l'aide de méthodes non invasives, que le cerveau s'adapte à la tâche et aux spécificités des informations acoustiques sur lesquelles on veut porter notre attention dans la parole", s'enthousiasme Sanne Rutten. Cette étude permet aujourd'hui de comprendre les mécanismes du traitement des sons et des bases du traitement langagier par le cerveau. "Cela sera utile pour nos recherches futures, en particulier sur le traitement d'autres niveaux de langage, y compris la sémantique, la syntaxe et la prosodie, thèmes que nous envisageons d'explorer dans le cadre d'un Pôle de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique...) national sur l'origine et l'avenir du langage que nous avons demandé en collaboration avec des chercheurs de toute la Suisse", conclut Narly Golestani.

Contact chercheuse:
Narly Golestani - Professeure associée à la Section de psychologi - Faculté de psychologie et des sciences de l'éducation (FPSE)
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