Research Axes


Neurocomputation and Language Processing

Coordinateurs : Georges Linarès (PR, LIA), Thomas Hannagan (LPC) & Jonathan Grainger (DR, LPC)

Membres : Georges Linarès, Jonathan Grainger, Philippe Blache, Laurent Prévot, Alain Ghio, Brigitte Bigi, Michel Pitermann, Robert Espesser, Stéphane Rauzy, Alexis Nasr, Frédéric Béchet, Benoit Favre, Johannes Ziegler, Arnaud Rey, Stéphane Dufau, Pierre Courrieu, Xavier Alario, Jean-François Bonastre, Corinne Fredouille, Driss Matrouf, Eric SanJuan, Juan-Manuel Torres Moreno, Pierre Jourlin, Marc El Beze, Pascal Nocera, Fabrice Lefevre, Stéphane Huet, Renato De Mori, Nuria Gala.

Partenaires : Ted Gibson (MIT), Jay Rueckl (Haskins Laboratories), Richard Shillcock (University of Edinburgh), Marco Zorzi (University of Padova), Claire Cardie (Cornell University), Cornell NLP group, Matthew Crocker et Vera Demberg (Saarland University)


L'objectif à long terme de l'axe "Neurocomputation and Language Processing" est d'apporter des éléments de réponse à la modélisation du langage en croisant des vues complémentaires. La démarche de cet axe repose sur la volonté d'appliquer des approches issues de disciplines différentes, de l'intelligence artificielle aux neurosciences cognitives, à l'étude d'un même sujet - le langage. Chaque approche contribue ainsi à notre compréhension de cet objet d'étude dont la caractéristique principale est la complexité.


Cet axe regroupe deux communautés :

Celle du traitement automatique des langue (TAL) d'une part et, d'autre part, celle de la psycholinguistique, représentant deux points de vue différents sur la compréhension et la production du langage par l'homme et les machines.
Nous chercherons à développer un cadre théorique général pour décrire le traitement de l'information impliqué dans la compréhension et la production du langage par l'homme. Il s'agit de proposer une architecture permettant de faire le lien entre les différentes recherches menées au sein des autres axes. Du point de vue du TAL nous nous  proposons de développer des modèles du langage plus globaux permettant de dépasser les limites actuelles des systèmes automatiques en confrontant et combinant les points de vues habituellement utilisés en TAL avec ceux développé par les autres partenaires du Labex. Le développement de ces modèles sera contraint par :

1) nos connaissances en linguistique concernant les caractéristiques du langage en général et des langues spécifiques ;

2) nos connaissances en neurosciences concernant la façon dont le cerveau traite l'information linguistique ;

3) les lois fondamentales qui régissent le traitement de l'information chez l'homme (ex : optimisation, adaptation) ;

4) les lois fondamentales qui régissent l'apprentissage chez l'homme (ex : apprentissage statistique, neuromimétique) ;

5) nos connaissances sur les phénomènes empiriques liés au traitement du langage chez l'homme.
Parmi les problèmes abordés, seront traités plus spécifiquement les questions suivantes :
Les sources d'information : la simulation de facultés langagières implique des informations et des connaissances de nature très diverses, liées à la forme du message (modalités audio, visuelle, tactiles, etc. ), au contexte de la communication, à l'état émotionnel des producteurs/récepteurs, etc. Le poids de chacune de ces sources et leurs inter-dépendances ont donné lieu à de nombreuses études sans qu'un cadre formel générique ne soit encore proposé. 
Les dépendances des niveaux de représentation, de la perception à la compréhension :

les systèmes de compréhension reposent sur un ensemble de traitements produisant des représentations intermédiaires et qui sont conçus et optimisés indépendamment les uns des autres. Quels fondements cognitifs, quels parallèles avec ce que l'on connaît des représentations cérébrales, quelles pistes pour une intégration des différents niveaux?
Les paradigmes de modélisation, apprentissage et plasticité des modèles :

les informaticiens ont développé deux familles d'approches – numériques et symboliques. La recherche d'un modèle unifié pose la question de l'existence d'un modèle sous-jacent et du cadre formel dans lequel il peut être décrit.

Le Langage en tant qu'action interactive

Coordinateur: Noël Nguyen (PR, LPL) & Mariapaola D'Imperio (PR, LPL)

Membres : Roxane Bertrand, Brigitte Bigi, Philippe Blache, Maud Champagne, Mariapaola D'Imperio, Sophie Dufour, Daniel Hirst, Christine Meunier, Yohann Meynadier, Noël Nguyen, Cristel Portes, Laurent Prévot, Uwe Reyle, Béatrice Priego-Valverde, Marion Tellier, Pauline Welby

Partenaires : Claire Cardie (Cornell), Edward Flemming (MIT), Edward Gibson (MIT), Elizabeth Couper-Kuhlen (Helsinki Univ), Jonathan Ginzburg (LLF), Julia Hirschberg (Columbia), Shari Speer (OSU)


La construction de modèles plus précis et plus fiables en phonologie, prosodie, syntaxe ou discours,  s'oriente sur l'étude des interfaces entre ces différents domaines tout en fournissant des raisons théoriques et méthodologiques d'une telle approche. En effet, lorsque nous parlons, nous faisons appel à toutes nos connaissances linguistiques pour élaborer un message complexe, multi-facettes, qui véhicule un sens donné. De même, les auditeurs ne se limitent pas à l'interprétation d'un domaine linguistique particulier pour tenter d'établir une interprétation du message : l'information linguistique « transcende »  les différents domaines. Dans cette perspective, l'information produite doit être considérée comme provenant non seulement de chacun de domaines mais également d'un méta-niveau constitué par l'interaction entre ces domaines. Une telle approche se fonde sur un réseau sophistiqué de relations plutôt que sur une simple organisation hiérarchique  entre les niveaux. 
Par ailleurs, au cours d'une interaction conversationnelle, les locuteurs s'adaptent à leurs interlocuteurs selon plusieurs dimensions, qui incluent la posture, les gestes, les mouvements de la tête et les expressions faciales, aussi bien que chaque niveau de représentation linguistique.  Ainsi un échange conversationnel  sera réussi seulement si les interlocuteurs coopèrent les uns avec les autres pour établir et mettre à jour continuellement un savoir commun. Le but global de cet axe de recherches est de mieux appréhender les mécanismes qui  sous-tendent la gestion dynamique du savoir partagé et l'adaptation mutuelle des locuteurs dans les conversations, à travers les différents niveaux linguistiques.
La compréhension du langage résulte également d'un décodage très efficace du son articulé le long de la voie auditive jusqu'aux structures associatives dans la mémoire à long terme. Le chemin entre le son et le sens est porté par différents types de représentations. Certaines codent l'information graduelle de la parole (représentations phonétiques), certaines sont réputées discrètes et abstraites, comme les catégories phonémiques et sémantiques, sur lesquelles la parole doit également être projetée. La nature de ces représentations linguistiques est encore controversée. En fait, nous ne savons toujours pas dans quelle mesure ces représentations doivent être abstraites, ou si elles doivent inclure certains détails de type  phonétique, indexical, etc.
Nos investigations porteront ainsi sur trois domaines de recherche principaux : (i) le niveau et la portée sémantique des paramètres prosodiques et perceptifs linguistiquement pertinents dans la production et la compréhension de la parole, (ii) les phénomènes de convergence, d'interaction et d'imitation s'établissant entre les interlocuteurs, et (iii) la nature de la représentation phonologique et  ses soubassements cérébraux.

Pathologie du langage: troubles developpementaux et acquis

Coordinateurs : Antoine GIOVANNI (PU-PH, LPL), Johannes ZIEGLER (DR, LPC)

Membres et partenaires : F.-Xavier Alario, Mireille Bastien, Mireille Besson, Stéphanie Bellocchi, Laure Brieussel, Eric Castet, Mathieu Ceccaldi, Maud Champagne-Lavau, Patrick Chauvel, Pascale Colé, Stéphanie Ducrot, Nuria Gala, Bruno Gepner, Alain Ghio, Michel Habib, Antoine Giovanni, Catherine Liegeois-Chauvel, Marie Montant, Noël Nguyen, Catherine Pech-Georgel, Serge Pinto, Joanna Revis, Danielle Robert, Stéphane Roman, Paul Sabatier, Agnès Trebuchon, Jean-Michel Triglia, Jean-Luc Velay, Françoise Vitu, Johannes Ziegler, Michael Zock 

Partenaires nationaux : Catherine Billard (Bicêtre, Paris), Liliane Sprenger-Charolles (LPP, Paris), Christian Lorenzi (LPP, Paris), Anne Reboul (Institut des Sciences Cognitives, Bron, CNRS, Univ Lyon), Sabine Manificat (Pédo-psychiatre à l'hôpital Sant-Jean de Dieu et responsable du CATTP ISATIS, Lyon)

Partenaires internationaux : GraphoWORLD (Language/Literacy Network of Excellence): Heikki Lyytinnen (Finland); Ken Pugh (Yale, USA); Usha Goswami (Cambridge, UK); Cluster of Excellence Languages of Emotions, FU Berlin; MPI for Education (Berlin, Germany);  MPI for Molecular genetics (Berlin, Germany); NeuroCog Lab, Tufts University, Phil Holcomb and Gina Kuperberg


Description scientifique
L'objectif principal de cet axe est de rechercher les causes de quelques-unes des pathologies majeures de la parole et du langage : les troubles du développement du langage (dyslexie et difficultés dans l'apprentissage du langage), les pathologies observées chez l'adulte (consécutives à des lésions cérébrales, à des tumeurs, à des interventions chirurgicales), les détériorations du langage associées à l'âge et à une dégénérescence cérébrale (comme par exemple, les démences, la maladie de Parkinson) et enfin les pathologies liées à la maladie mentale comme l'autisme ou la schizophrénie. Il s'agit également de mettre au point les outils thérapeutiques permettant de remédier à ces différentes pathologies.  
La composition du LABEX est idéale pour aborder ces questions dans une perspective interdisciplinaire où sont nécessaires de fortes interactions entre linguistique, neurosciences cognitives, psychophysique, psycholinguistique, neurologie, psychiatrie de l'enfant et de l'adolescent, physiologie, audiologie, et thérapie de la parole et du langage. Les projets de recherche ont tous été élaborés sur la base de collaborations existantes et étroites entre les différents partenaires et sur la base de liens solides avec l'Hôpital Universitaire de La Timone (avec en particulier le "Centre de référence pour les troubles des apprentissages", et le "Service ORL pour enfants et adultes") et un réseau local, le "Résodys". Plusieurs des membres du LABEX sont internationalement reconnus en tant que spécialistes  de la dyslexie, de l'autisme et des pathologies de la parole et du langage. Le LPC est partenaire d'un vaste réseau international d'excellence sur l'étude du langage et des troubles  de la lecture et de l'écriture (http://grapholearning.info/graphoworld). Les projets phares de cet axe  portent sur la mise au point d'outils thérapeutiques informatisés et le diagnostic des troubles du langage écrit et parlé. Ils étudieront différentes conditions cliniques (chirurgie, implants cochléaires), l'impact des influences sociales (pauvreté, niveau socio économique bas) sur les pathologies du langage, de la lecture et de l'écriture, l'imagerie génétique de la dyslexie, et le développement de méthodes d'intervention fondées et validées scientifiquement pour traiter différents troubles de la parole et du langage à différents niveaux linguistiques, voire pragmatiques.
Organisation
Un nombre important de ces projets de recherche seront menés en collaboration entre plusieurs membres  de cet axe (voir l'Appendice pour plus de détails). L'avancement de ces projets sera garanti par la présence d'étudiants en Master ou Doctorat supervisés et formés directement par le LABEX.   Plusieurs projets reposent sur des bases solides établies avec l'Hôpital de la Timone (Centre de référence pour les troubles des apprentissages", "Service ORL pour enfants et adultes") et le réseau local Résodys.  Plusieurs membres partenaires sont activement impliqués dans le développement  de logiciels d'apprentissage et d'évaluation. Un ingénieur de recherche sera  embauché pour adapter nos moyens existants à un environnement iPad et iPhone utilisable  pour l'étude et le traitement de plusieurs pathologies du langage.  Des collaborateurs étrangers appartenant au réseau international « Langage, lecture et écriture » (Graphoworld) seront invités pour une durée de trois mois afin de travailler à différents projets et nos étudiants de Master et de PHD iront passer trois mois dans l'une des unités de recherche du réseau (Haskins, Cambridge).

Le langage dans sa matrice cognitive

Coordinateurs: Cheryl Frenck-Mestre (DR, LPL) & F.-Xavier Alario (CR, LPC)

Membres : F.-Xavier Alario,  Mireille Besson,  Sophie Dufour,  Joël Fagot, Cheryl Frenck-Mestre, Florence Gaunet, Michel Habib, Marieke Longcamp, Noël Nguyen,  Marie Montant, Carole Parron, Chotiga Pattamadilok,  Peter Prince, Arnaud Rey, Jean Luc Velay, Johannes Ziegler, Michael Zock

Partenaires internationaux : Albert Costa (U. Barcelona), Robert Cook (Tufts University, Boston, USA), Jules Davidoff (Goldsmiths U. of London), Ulrich Frauenfelder (University of Geneva, Switzerland), Sonia Kotz (MPI, Leipzig), Marta Kutas (University California San Diego),  Anne Mangen (University Stavanger, Norway), Roger K Thompson (Franklin & Marshall College, Lancaster, USA) Andrea Weber (MPI, Leipzig)


Description scientifique               
Le projet scientifique d'une psychologie du langage, qui a vu le jour dans les années soixante, mettait l'accent sur la description des représentations mentales des connaissances linguistiques. Peut-être à cause de la complexité inhérente à cette tâche, ce projet a souvent été conduit sans apporter une grande attention aux relations entre le langage et les autres domaines de la cognition.
Pourtant, le langage doit être considéré dans toute sa complexité et son traitement doit être décrit au sein de la matrice des capacités cognitives au sens large. C'est la proposition centrale de cet axe, une approche qui contraste avec l'hypothèse selon laquelle les processus linguistiques constituent un domaine particulier et isolable de la cognition. Dans notre recherche nous préciserons comment des fonctions non linguistiques, telles que les aptitudes de contrôle, d'abstraction, les capacités motrices ou musicales, structurent la façon dont les humains traitent leur langue maternelle ou seconde. En comparant les primates humains et non-humains, nous pourrons éventuellement distinguer  parmi ces facultés celles qui pourraient constituer un pré-requis pour la mise en œuvre des traitements linguistiques.
Des projets représentatifs porteront sur le lien entre les représentations phonologique et orthographique et leur réalisation sensori-motrice, la façon dont les processus génériques de contrôle et de sélection agissent à différents niveaux des processus linguistiques, la possibilité que des formes primaires de récursivité soient présentes chez des espèces sans langage, ou bien la description de comment l'acquisition d'un langue seconde ou l'alphabétisation peuvent modifier les réponses cérébrales à des stimuli linguistiques.
Organisation
Cet axe de recherche est structuré autour  de trois thèmes principaux, décrits ci-dessous. Même si chaque thème pourrait se comprendre isolément, chacun d'entre eux bénéficiera des collaborations à la fois internes à cet axe et avec les autres axes de ce projet. En effet, un des points communs à chacun des thèmes de cet axe est l'accent mis sur le caractère générique des capacités cognitives permettant le traitement du langage Les  corrélats neuronaux de ces nombreuses fonctions cognitives seront examinés dans différentes projets, conjointement avec les autres axes du Labex, notamment l'Axe 3 et l'Axe 5.
Thème 1. Contrôle et coordination des opérations linguistiques
Le déploiement des connaissances linguistiques nécessite de retrouver des informations en mémoire à court et long terme, et de sélectionner celle qui est la plus approprie à chaque situation de communication. Dans ce cadre général, notre programme de recherche vise à examiner comment différents types de représentations linguistiques sont sélectionnées (représentations phonologiques, lexicales, sémantiques et syntaxiques, langue première ou langue seconde). Ces processus seront décrits à partir de populations ayant une expertise linguistique diverse, depuis des sujets sains parlant leur langue maternelle jusqu'à des sujets à divers stades de l'apprentissage d'une seconde langue.
Thème 2. Processus multimodaux dans le langage
Qu'il soit oral ou écrit, le langage peut prendre plusieurs formes qui font appel à de multiples capacités perceptives et motrices. Nous étudierons les relations existant entre les différentes modalités mises en jeu dans le langage, ainsi qu'entre les représentations linguistiques et leur expression ouverte. Nous voulons déterminer si les traitements impliqués dans la production et la perception du langage sont les mêmes pour les sons linguistiques et non linguistiques (p.ex. musicaux) et s'ils diffèrent pour le langage oral et écrit. Une approche multimodale comme celle-ci contraste avec les études antérieures de la production/perception des langages oral et écrit qui ont généralement été considérés indépendamment.
Thème 3. Les précurseurs du langage humain
Le langage humain est caractérisé par une mise en correspondance complexe entre son et sens qui très probablement a évolué à partir de capacités conceptuelles qui ne sont pas spécifiques à une espèce donnée. Nous tenterons de mettre en évidence l'existence de processus primaires au service de cette capacité, préexistant chez les primates non humains ainsi que chez d'autres animaux comme les chiens guides. Nous mettrons à l'épreuve les théories selon lesquelles l'évolution du langage humain se traduit par la spécialisation cérébrale et celle qui veut que les prémices de certaines capacités cognitives, comme la récursivité, soient caractéristiques du langage humain.

Brain dynamics of language

Coordinateurs : Catherine Liegeois-Chauvel (DR, IBD), Serge Pinto (CR, LPL)

Membres : F.-Xavier Alario, Mireille Bastien, Mireille Besson, Mireille Bonnard, Maud Champagne-Lavau, Patrick Chauvel, Sophie Dufour, Robert Espesser, Cheryl Frenck-Mestre, Bruno Gepner, Jonathan Grainger, Thierry Legou, Catherine Liegeois-Chauvel, Marieke Longcamp, Yohann Meynadier, Noël Nguyen, Serge Pinto, Michel Pitermann, Arnaud Rey, Jean-Luc Velay, Francois Viallet, Johannes Ziegler, Michael Zock

Partenaires internationaux : J-F Démonet (Leenaards Memory Center, Lausanne), Eric Halgren (Multimodal Imaging Laboratory, UCSD), Hermann Ackermann (Research Group of Neurophonetics, University of Tübingen), Marjan Jahanshahi (Cognitive Motor Neuroscience Group, London)

Description scientifique

C'est à la fin des années 1980 qu'une série de publications de l'équipe de Petersen et collaborateurs a posé les jalons de ce qui devait représenter pour les décennies suivantes une référence en matière de profils d'activation cérébrale associés à la parole et au langage (Petersen et al., 1988 ; 1989 ; 1990). Dès lors, de multiples études en neuroimageries fonctionnelles ont répliqué, confirmé et complété ces résultats (Bookheimer et al., 2001 ; Dogil et al., 2002 ; Murphy et al., 1997 ; Lotze et al., 2000 ; Tzourio-Mazoyer et al., 2004; Vigneau et al., 2005; Wise et al., 1999). L'un des résultats les plus inattendus de ces études a sans aucun doute été la quasi-absence d'activation de l'aire de Broca (le gyrus frontal inférieur gauche) dans la motricité primaire de la parole, lui attribuant alors un rôle prépondérant dans la planification et la coordination motrices. Depuis, c'est dans les processus cognitifs de plus haut-niveau, notamment langagiers, que sa participation est communément admise.
La séparation des processus « cognitifs » en étapes de traitement, nécessaire à la compréhension des mécanismes, est-elle erronée ? Une dynamique cérébrale transforme la forme visuelle et auditive des mots en sens, l'intention de communiquer en production. Les réseaux neuronaux sous tendant ces processus nécessitent l'activité concertée de groupes de neurones interconnectés qui collectivement forment de larges réseaux corticaux, distribués en des aires anatomiques distinctes. Ces réseaux traitent l'information en parallèle plutôt qu'en série tout en respectant une certaine localisation des fonctions primaires tant visuelle, auditive, motrice que mnésique. En accord avec une conception distribuée des fonctions cognitives, les neurones d'une région particulière du cerveau peuvent être davantage impliqués dans une tâche que leurs voisins, n'excluant pas  que d'autres neurones situés ailleurs, et parfois très loin de cette région, puissent être tout autant impliqués dans cette tâche. Cette idée importante  a été développée par Mesulam (1998) dans un modèle qui postule, pour le langage, que la fonction d'une région n'est pas fixe mais varie selon le «contexte neural». Autrement dit, la fonction d'une région particulière dépend de la tâche à effectuer parce que ces régions n'activent pas toujours les mêmes connexions entre elles. Ainsi, le gyrus frontal inférieur gauche interagit avec des aires différentes selon qu'il traite le son ou le sens d'un mot.  En retour, l'imagerie cérébrale fonctionnelle a bien montré que les mêmes réseaux peuvent traiter des tâches très différentes. L'identification des voies anatomiques sous tendant le traitement élaboré du langage selon une double voie, ventrale (lexico-sémantique) /dorsale (phonologique) a permis une grande avancée dans la connaissance des mécanismes neuraux impliqués dans le traitement du langage (Hicock et Poeppel, 2007).
Notre approche spatio-temporelle représente ce que l'on pourrait appeler le lien neurophysiologique transversal à tous les axes structurant le projet de Labex. Comprendre la dynamique cérébrale qui permet de « passer » de la perception à la compréhension, puis à la production est la question cruciale qui est la base de notre démarche scientifique. En nous appuyant sur la dichotomie fonctionnelle de la double voie ventrale et dorsale, notre but est d'étudier la dynamique des réseaux neuronaux sous-tendant à la perception et la production du langage. Nous nous attacherons à analyser la modulation des réseaux selon la tâche à effectuer et leur réorganisation dans la pathologie (épilepsie, maladies neurodégénératives et surdité). De plus, l'interruption organique (lésion) ou fonctionnelle (stimulation électrique ou magnétique trans-crânienne) des réseaux impliqués dans le langage nous renseignera sur le degré d'implication, de plasticité et les attributs temporels de chacune des structures appartenant à ce réseau.