Multivariate pattern analyses of electrophysiological recordings in infants reveal the initial codes used by the human brain to represent speech, tones and number
Les analyses multivariées des enregistrements électrophysiologiques chez les nourrissons révèlent les codes initiaux utilisés par le cerveau humain pour représenter la parole, les tons et les nombres
Résumé
Characterizing the origins of human cognition is among the most critical quests that scholars have undertaken since centuries. The work presented in this dissertation stems from the intuition that delineating the initial set of representational primitives engaged by our brain at the beginning of life can provide relevant pieces of understanding to this puzzle. Previous investigations of infant perception have relied on habituation and oddball paradigms, thereby tackling discriminative skills rather than encoding mechanisms in their essence. Here, we combined high-density electroencephalography and multivariate pattern-analysis techniques to characterize how 3-month-old infants encode speech, numerical quantity and musical pitch. The capability of multivariate-pattern analysis to grasp macropopulation codes enabled us to gain direct access into the informational content represented by infant brains within ecological settings. In each study, we provide novel insights to solve long-lasting debates. To start with, whereas many researchers have rejected the possibility of authentic phonetic processing during the first semester, we document how the infant brain decomposes the speech input along orthogonal minimal dimensions, corresponding indeed to the phonetic features described by linguists. Second, during the last couple of decades, there has been a heated debate regarding the roots of numerical competence: classical theories have been challenged by the idea that a generalized magnitude system, conveying all sensory streams into holistic estimates, might correspond to the only type of quantification available in infancy. Oppositely, we show that 3-month-old brains extrapolate approximate numbers separately from non-numerical correlated variables and in a completely automatic manner. Strikingly, we could demonstrate the existence of an extraction mechanism transcends sensory modality, presentation format and wakefulness state, revealing a genuinely abstract numerical code. Lastly, we describe how young infants process musical pitch along its two psychological dimensions: height and chroma. Whereas the latter parameter is often considered as a higher-order product of Western culture, we demonstrate how, instead, pitch chroma corresponds to a basic organizing principle of neural responsivity that is observable very early in development. Overall, we have disclosed primitive encoding systems that are particularly advantageous for at least three reasons: they alleviate the burden of input dimensionality by compressing it; they overcome sensory variability by capturing invariance; they depict aspects of the world that are highly relevant, and thus adaptive, for the human being. Given these strategic characteristics, their early onset and the representational flexibility they afford, we believe that neural codes for phonetic features, approximate number and pitch quality provide an ideal ground for knowledge acquisition and can thus serve as catalyzers for the development of human cognition.
Une des énigmes intellectuelles non résolues est de comprendre les origines de la cognition humaine. Le travail présenté dans cette thèse est parti de l’intuition que définir les codes utilisés par le cerveau pour représenter le monde au début de la vie pourrait être une percée pour approcher cette question. Les recherches étudiant la perception chez les nourrissons ont utilisé jusqu’ici des protocoles indirects pour étudier les représentations cérébrales précoces, basés sur la détection de changement entre deux stimuli. Ici, nous nous sommes intéressés à l’encodage du stimulus lui-même grâce à des techniques d’analyses multivariées et nous avons caractérisé comment des nourrissons de 3 mois représentent la parole, la quantité numérique et la musique. Les analyses multivariées basées sur la détection de motifs spécifiques à travers de larges population neuronales permettent d’avoir un accès direct au contenu informationnel représenté par les cerveaux des nourrissons dans des conditions écologiques. Dans chaque étude, nous apportons des nouvelles perspectives afin de résoudre des débats de longue date. Tout d’abord, alors que de nombreux chercheurs ont rejeté la possibilité d’un traitement purement phonétique durant le premier semestre, nous documentons comment le cerveau humain décompose la parole selon des dimensions orthogonales minimales, correspondant aux traits phonétiques décrits par les linguistes. Deuxièmement, durant les dernières décennies, il y a eu un débat houleux sur les bases des compétences numériques initiales: certains auteurs proposaient en effet un système de magnitude général qui intégrait l’ensemble des variables quantitatives en une seule représentation globale. Inversement, nous avons montré que les cerveaux des bébés de 3 mois perçoivent le nombre (approximatif) d’une série de tons ou d’un groupe d’objets, séparément des variables corrélées non-numériques, et ce d’une manière complètement automatique. En particulier, nous avons démontré l’existence d’une représentation numérique amodale abstraite, permettant de généraliser le nombre à travers la modalité de présentation (auditive ou visuelle), le format (parallèle ou séquentiel) et l’état de veille. Troisièmement, nous avons étudié comment les jeunes nourrissons perçoivent les tons musicaux le long des deux dimensions psychologiques: la hauteur et le chroma (la qualité ou couleur du son). Alors que ce dernier paramètre est souvent considéré comme une composante de haut niveau secondaire à l’exposition à la musique occidentale, nous démontrons que la perception des hauteurs est linéaire mais aussi périodique (i.e. indépendante de l’octave) et donc que la hauteur nominale (chroma) correspond à un principe d’organisation fondamental de la perception auditive observable dès les premiers mois. Plus généralement, nous avons donc montré que la perception du nourrisson dans différents domaines est basée sur un système de codes, qui présentent trois avantages : ils réduisent la multi-dimentionalité des entrées sensorielles à un nombre d’axes réduit; ils permettent de capturer l’invariance au-delà des variations non pertinentes; ils représentent des aspects du monde qui sont importants et donc adaptatifs pour l’être humain. Étant donné ces avantages stratégiques, la flexibilité représentationnelle qu’ils permettent, et leur présence à un âge précoce, nous pensons que les codes neuraux pour les traits phonétiques, pour les nombres approximatifs et la hauteur nominale allient la robustesse et la simplicité nécessaires pour la construction de fonctions cognitives de plus haut niveau et servent donc de catalyseurs pour le développement cognitif humain.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
|---|