TPE : L'analyse du langage par le cerveau

Le langage oral est la capacité, observée chez tous les hommes, d'exprimer leur pensée et de communiquer au moyen d'un système de signes vocaux. Le langage est transmis par le son, c'est à dire une onde transmise dans l'air. Le langage est déchiffré par notre cerveau dans différentes parties appelées "aires". Ces aires sont présentes dans les deux hémisphères du cerveau aux mêmes endroits. En grandissant, un des deux hémisphère devient plus important que l'autre pour ce qui est du langage. Les aires du langage se trouvent dans l'hémisphère gauche, à l'exception d'une minorité de gauchers, pour qui elles sont plus développées dans l'hémisphère droit.

Nous nous sommes alors demandées comment le son pouvait-il être compris et transformé par notre cerveau pour traduire le langage ?

Pour répondre à cette quesion, nous allons suivre le plan suivant :

   I) D'une onde sonore à un signal nerveux :

      1) Les ondes sonores

      2) Décomposition des mots en sons

      3) La structure de l'oreille

   II) Traduction et compréhension :

          Point sur le cerveau

      1) La transmission du message nerveux dans le cerveau

      2) Carl Wernicke

          L'association des sons au sens

          Aphasie de Wernicke

      3) Paul Broca

         La prononciation

         Aphasie de Broca

Sources.

1) Les ondes sonores :

Le son est une onde mécanique transmise par l'air qui porte un message que notre cerveau va interpréter. Ce message, dans notre cas, sera le langage. Le son est caractérisé par trois propriétés : l'intensité acoustique, c'est-à-dire la puissance d'un son, exprimée en watt par mètre carré (W.m²) ou en décibel (dB), la hauteur (aiguë ou grave) qui est définie par la fréquence de l'onde, et le timbre qui est, lui, défini par la présence, l'importance et la durée des harmoniques (voir plus bas). Une fréquence se mesure en hertz (Hz), que l'on calcule grâce à la formule f=1/T où T est la période en seconde. Plus la fréquence est élevée, plus le son est aiguë, et inversement, plus la fréquence est basse, plus le son sera grave. L'oreille humaine est capable d'entendre des fréquences de 20Hz à 20KHz. Au-delà de ce seuil, on trouve les ultrasons et en deçà les infrasons.

L'oreille humaine possède également une limite concernant son abilité à entendre un son en fonction de son intensité. En effet, en dessous de 10^-12  W/m², soit 0 dB, le son ne sera pas audible pour notre oreille. Au-dessus de 90 dB (10^-3 W/m²), il existe un risque de dégâts sur l'appareil auditif, puis au dessus de 120 dB (1 W/m²), on franchit le seuil de douleur.

Parmi les sons audibles, on distingue une différence entre les sons dits "musicaux" et les bruits. Les sons musicaux, sont caractérisés par des signaux périodiques. 

On peut voir sur cette image (schéma du haut) que le signal est périodique de période 10 secondes, ce qui signifie que le même signal se répète toutes les 10 secondes.

Il existe une sous-catégorie dans les sons musicaux, qu'on appelle sons purs. Ces sons sont composés d'une seule fréquence nommée le fondamental et qu'on note ƒ₀. Par exemple, le diapason émet un son pur.

Il existe plusieurs façons de représenter le son, le spectre de fréquence (représentation du bas) et le signal (représentation du haut). Le spectre de fréquence permet de montrer le son grâce à l'amplitude en fonction de la fréquence et le signal, la tension en fonction du temps. L'intérêt du spectre est qu'il permet de voir clairement le fondamental et les harmoniques, et celui du signal est qu'il rend la forme et la périodicité (ou l'apériodicité) claire.

Ici on voit sur le schéma du haut le signal périodique sinusoïdale de période 10 secondes. Sur le spectre du son, on peut lire l'unique fréquence du son, le fondamental ƒ₀, ici à 100Hz.

Lorsqu'un un son n'est pas pur, il est dit complexe, c'est-à-dire qu'il n'est pas seulement composé d'une seule fréquence mais de plusieurs. On retrouve toujours le fondamental, mais également d'autres fréquences, toutes des multiples du fondamental : les harmoniques. Ainsi, les harmoniques seront notées selon le fondamental, c'est-à-dire que si la fréquence d'une harmonique est deux fois celle du fondamental, on la notera 2ƒ₀, si c'est trois fois celle du fondamental, 3ƒ₀, etc.

Par exemple, si on reprend le spectre de ce son, qu'on observe sur le schéma du bas, on remarque le fondamental à 100Hz, puis deux harmoniques, 2ƒ₀, qui a donc une fréquence de 200Hz et 3ƒ₀ qui a une fréquence de 300Hz. On note que 2ƒ₀ est moins importante que 3ƒ₀, car sa tension est moins importante.

La différence entre une voix d'homme ou de femme se fait au niveau du fondamental : en effet, la fréquence fondamentale d'une voix d'homme sera plus basse que celle d'une voix de femme, c'est pour cela que les hommes ont des voix plus graves que celles des femmes.

Lorsque nous parlons, on pourra distinguer deux types de sons : les sons vocaliques (des voyelles), qui sont homologués à des sons complexes et les sons consonantiques (des consonnes) qui eux sont considérés comme des bruits.

Par exemple, sur l'image ci dessus, on peut voir le spectre (en rose) et le signal (en jaune) d'une consonne, le "f" qu'on reconnait facilement par son apériodicité. 

Sur cette image, on reconnait le spectre d'une voyelle car son signal (en jaune) est périodique et qu'on observe différentes harmoniques sur son spectre. On peut ici identifier le phonème "ou" qui présente des harmoniques de rangs faibles.

Ainsi, une voyelle est caractérisée par l'importance de ses harmoniques : c'est ce qui nous permet de les différencier.

Pour mieux comprendre comment la parole est représentée en signaux sonores, nous avons réalisé une expérience que nous allons vous présenter.

2) Décomposition des mots en sons :

 Pour mieux comprendre comment notre oreille décompose le son pour le rendre compréhensible, nous avons effectué une expérience grâce aux logiciels Audacity et Frequency Analyser, qui nous a permis de voir la structure du son. Pour cette expérience, nous avons décidé d'analyser une phrase : "Est-ce qu'on peut mettre un éléphant dans une boîte de un centimètre cube ?" Nous nous sommes servies de cette phrase durant le reste de notre TPE, afin de voir toutes les étapes qui nous permettent de comprendre le langage. Durant cette première partie, nous nous intéressons plus particulièrement au son. De ce fait, nous avons prononcé notre phrase dans un micro afin de voir son signal grâce au logiciel Audacity. Voici le résultat obtenu :

Afin de mieux distinguer la différence des signaux, voici un grossissement du premier :

Le signal périodique correspond au phonème /ɛ/. Un phonème est la plus petite unité qui l'on puisse distinguer dans le langage parlé. Il existe en français 36 phonèmes, dont 16 voyelles, 3 semi-consonnes et 17 consonnes. 

Nous avons également souhaité enregistrer différents phonèmes grâce au logiciel Frequency Analyser dans le but de visualiser la différence au niveau des harmoniques entre les différents phonèmes. En effet, ce logiciel présente un graphique de la fréquence en fonction du temps. Chaque "trait" horizontal correspond à un harmonique différent ; plus celui-ci est important, plus le trait est clair.

Nous avons prononcé à la suite les phonèmes /a/ (comme dans "plat"), /ø/ (comme dans "peu"), /i/ (comme dans "il"), /o/ (comme dans "mot"), /y/ (comme dans "rue"), /ɔ̃/ (comme dans "bon"), /e/ (comme dans "blé"), /ɛ/ (comme dans "colère"), /ɑ̃/ (comme dans "sans"), /u/ (comme dans "genou"), /ɛ̃/ (comme dans "plein") et /œ̃/ (comme dans "brun"). Sur l'image, chaque colonne correspond à un phonème. Cette image nous permet de voir clairement la différence d'harmoniques entre les différents phonèmes. Par exemple, on voit que le phonème /i/ (la troisième colonne) est caractérisé par des harmoniques de rangs bas et faibles, au contraire du phonème /a/ (première colonne) qui présentent des harmoniques de rangs hauts et importants.C'est grâce à ces différences que notre oreille est capable de reconnaitre les voyelles entre elles et ainsi de former des mots.

On peut également repérer sur notre enregistrement les signaux de consonnes. En voici un exemple :

C'est en analysant ces différents paramètres qui composent le son que notre cerveau est capable entre les différentes consonnes et voyelles, entre une voix de femme et d'homme, etc, et ainsi de reconstituer les mots et phrases qu'il entend.

      3) La structure de l'oreille

  L'oreille est l'organe qui nous permet de percevoir les sons. En effet, celui-ci se propage sous la forme d'onde et ces vibrations sont perçues par les hommes et les animaux  grâce au sens de l'ouïe. Le mécanisme de l'ouïe se divise en trois parties : l'oreille externe, l'oreille moyenne et l'oreille interne.

Tout d'abord, le son est capté par l'oreille externe où nous observons des phénomènes mécaniques. Nous trouvons d'une part, le pavillon qui va être utilisé comme un entonnoir à son. Sa forme, ses recoins permettent de recueillir un maximum de molécules d'air ou d'eau soumises aux vibrations sonores. Ces ondes vont être conduites au tympan par le conduit auditif qui mesure environ 25 mm. Ce conduit est composé de deux courbures qui permettent l'amplification du son par réverbération. La peau du conduit auditif est recouverte de poils et de glandes cérumineuses qui empêchent la pénétration des corps étrangers comme les poussières dans l'oreille. Les ondes sonores arrivent, ainsi, à la frontière entre l'oreille externe et l'oreille moyenne, le tympan.

L'oreille moyenne, aussi appelée caisse de résonance est séparée de l'oreille externe par une fine membrane plutôt transparente, d'environ 1cm² de surface, le tympan. Celui-ci est un côté du tympan, une "petite boîte" remplie d'air qui renferme en son centre trois osselets. Dans cette partie de l'oreille, le son (alors sous la forme de vibrations aériennes) va être transformé en vibrations solidiennes (ou vibrations mécaniques). Il va être également amplifié pour que l'énergie sonore soit transmise presque intégralement dans l'oreille interne. Pour cela, les ondes arrivent sur la membrane tympanique avec un certain rythme. Le tympan va diffuser ces vibrations solidiennes au premier de ces trois osselets, le marteau (sur l'image : malleus), auquel il est relié. Le marteau percute, lui-même, l'enclume (sur l'image : incus). Celui-ci est lié à l'étrier (sur l'image : stapes), le plus petit os du corps humain, qui mesure 4mm. L'étrier transmet ainsi les mouvements vibratoires du tympan à l'oreille interne.

 Nous noterons que l'oreille moyenne communique aussi avec le pharynx par le biais de la trompe d'Eustache. Celle-ci équilibre d'une part, la pression entre l'oreille moyenne et le milieu extérieur. Elle protège ainsi l'oreille moyenne des changements de pression d'air (comme le décollage d'un avion). D'autre part, la trompe d'Eustache permet d'éviter, en partie, l'introduction d'agents infectieux dans cette partie de l'oreille, elle la préserve de possibles infections.

L'étrier a, à son extrémité, une liaison avec la fenêtre ovale qui se trouve être en lien avec l'oreille interne. Chaque vibration de l'étrier sur la fenêtre ovale provoque un mouvement de va-et-vient de la périlymphe. Pour atténuer le choc des vibrations dans l'oreille interne, une seconde fenêtre fait également office de frontière entre l'oreille moyenne et l'oreille interne et permet ainsi de réguler la pression. En effet quand l'une s'abaisse, l'autre s'arrondit et vice-versa.

La dernière partie de l'oreille ne joue pas seulement un rôle sur l'audition mais aussi sur notre équilibre. En effet, sur les trois organes principaux de l'oreille interne : le vestibule, les canaux semi-circulaires et la cochlée, seule cette dernière est impliquée dans le système auditif. L'oreille interne se divise en deux structures emboîtées l'une dans l'autre.

La première, le labyrinthe osseux (Figure 2) est un ensemble de canaux tortueux creusé dans l'os temporal qui contient un liquide, la périlymphe. La seconde, le labyrinthe membraneux (Figure 3) flotte dans la périlymphe, à l'intérieur du labyrinthe osseux. Il est constitué d'un réseau de petites poches d'endolymphe. Cet autre liquide est généré à partir de la périlymphe. Dans ces labyrinthes, des canaux semi-circulaire amplifient les vibrations jusqu'à la cochlée. 

La cochlée possède une structure en spirale, on peut voir sa forme sur cette cochlée de rat (microscopie électronique à balayage). Lors de la dissection, la capsule osseuse (labyrinthe osseux) et la membrane tectoriale a été enlevé pour mettre en evidence la membrane basilaire. Ce tube de 35 mm de long rappelle fortement la coquille d'un escargot, d'où son autre nom : limaçon. On observe deux rampes, la rampe vestibulaire et la rampe tympanique  où circulent la périlymphe, elles vont donc de la fenêtre ovale à la fenêtre ronde. Entre ces deux rampes se trouve le canal cochléaire qui renferme l'endolymphe. Enfin, entre ce canal et la rampe tympanique demeure la membrane basilaire avec l'organe de Corti. 

 La cochlée est tapissées par de nombreuses cellules ciliées, des cellules sensorielles qui sont disposées le long de la membrane basilaire. Les cellules ciliées sont recouvertes de stéréocils, des expansions cytoplasmiques ramifiées. Ces cellules et ces membranes constituent l'organe de Corti.

Légende traduction :

tectorial membrane : membrane tectoriale

auditory nerve : nerf auditif

OHC : cellule ciliée externe

IHC : cellule ciliée interne

Deiter's cell : cellule Deiters

Il existe deux types de cellules sensorielles : les cellules ciliées externes, elles permettent d'amplifier le signal sonore grâce à leur contractement régulier. Ces cellules sont, d'une part, dans le prolongement des cellules de Deiters, elles-mêmes liées à la membrane basilaire. D'autre part, les stéréociles qui les recouvrent sont implantés dans la membrane tectoriale. On compte entre 10 000 et 12 000 cellules ciliées externes dans une cochlée humaine. Elles sont disposées en trois rangées et leurs stéréociles ont une organistion typique en W. Elles appartiennent à la voie efférente, c'est à dire qu'elles reçoivent une commande depuis le système nerveux central.

Les cellules ciliées internes assurent la transduction du signal puisqu'elles sont connectées à la quasie totalité des neurones dont les axones constituent 95 % du nerf auditif. Elles tiennent un rôle essentielle pour distinguer des fréquences presque identiques qui seraient jouées en même temps. En effet, elles sont chacunes sensibles à une certaine fréquence. Les cellules présentes au début de la cochlée sont plus sensibles aux fréquences aiguës, tandis que celles situées vers la fin de la spirale reçoivent les sons les plus graves, les fréquences les plus basses. Ces cellules font converger les informations vers le nerf auditif. Elles appartiennent à la voie afférente, elles apportent l'information au système nerveux. 

Ainsi, les vibrations provoquées par l'étrier sur la fenêtre ovale provoquent un mouvement du périlymphe qui fait onduler la membrane basilaire. Les cellules ciliées externes vont se contracter et tirer sur la membrane tecotoriale. Cette dernière est mise en contact avec les stéréociles des cellules ciliées internes. Les cellules ciliées internes vont se trouver excitées et la synapse entre les cellules ciliées internes et le nerf auditif va être activée. Un message nerveux est donc envoyé au cerveau. 

Nous allons commencer cette seconde partie par une rapide présentation du cerveau et de son organisation.

Le cerveau est un organe situé dans la boite crânienne responsable des fonctions supérieures. Il est constitué de deux hémisphères, l'hémisphère droit et l'hémisphère gauche. On a remarqué que certaines fonctions étaient plus dévelopées dans un des deux hémisphères. En effet, l'hémisphère droit s'occuperait plus de décrypter tout ce qui a un rapport avec la musique, l'habilité spatiale et la reconaissance des visages. Tandis que l'hémisphère gauche analyserait plus l'habilité logique, le calcul et le langage. En dehors de ces fonctions plus développées dans un hémisphère ou l'autre, l'hémisphère droit ne s'occupe pas non plus de la partie droite du corps et inversement. Par exemple, pour les fonctions motrices, l'hémisphère droit va diriger les mouvements du bras et de la jambe gauche et l'hémisphère gauche celui de la jambe et du bras droit. Mais, il existe des exceptions pour les gauchers, qui eux le plus souvent ont leur hémisphère gauche qui dirige la partie gauche de leur corps.

Il existe trois grandes façons de cartographier le cerveau. La première se base sur l'anatomie du cerveau, et le divise grâce à des repères visuels (les sillons ou gyri), la deuxième sur les formes et les types de cellules et la troisième consiste à stimuler des petites zones du cerveau pour déterminer leur rôle. Nous allons nous intéresser plus particulièrement à la deuxième de ces méthodes, qui permet de déterminer des aires appelées aires de Brodmann, du nom du neurologue et neurophysiologiste qui divisa le cerveau selon 52 aires.

Dès que nous situeront des aires dans la suite de notre TPE, nous le ferons en fonction des aires de Brodmann, c'est pourquoi un schéma de l'emplacement de chacune sera toujours présent dans la partie droite du blog.

Ci dessous, est une animation permettant, entre autre, en cliquant sur le numéro de l'aire, de voir sa fonction, sa position et son nom fonctionnel. Cette manière de diviser le cerveau est utile car elle permet de voir les différentes fonctions que chaque aire utilise. Par exemple, l'aire de Wernicke se situe au niveau des aires 22, 37 et 42 de la classification de Brodmann. On remarque que les aires 22 et 42 ont pour rôle le traitement auditif et la perception des sons, fonctions évidemment utilisées dans la compréhension du langage. Les aires de Brodmann permettent ainsi de mieux comprendre le fonctionnement de certaines aires.

1) La transmission du message nerveux par le cerveau :

     Le son entendu passe de la cochlée au nerf auditif sous forme d'impulsions électriques. Le nerf auditif est un nerf sensoriel formé de deux parties : le nerf cochléaire et le nerf vestibulaire. Ce dernier reçoit les informations concernant le maintien de l'équilibre. C'est pour cela que nous nous intéressons, pour ce sujet, seulement au nerf cochléaire. En effet, celui-ci recueille les informations auditives et transmet les signaux correspondant aux ondes sonores de l'oreille interne au cerveau. Cette transmission est possible grâce aux nombreux neurones, connectés entre eux, dans les nerfs.

     Le neurone est une cellule somatique qui est reliée aux autres par des dendrites et un axone. Les dendrites sont des ramifications au début des neurones et sont présentes dans les nerfs sensitifs, elles sont nombreuses et de tailles différentes. Elles peuvent être courtes (dans le cerveau) ou mesurer un peu plus d'un mètre (du pied à un des deux centres nerveux du corps humain, la moelle épinière). Elles recevoivent une ou plusieurs informations provenant d'autres neurones et les traitent activement avant de les transmettre au soma, la partie centrale du neurone.

     Ensuite, le neurone diffuse ces signaux électriques aux autres neurones à travers son unique axone, dans le nerf moteur. Chaque axone est bordé par des cellules de Schwann qui constituent une gaine de myéline. La myéline augmente la vitesse de transmission des impulsions nerveuses. Cependant elle isole les canaux ioniques des influx nerveux d’où la nécessité qu’elle ne soit pas continue. Pour cette raison, elle est interrompue régulièrement par ce qu'on appelle des noeuds de Ranvier. Ce sont des canaux (sodiques ou potassiques) qui permettent la propagation du message nerveux. Ainsi, cette conduction saltatoire (l'addition des noeuds de Ranvier et des cellules Schwann) provoque une diffusion rapide du message nerveux (130 m/s) par un voyage de noeud en noeud.            

    A leur extrémité, les axones se divisent en plusieurs terminaisons axonales. Aux termes de ces dernières se trouve un bouton synaptique qui va se fixer sur un autre neurone. Il existe différentes synapses (différentes zones de jonction entre les neurones)  : la synapse axodendritique (où le bouton synaptique se lie avec le dendrite d'un autre neurone), la synapse axosomatique (l'attachement se fait sur le neurone directement) et la synapse axoaxonique (l'axone d'un neurone se fixe sur une synapse axosomatique, sur l'axone d'un autre neurone).

    Au niveau des boutons synaptiques, le message nerveux sous la forme d'un flux électrique est transformé en substance chimique, des neurotransmetteurs. Ces molécules sont produites en permanence dans des vésicules d'exocytose. Elles sont libérées sous l'action des influx nerveux et traversent les liaisons synaptiques. Les neurotransmetteurs atteignent les neurorécepteurs qui sont présents sur la membrane postsynaptique d'autres neurones et un nouvel influx nerveux électrique est recrée.

    L'information circule donc de cette manière entre la centaine de milliards de neurones dans le cerveau. (Voir schéma)

Schéma de la circulation de l'influx nerveux d'un neurone à l'autre : 

Légende :

1- Capillaire sanguin : ils alimentent les cellules gliales

+ Cellules gliales : elles assurent le maintien de l’équilibre des neurones, elles produisent de la myéline, elles nettoient le système nerveux des cellules mortes et elles régulent la neurotransmission.

2- Nerf sensitif

3- Nucléole

4-Noyau

5- Cytoplasme (corps cellulaire d’environ 20 µm)

6- Dendrites

7- Axone

8- Nœuds de Ranvier

9- Cellules de Schwann

10- Nerf moteur

11- Terminaison axonale

12- Bouton synaptique

13- Vésicule d’exocytose

14- Molécules de neurotransmetteurs

15-  Neurorécepteur

16- Membrane post synaptique

Carl Wernicke (1848-1905)

      Carl Wernicke était un très bon psychiatre qui excellait en neurologie. Il travailla sur les zones du cerveau impliquées dans le langage. Et à partir de ses recherches avec Paul Broca sur les localisations cérébrales par aphasiologie (par étude des aphasies), il découvrit l’encéphalopathie de Wernicke ou aphasie de Wernicke. De cette expérience il découvrit l’aire de Wernicke.

    2) Du signal nerveux au sens:

Le message nerveux circule dans le cerveau et arrive dans l'aire de Wernicke qui est située au niveau du lobe temporal et du cortex auditif primaire (aires 22, 37 et 42 du système de Brodmann).

 En effet, les signaux nerveux, qui transportent les messages entendus et transformés au niveau de l'oreille, arrivent dans cette aire pour y être décryptés. Ces derniers sont associés à ceux que notre mémoire connaît déjà. L'aire de Wernicke, avec l'aide du territoire de Geschwind (une aire située dans le lobe pariétal inférieur et constituée du gyrus angulaire et du gyrus supramarginal), vont ainsi relier les sons entendus à un sens, une image, un geste, une odeur ou une émotion, etc...

Le message va ensuite être transféré dans l'aire de Broca, située dans la 3ème circonvolution frontale, par le biais du faisceau arqué, un réseau de fibres nerveuses épaisses. La compréhension d'un mot nécessite sa "prononciation" mentale, effectuée dans l'aire de Broca.

Par exemple, si on reprend la question:" Est-ce qu'on peut mettre un éléphant dans une boîte de 1cm³ ?" (utilisée lors de notre expérience), l'aire de Wernicke et le territoire de Geschwind vont associer les mots "éléphant" et "une boîte de 1cm³ " a des images, des dimensions, puis l'aire de Broca va compléter la compréhension des mots. Notre cerveau va voir que l'éléphant est un animal assez imposant,

qu'une boite est carrée ( on s'imagine plus une boite carrée qu'une ronde par habitude),

que 1 cm³ est assez petit, en tout cas bien plus petit qu'un éléphant. Il va ensuite arriver à la conclusion qu'on ne peut pas mettre un éléphant dans une boîte d'un centimètre cube.

Toutefois, si notre cerveau ne connaît pas le mot prononcé, c'est-à-dire si notre mémoire ne peut rien associer à ce son, il crée de nouvelles connexions et enregistre le nouveau mot et la composition de son signal nerveux, et lui associe un sens, ainsi que tout ce qu'il peut y associer, une image, une odeur, etc...

Ainsi, si une lésion apparaît au niveau de l'aire de Wernicke, la personne ne sera plus capable de comprendre le langage. On appelle cela une aphasie de Wernicke.

Paul Broca (1824-1880)

      Médecin, anatomiste et anthropologue français, Paul Broca enseigna la pathologie chirurgical à l’Université de Paris. Il fit des travaux de neuroanatomie et découvre « le centre de la parole » dans le cerveau : l’aire de Broca. Il la présente en 1861 à la Société d’anthropologie de Paris. Il parvient à cette découverte suite à l’étude d’un patient aphasique (M. Leborgne) surnommé « Tan » puisqu’il ne prononçait que cette syllabe. A partir de l’aphasie de son patient, P. Broca a découvert une lésion du lobe frontale gauche. Cette zone se trouvait, donc, impliquée dans la production de la parole.