Introduction à la neurolinguistique

LANGAGE ET COGNITION INCARNÉE
Université Claude Bernard – Lyon 1
M2 Neurosciences Fondamentales et Cliniques
16 novembre 2016
Véronique BOULENGER
[email protected]
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QU’EST-CE QUE LE LANGAGE ?
 Faculté cognitive innée, complexe et universelle propre à l’homme
 Permet d’exprimer la pensée et de communiquer au moyen d'un système de signes
conventionnels (vocaux et/ou graphiques) constituant une langue
 Occupe une place centrale dans la cognition et dans notre vie
o Fonction sociale: échanger et renforcer des liens sociaux entre individus
o Fonction cognitive: construire, organiser et accéder aux connaissances, les mémoriser
 Permet de mettre en relation ce que nous entendons, percevons, sentons et voyons
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VISION CLASSIQUE vs MODERNE DU LANGAGE
Vision classique du langage
 Capacité linguistique séparée du reste de la cognition
 Module spécifique et autonome de traitement du langage dans le cerveau (Fodor, 1975)
Mais remise en cause, notamment grâce aux études de neuroimagerie
Vision plus moderne, linguistique cognitive
 le stockage et le mode d’accès ne sont pas fondamentalement différents pour les
connaissances linguistiques et pour d’autres types de connaissances
 l’usage du langage repose sur des capacités cognitives similaires à celles mises en œuvre pour
d’autres tâches non linguistiques
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LE SENS DES MOTS
 Sémantique: étude du signifié, du sens des énoncés
 Nous n’avons pas tous les mêmes représentations des entités de l’environnement
rôle de l’expérience avec ces entités dans la construction des représentations
conceptuelles et du sens
 La richesse du sens d’un mot s’inscrit dans les expériences perceptuelles et sensorimotrices
LA COGNITION INCARNÉE
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LA COGNITION INCARNÉE (OU SITUÉE)
 Théories de la cognition incarnée (« embodied cognition ») : liens étroits entre action,
perception et processus cognitifs de haut niveau (langage, raisonnement…)
 Le sens des mots et des concepts est distribué dans le cerveau: implique les régions
classiquement associées au langage mais aussi des régions associées à d’autres fonctions
 Les processus cognitifs, dont le langage, sont ancrés/incarnés dans les expériences
sensorimotrices vécues lors des interactions de notre corps avec l’environnement
 Rôle incontournable de l’enchâssement du cerveau dans le corps, le contexte, voire la culture
(Barsalou, 2010; Gallese & Lakoff, 2005; Pulvermüller & Fadiga, 2010)
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LA COGNITION INCARNÉE (OU SITUÉE)
“ The mind must be understood in the context of its relationship to a physical body that
interacts with the world. Hence human cognition, rather than being centralized, abstract,
and sharply distinct from peripheral input and output modules, may instead have deep roots
in sensorimotor processing.” (Wilson, 2002)
Le corps participe activement à nos processus mentaux
(Barsalou, 2010; Gallese & Lakoff, 2005; Pulvermüller & Fadiga, 2010)
8
LA COGNITION INCARNÉE (OU SITUÉE)
Patterson et al. (2007)
Taste
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LA COGNITION INCARNÉE (OU SITUÉE)
 Le système cognitif utilise l’environnement et le corps comme sources d’informations externes
pour enrichir nos représentations conceptuelles internes
« Le cerveau existe dans un corps, le corps existe dans le monde, et l'organisme
bouge, agit, se reproduit, rêve, imagine. Et c'est de cette activité permanente
qu'émerge le sens de son monde et des choses. » (F. Varela)
 Les représentations conceptuelles/sémantiques internes sont « situées » (implémentées via des
simulations) dans les systèmes perceptif, moteur, émotionnel...
Les états perceptifs, moteurs et émotionnels ressentis lors de nos interactions avec le monde
environnant sont « rejoués » lors du traitement des concepts
(Barsalou, 2010; Gallese & Lakoff, 2005; Pulvermüller & Fadiga, 2010)
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LA COGNITION INCARNÉE (OU SITUÉE)
Autrement dit…
Nos actions et tout ce que nous entendons, voyons, touchons, ressentons lorsque nous
interagissons avec le monde environnant façonnent nos connaissances conceptuelles
et participent à la construction du sens.
Comprendre c’est simuler (Gallese & Lakoff, 2005)
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COGNITION INCARNÉE ET LANGAGE
 « Exploitation neuronale »: principe d’économie cognitive
= réutilisation neuronale: utilisation de régions (réseaux) et mécanismes déjà impliqués
dans d’autres fonctions
 Adaptation des mécanismes sensorimoteurs pour servir de nouvelles fonctions (langage,
raisonnement…) tout en conservant leurs fonctions initiales (Gallese & Lakoff, 2005)
 Le langage est multimodal
 il fait référence à des informations provenant de la vision, de l’audition, du toucher, des
actions etc.
 il est appris à travers plusieurs modalités sensorielles
 Le langage exploiterait le caractère multimodal du système sensorimoteur – il n’existerait donc
pas de « module du langage » (cf. Fodor, 1975).
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COGNITION INCARNÉE ET LANGAGE
 Lors de la compréhension de mots et de phrases, les représentations internes sensorielles,
motrices, émotionnelles associées aux concepts désignés par les mots seraient activées
(Zwaan, 2004)
 Il se produirait une simulation interne du contexte décrit par les mots et les phrases
COGNITION INCARNÉE
LANGAGE ET EXPÉRIENCES SENSORIELLES
13
14
LANGAGE ET EXPÉRIENCES SENSORIELLES
Etude en IRMf
Tâche: Décider si des mots ont des propriétés
•
tactiles (est-ce doux?)
•
gustatives (est-ce sucré?)
•
auditives (y a-t-il un bruit associé?)
•
visuelles (est-ce de couleur verte?)
 Résultats: activation des aires cérébrales
spécifiques à chaque modalité lors du
traitement des mots
Goldberg et al. (2006)
Tactile
Gustatif
Auditif
Visuel
Contrôle
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LANGAGE ET EXPÉRIENCES SENSORIELLES

Lire des mots associés à des sons (« téléphone »,
« guitare ») active les régions auditives temporales
proches de celles activées lors de la perception
réelle des sons

Décider si des mots sont associés à des
couleurs active le gyrus fusiforme gauche,
également activé lors de la perception
des couleurs
Simmons et al. (2007)
Kiefer et al. (2008)
 Lire des mots évoquant des sensations
olfactives (« cannelle, lavande ») active les
régions
olfactives
primaires
(cortex
piriforme, amygdale) impliquées dans la
perception des odeurs (Gonzalez et al.,
2006)
COGNITION INCARNÉE
LANGAGE ET ACTION
16
17
LANGAGE ET ACTION
 Lire ou écouter des mots ou des phrases désignant des actions (ex: saisir, je marche sur la
plage) active les cortex moteur et prémoteur
 Les aires activées sont proches ou identiques à celles activées lors de l’exécution réelle de
mouvements
 Cette activation suit la somatotopie du cortex moteur
o Mots associés à des actions de la bouche (ex: mordre)
représentations motrices de la bouche
o Mots associés à des actions de la main (ex: peindre)
représentations motrices de la main
o Mots associés à des actions du pied (ex: piétiner)
représentations motrices du pied
Hauk et al. (2004)
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LANGAGE ET ACTION
 Lire des expressions idiomatiques incluant des verbes d’action (« prendre la mouche », « sauter
du coq à l’âne ») active également le cortex (pré)moteur de façon somatotopique
Arm sentences
-25, 73
-15, 76
-5, 75
-33, 68
Leg sentences
-42, 60
-51, 52
1
-54, 44
0.8
0.6
0.4
0.2
0
Boulenger et al. (2009, 2012)
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LANGAGE ET ACTION: EXPERTISE MOTRICE
 L’expertise motrice influence l’activation des régions prémotrices lors du traitement des
mots d’action
Etude en IRMf
Participants: joueurs professionnels de hockey sur glace
fans de hockey
novices
Tâche:
-
Dans l’IRM: écouter des phrases décrivant des actions
quotidiennes ou des actions de hockey
-
Après l’IRM: réécouter les phrases et décider si elles
correspondent à une image présentée
Beilock et al. (2008)
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LANGAGE ET ACTION: EXPERTISE MOTRICE
 L’expertise motrice influence l’activation des régions prémotrices lors du traitement des
mots d’action
Résultats:
- IRM: Les joueurs et les fans de hockey activent plus
fortement leur cortex prémoteur gauche que des
novices en écoutant des phrases mentionnant le
hockey sur glace
Beilock et al. (2008)
- Post-IRM: les joueurs et les fans de hockey répondent
plus rapidement que les novices pour apparier des
phrases décrivant des actions de hockey sur glace à
des images
Facilitation de la compréhension des phrases par l’expertise motrice des participants
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LANGAGE ET ACTION
 L’état du système moteur affecte le traitement des mots d’action
Etude en TMS
Tâche: décision lexicale sur des mots désignant des
actions de la main ou de la jambe, et des pseudo-mots
TMS délivrée sur l’aire motrice de la main ou de la jambe
Résultats: la stimulation de l’aire motrice gauche de la
main diminue les temps de réponse pour identifier des
mots décrivant des actions de la main et
réciproquement pour la jambe
Facilitation du traitement des mots par la stimulation
de l’aire motrice gauche correspondante
Pulvermüller et al. (2005)
22
LANGAGE ET ACTION
 La lecture de verbes décrivant des actions manuelles peut faciliter ou interférer avec la
réalisation d’un mouvement
Boulenger et al. (2006)
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LANGAGE ET ACTION
 La lecture de verbes décrivant des actions manuelles peut faciliter ou interférer avec la
réalisation d’un mouvement
Etude en cinématique du mouvement
Tâche: lire des verbes désignant des actions manuelles (ex: écrire) ou des noms (non liés à des
actions, ex: champ) et effectuer un mouvement de préhension (attraper un objet)
1) Lecture et mouvement simultanés
2) Lecture puis mouvement
Mesure de la cinématique du mouvement (accélération, vitesse, durée du mouvement) grâce à
une caméra et des marqueurs émetteurs de lumière infra-rouge
Boulenger et al. (2006)
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LANGAGE ET ACTION
 Lire un verbe d’action pendant la réalisation d’un mouvement interfère avec le mouvement
(pic d’accélération du poignet plus tardif) = partage de substrats neuronaux
 Lire un verbe d’action juste avant la réalisation d’un mouvement facilite le mouvement
(pic d’accélération du poignet plus précoce) = amorçage de l’action par les verbes
Word
Word
0ms
0ms
190
190
*
Boulenger et al. (2006)
ms
180
ms
180
*
170
170
160
160
150
150
Nouns
Verbs
Nouns
Verbs
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LANGAGE ET ACTION
 La production de verbes d’action facilite la réalisation ultérieure d’un mouvement
Etude en cinématique
Tâche: saisir puis déplacer un objet en produisant à voix
haute
1) 2 verbes d’action associés (« attraper » puis « poser »)
2) 2 noms non associés (« papillon » puis « pigeon »)
3) 2 nombres (« 119 » puis « 120 »)
Mesure de la cinématique du mouvement
Fargier et al. (2012)
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LANGAGE ET ACTION
 La production de verbes associés à l’action réalisée facilite le mouvement (vitesse plus grande
et durée du mouvement réduite)
amorçage de l’action par la verbalisation de l’action
Fargier et al. (2012)
119 / 120
Attraper/
Poser
Papillon /
Pigeon
119 / 120
Attraper/
Poser
Papillon /
Pigeon
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LANGAGE ET ACTION
Comment interpréter les résultats de ces études en cinématique?
 Partage de substrats neuronaux entre le traitement des verbes décrivant des actions et la
performance motrice
 La lecture et la production de verbes d’action recrutent les régions impliquées dans la
réalisation de mouvements
Si le traitement des verbes d’action et
l’action sont simultanés
Si le traitement des verbes d’action
précède l’action
Conflit pour des ressources corticales
communes
Pré-activation des régions motrices par
les verbes d’action
Interférence de la lecture sur la
performance motrice
Amorçage de la lecture/production sur
la performance motrice
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LANGAGE ET ACTION: COMPATIBILITÉ DE L’ACTION
 Effet de compatibilité de l’action (Action sentence Compatibility Effect ou ACE)
 Donner une réponse motrice dans la même direction que celle évoquée dans des phrases
conduit à une facilitation (temps de réponse plus courts)
Glenberg & Kaschak (2002)
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LANGAGE ET ACTION: COMPATIBILITÉ DE L’ACTION
Stimuli: phrases concrètes ou abstraites décrivant un transfert vers soi ou vers autrui
ex: Tu donnes le livre à Lise, Tu parles à Lise / Lise te donne le livre, Lise te parle
Tâche: décider si les phrases ont un sens en appuyant sur un bouton - près de soi (vers soi)
- loin de soi (vers autrui)
« Tu donnes le livre à Lise »
« Lise te donne le livre »
Condition congruente: phrases et réponse motrice dans le même sens
Condition incongrue: phrases et réponse motrice dans le sens opposé
Congruence
Incongruité
Glenberg & Kaschak (2002)
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LANGAGE ET ACTION: COMPATIBILITÉ DE L’ACTION
 Effet de compatibilité de l’action (Action sentence Compatibility Effect ou ACE)
« Tu donnes le livre à Lise »
Congruence
« Lise te donne le livre »
Incongruité
Temps de lecture des phrases plus courts si
congruence (même direction évoquée
dans les phrases et dans la réponse
motrice)
Glenberg & Kaschak (2002)
LANGAGE ET ACTION
COMMENT EXPLIQUER L’ACTIVATION MOTRICE LORS DU TRAITEMENT DU LANGAGE?
31
32
MODÈLE DE L’APPRENTISSAGE HEBBIEN
Travaux de Hebb (1949)
 Lorsque deux groupes de neurones sont fréquemment activés de manière simultanée,
leurs connexions synaptiques se renforcent
 De sorte que l’activation de l’un suscite automatiquement l’activation de l’autre
A
B
A
B
33
MODÈLE DE L’APPRENTISSAGE HEBBIEN
Modèle de l’apprentissage « hebbien » pour le traitement du langage
 Les mots sont représentés dans le cerveau sous forme d’assemblées de cellules (réseaux
neuronaux)
 Ces assemblées sont localisées dans les régions corticales simultanément activées au
moment de l’apprentissage des mots
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MODÈLE DE L’APPRENTISSAGE HEBBIEN
Le cas des mots d’action
 Lors de l’apprentissage du langage, l’enfant entend ou produit un verbe (ex: « écrire) et réalise
l’action associée (ou observe ses parents la réaliser)
 La coactivation des régions du langage et des régions pré(motrices) conduit à la formation
d’un réseau
 Ce réseau sera activé dès lors que le verbe d’action sera traité
 Les régions (pré)motrices activées lors du traitement des mots incluent probablement des
neurones miroirs
35
MODÈLE DE L’APPRENTISSAGE HEBBIEN
Le traitement de mots décrivant des actions active les aires du langage mais aussi les régions
(pré)motrices « miroirs » permettant de réaliser ou de comprendre (par observation) les actions
désignées
mordre
saisir
marcher
Pulvermüller (2005)
36
MODÈLE DE L’APPRENTISSAGE HEBBIEN
Le même raisonnement s’applique aux autres modalités sensorielles (mots désignant des
couleurs, formes, odeurs, sons…)
bleu
rond
Pulvermüller (2005)
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LANGAGE, ACTION ET DÉVELOPPEMENT
Et au cours du développement?
 Des travaux indiquent que les verbes fréquents et appris tôt décrivent souvent des actions
spécifiques de différentes parties du corps (Maouene et al., 2008)
 Certaines études suggèrent que les enfants apprennent et comprennent mieux les verbes
lorsqu’ils réalisent eux-mêmes les actions associées plutôt que lorsqu’ils les observent
(Huttelocher et al., 2003)
Les régions motrices du cerveau sont-elles activées lors du traitement des verbes d’action
chez les enfants?
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LANGAGE, ACTION ET DÉVELOPPEMENT
Etude en IRMf
 Participants: enfants sains de 4 à 5 ans
 Tâche: écouter des verbes décrivant des actions de la main ou de la jambe (acquis avant
l’âge de 3 ans) et des adjectifs
 Résultats: activation du cortex
moteur primaire bilatéral et
du cortex prémoteur dorsal
bilatéral lors de l’écoute des
verbes d’action (et pas des
adjectifs)
Maouene & James (2009)
Cortex moteur primaire
Cortex prémoteur dorsal
39
LANGAGE, ACTION ET DÉVELOPPEMENT
Etude en IRMf
 Participants: enfants sains de 5 ans à 6 ans et demi
 Tâche: apprendre des nouveaux verbes (pseudo-verbes)
- en réalisant une action associée (sur un objet)
- en observant l’expérimentateur réaliser l’action associée (sur un objet)
 Résultats:
activation
du
cortex
prémoteur bilatéral lors de l’écoute des
verbes appris, seulement quand les
enfants ont effectué les actions (=
« apprentissage actif »), et pas quand
ils les ont observées (« apprentissage
passif »), ni pour des verbes non appris
James & Swain (2010)
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LANGAGE, ACTION ET DÉVELOPPEMENT: RÉSUMÉ
Peu d’études sur le traitement des verbes d’action chez l’enfant mais elles suggèrent que
 Les liens entre les mots (verbes) et les informations sensorimotrices sont présents tôt au cours du
développement
 Dans le cerveau en développement, les associations sont construites à partir des interactions
réelles du corps avec l’environnement
 L’expérience doit être sensorimotrice et pas seulement liée à une « sensation motrice » (par
observation; James & Swain, 2011)
Construction de représentations sensorimotrices des objets et des mots
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LANGAGE, ACTION ET PATHOLOGIE
Et si le système moteur dysfonctionne?
 Si le système moteur est important pour le traitement des mots décrivant des actions, une
atteinte de ce système devrait pouvoir conduire à des déficits de traitement des mots
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LANGAGE, ACTION ET PATHOLOGIE
 Déficits de traitement des concepts et des verbes liés à des actions chez les patients présentant
des troubles moteurs
Paralysie supranucléaire progressive
Détérioration majeure des performances
pour nommer des actions (verbes) à partir
d’images chez des patients atteints de
paralysie supranucléaire progressive*
* dégénérescence neurofibrillaire ganglions de la
base (striatum, substance noire) et tronc cérébral
Bak et al. (2001, 2006)
+ Peran et al. (2009), Silveri & Ciccarelli (2007)
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LANGAGE, ACTION ET PATHOLOGIE
 Déficits de traitement des concepts et des verbes liés à des actions chez les patients présentant
des troubles moteurs
Paradigme d’amorçage
Maladie de Parkinson
 Participants
 10 patients parkinsoniens
- à jeun de L-Dopa (en OFF)
- sous L-Dopa (en ON)
 10 participants contrôles
 Tâche: décision lexicale sur des
verbes d’action et des noms (non liés
à des actions), avec amorçage
Boulenger et al. (2008)
Amorce
SXTSTR
SAISIR
Cible
saisir
saisir
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LANGAGE, ACTION ET PATHOLOGIE
 Déficits de traitement des concepts et des verbes liés à des actions chez les patients présentant
des troubles moteurs
Maladie de Parkinson
 Pas d’effet d’amorçage pour des verbes d’action
chez les patients à jeun de traitement (phase OFF)
Pas de pré-activation des réseaux corticaux de
traitement des verbes d’action et donc pas de
facilitation du traitement de la cible par l’amorce
100
80
60
40
 Effet d’amorçage restauré pour les verbes d’action
chez les patients après la prise de L-Dopa (phase
ON)
20
0
Boulenger et al. (2008)
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LANGAGE, ACTION ET PATHOLOGIE: RÉSUMÉ
 Une atteinte du système moteur affecte le traitement des verbes d’action (diminution des
performances)
 Mais au moins dans certains cas, les patients sont toujours capables d’identifier les verbes
Le système moteur joue un rôle fonctionnel dans le traitement des verbes d’action mais n’est
pas absolument nécessaire
COGNITION INCARNÉE
LANGAGE ET ÉMOTIONS
46
47
LANGAGE ET ÉMOTIONS
 Décider si des mots évoquent des émotions active les muscles du visage permettant
d’exprimer ces émotions
Etude en électromyographie ou EMG
Tâche: lire des mots évoquant

la joie (« sourire, câlin, soleil… »)

la colère (« torture, meurtre, bagarre… »)

le dégoût (« vomi, limace, excrément… »)
et décider s’ils évoquent une émotion
Enregistrement de l’activité de plusieurs muscles du visage
(EMG): zygomatique (joue), orbitalis (œil), corrugator
(sourcil), levator (lèvre supérieure et nez)
Niedenthal et al. (2010)
48
LANGAGE ET ÉMOTIONS
 Décider si des mots évoquent des émotions active les muscles du visage permettant
d’exprimer ces émotions
Résultats



la lecture des mots évoquant la joie suscite une
activité musculaire sur les muscles zygomatique
(joue) et orbiculaire (œil)
la lecture des mots évoquant la colère suscite
une activité musculaire sur les muscles levator
(lèvre supérieure et nez) et corrugator (sourcil)
la lecture des mots évoquant le dégoût suscite
une activité musculaire sur les muscles levator
(lèvre supérieure et nez) et corrugator (sourcil)
Niedenthal et al. (2010)
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LANGAGE ET ÉMOTIONS
 Les manipulations de la « posture du visage » influencent le jugement de phrases associées à
des émotions
 Décider si une phrase désigne une émotion agréable prend moins de temps si les sujets
sourient (avec un crayon entre les dents)
 Décider si une phrase désigne une émotion désagréable prend moins de temps si les sujets
« Le président annonce votre nom et vous montez
fièrement sur scène »
« Votre professeur fronce les sourcils en vous
rendant votre copie »
Havas et al. (2007)
Temps de réponse
font la moue (avec un crayon entre les lèvres)
Agréables
Désagréables
Agréables Désagréables
50
LANGAGE ET ÉMOTIONS
 Le fait de moins pouvoir exprimer des émotions sur le visage
ralentit le temps de traitement de mots exprimant ces
émotions
 L’injection de Botox au niveau des muscles des sourcils
(= paralysie des muscles), sollicités pour exprimer la colère et
la tristesse, allonge les temps de lecture de phrases décrivant
des émotions de colère ou de tristesse
Session 1
(sans injection)
Session 2 (injection
Botox)
Havas et al. (2010)
51
LA COGNITION INCARNÉE: RÉSUMÉ
 Le traitement sémantique du langage n’implique pas uniquement des régions dédiées au
langage
 Il implique aussi des régions dédiées à d’autres modalités (motrice, auditive, visuelle, gustative,
olfactive, émotionnelle…)
 Il y aurait une adaptation des mécanismes sensorimoteurs et émotionnels pour servir de
nouvelles fonctions comme le langage (tout en conservant leurs fonctions initiales)
c’est l’exploitation neuronale
Lors de la compréhension de mots ou de phrases, il se produirait une simulation interne du
contenu sémantique de ces mots ou phrases
52
MERCI DE VOTRE ATTENTION
[email protected]
53
SOMATOTOPIE FONCTIONNELLE DU CORTEX MOTEUR
 Homunculus moteur de Penfield = représentation ressemblant à un corps humain déformé
o le cortex moteur est divisé en régions - chacune
représente une partie du corps
o si on stimule électriquement un point de cette surface,
cela produit un mouvement dans la partie du corps
correspondante
o la surface est d’autant plus grande que la partie du corps
représentée est complexe du point de vue de la motricité
(main et bouche sont surreprésentées)
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LA TMS
 TMS = stimulation magnétique transcranienne
 Principe
o délivrer une stimulation magnétique sur une région du cerveau à travers le crâne, à l’aide
d’une bobine (indolore)
o permet d’exciter ou inhiber les neurones de la région ciblée (en fonction de la fréquence
des stimulations, de leur intensité etc.)
changement d’excitabilité neuronale
 2 approches
1)
Évaluer l’effet du changement d’excitabilité neuronale sur les performances dans une
tâche cognitive
2)
Enregistrer les potentiels évoqués moteurs (PEMs) sur les muscles cibles
( = activité électrique musculaire évoquée suite à la TMS sur cortex moteur)
et mesurer la modulation de ces PEMs en fonction de la tâche