Early developmental trajectories in the encoding of speech sound features: the Influence of sex and bilingualism

Abstract

[eng] Early speech acquisition relies on the appropriate maturation of the auditory system and the fine-tuning to a range of speech sound features that define a particular language. This process initiates early in development as the auditory system becomes functional during the third trimester of gestation. From that moment, fetuses are exposed to a variety of sounds, both internal and external to the maternal womb, and the speech acoustic signal is first encountered. Still, the auditory system and infant acoustic capacities are not fully developed at birth and overcome a marked maturation during the first infant year, with key developmental processes such as neuronal migration to the auditory cortex and myelination of the auditory brainstem extended into this infant stage. Along this developmental journey, infant auditory capacities are shaped by both genetic and environmental factors, which ultimately affect how speech sounds are perceived. Biological factors like sex introduce early genetic differences, while environmental experiences like bilingualism influence the auditory input infants receive. Despite the clear impact of both sex and bilingualism on speech perception development, the underlying changes in the neural encoding of speech sounds remain unexplored. The present thesis aimed at investigating the neural maturation underlying speech sounds encoding during the first infant year, and how sex and bilingual experiences shape this developmental trajectory. Speech perception undergoes significant changes during the first year of life, when infants begin to explore and adapt to the speech sounds in their environment. Milestones in language development, such as the onset of consonant-vowel articulations at around six months and the first spoken words by the end of the first year, rely on infants’ accurate phoneme perception and native-like attunement to speech sounds. For instance, infants need to differentiate between similar yet distinct sounds to discern phonemic categories relevant to their language. The development of phonetic perception has been an area of growing interest, with auditory evoked potentials like the Mismatch Negativity Response (MMN) frequently used to study this process. However, research into the auditory maturation that supports these infant capacities remains limited. For phoneme discrimination, infants must accurately encode the acoustic features that compose speech signals. The proper encoding of key speech-sound features –such as voice pitch and formant structure– guides early speech acquisition by providing essential acoustic cues to the infant. The frequency-following response (FFR) has recently emerged as a valuable auditory evoked potential capable of capturing the neural encoding of these speech features, making it ideal for studying their development during infancy. Yet, there is still a gap in the literature examining how the neural encoding of speech sounds develops alongside early speech acquisition. The first objective of the present thesis was to disentangle the neural developmental underlying the encoding of key speech-sound features along the auditory pathway during the first year of life. By longitudinally recording FFR responses at birth, six months and twelve months of age, this thesis investigates its first aim through two complementary studies. In the first study, FFRs were recorded in response to a two-vowel stimulus (/oa/) from a cohort of 37 healthy-term infants across these three developmental stages. This study focused on analyzing neural transmission latency, as well as the neural encoding of voice pitch and formant structure. The second study extended the sample to 73 infants, maintaining the same experimental procedure and stimulus while incorporating additional variables, such as perinatal linguistic exposure and sex. To illustrate developmental trajectories in the neural encoding of speech sound features, linear mixed-effects models were employed for both voice pitch and formant structure. Together, these studies provide a comprehensive picture of the typical neural maturation involved in encoding voice pitch and formant structure of speech during the first postnatal year. Crucially, they converge on identifying the first six months as a critical period for the maturation of neural encoding mechanisms essential for speech acquisition. Particularly, they reveal rapid advancements in the encoding of formant structure, which is crucial for discerning subtle acoustic differences delimiting phonetic categories. A sensitive period for the mapping of phonetic categories emerges during the first year of life, with biological and environmental factors influencing speech perception development. For example, sex-related biological factors introduce early genetic differences that extend to speech perception. Additionally, speech acquisition is language-dependent, with early auditory experiences significantly shaping infants' acoustic capacities from the onset of hearing in utero, likely affecting their future speech abilities. The second objective of this thesis was to explore the mediating effects of sex and bilingual exposure on the neural development of speech encoding across the first infant year. This goal was addressed in the second study, which uncovered distinct developmental trajectories associated with sex and bilingualism, highlighting their role in shaping neural attunement to key speech-sound features. By revealing the positive effect of bilingualism in neural speech encoding by the end of the first year, the findings suggest that enriched linguistic environments during this critical period could positively influence auditory processing and speech development. Overall, the findings enclosed in the present thesis provide important insights into the neural mechanisms underpinning early speech perception and acquisition, revealing biological and environmental influences that shape individual variability. Future research examining how these early neural patterns predict later language outcomes could extend the results from this thesis, potentially contributing to early detection of language delays or disorders.

[cat] L’inici de l’adquisició de la parla esta condicionada per una maduració adequada del sistema auditiu i del refinament progressiu de la sensibilitat a les propietats acústiques que caracteritzen una llengua específica. Aquest procés s'inicia de manera primerenca en el desenvolupament neurobiològic, ja que el sistema auditiu esdevé funcional durant el tercer trimestre de la gestació. A partir d'aquest moment, el fetus és exposat a un ampli espectre d'estímuls sonors, tant endògens com exògens al ventre matern, i és aleshores quan entren en contacte per primera vegada amb el senyal acústic de la parla. No obstant això, el sistema auditiu i les capacitats acústiques de l’infant no estan completament desenvolupats en néixer i experimenten una marcada maduració durant el primer any de vida, amb processos clau de desenvolupament com la migració neuronal cap a l'escorça auditiva i la mielinització del tronc encefàlic auditiu que s'estenen en aquesta etapa infantil. Al llarg d’aquest procés maduratiu, les capacitats auditives de l’infant són modelades tant per factors genètics com ambientals, els quals acaben influint en la percepció dels sons de la parla. Factors biològics com el sexe introdueixen diferències genètiques primerenques, mentre que experiències ambientals, com el bilingüisme, influeixen en els estímuls auditius que els infants reben. Tot i l’evident impacte del sexe i del bilingüisme en el desenvolupament de la percepció de la parla, els mecanismes subjacents a la codificació neural dels sons de la parla segueixen sent, en gran mesura, desconeguts. La present tesi té com a objectiu investigar la maduració neural subjacent a la codificació dels sons de la parla durant el primer any de vida i com el sexe i les experiències bilingües modelen aquesta trajectòria de desenvolupament. La percepció de la parla experimenta canvis significatius durant el primer any de vida, moment en què els infants comencen a explorar i adaptar-se als sons de la parla presents en el seu entorn. Fites en el desenvolupament del llenguatge, com l'inici de les articulacions consonant-vocal al voltant dels sis mesos i les primeres paraules pronunciades al final del primer any, depenen de la percepció precisa dels fonemes i de l’ajustament dels infants als sons de la parla de la seva llengua nativa. Per exemple, els infants han de diferenciar entre sons similars però distintius per poder identificar les categories fonètiques rellevants per a la seva llengua. El desenvolupament de la percepció fonètica ha esdevingut un àmbit d’interès creixent, amb potencials evocats auditius com la denominada Mismatch Negativity Response (MMN), utilitzada freqüentment per estudiar aquest procés. Tanmateix, la recerca sobre la maduració auditiva que sustenta aquestes capacitats infantils continua sent limitada. Per a la discriminació de fonemes, els infants han de codificar amb precisió les característiques acústiques que componen els senyals de la parla. La correcta codificació de les característiques clau dels sons de la parla –com el to de veu i l'estructura dels formants– guia l’adquisició primerenca del llenguatge proporcionant a l’infant pistes acústiques essencials. La resposta de seguiment de la freqüència (RSF) ha emergit recentment com un potencial evocat auditiu valuós, capaç de capturar la codificació neural d’aquestes característiques, cosa que la fa ideal per estudiar-ne el desenvolupament durant la infantesa. Tot i això, encara hi ha una manca de literatura que examini com es desenvolupa la codificació neural dels sons de la parla paral·lelament a l’adquisició primerenca d’aquesta. El primer objectiu de la present tesi era desentranyar el desenvolupament neural subjacent a la codificació de les característiques clau dels sons de la parla al llarg de la via auditiva durant el primer any de vida. Mitjançant el registre longitudinal de la FFR en néixer, als sis mesos i als dotze mesos d’edat, aquesta tesi investiga el seu primer objectiu a través de dos estudis complementaris. En el primer estudi, es van registrar les FFR en resposta a un estímul compost per dues vocals (/oa/) en una cohort de 37 nadons sans nascuts a terme en aquestes tres etapes de desenvolupament. Aquest estudi es va centrar en analitzar la latència de la transmissió neuronal, així com la codificació neuronal del to de veu i l’estructura dels formants. El segon estudi va ampliar la mostra a 73 nadons, mantenint el mateix procediment experimental i estímul, i incorporant variables addicionals com l’exposició lingüística perinatal i el sexe. Per representar les trajectòries de desenvolupament en la codificació neuronal de les característiques del so de la parla, es van utilitzar models lineals d’efectes mixtos per al to de veu i l’estructura dels formants. En conjunt, aquests estudis ofereixen una visió completa dels processos típics de maduració neuronal que sustenten la codificació del to de veu i l’estructura dels formants durant el primer any de vida. Tots dos estudis coincideixen a destacar que els primers sis mesos són un període crític per a la maduració dels mecanismes de codificació neuronal essencials per a l’adquisició de la parla. En particular, mostren un progrés ràpid en la codificació de l’estructura dels formants, un procés fonamental per distingir les subtils diferències acústiques que delimiten les categories fonètiques. Un període sensible per a la formació de les categories fonètiques emergeix durant el primer any de vida, amb factors biològics i ambientals influenciant el desenvolupament de la percepció de la parla. Per exemple, els factors biològics relacionats amb el sexe introdueixen diferències genètiques primerenques que s'estenen fins a la percepció de la parla. A més, l'adquisició del llenguatge és dependent de la llengua, i les primeres experiències auditives modelen de manera significativa les capacitats acústiques dels infants des de l'inici de l’audició a l'úter, probablement afectant les seves futures habilitats lingüístiques. El segon objectiu d'aquesta tesi va ser explorar els efectes mediadors del sexe i l'exposició bilingüe en el desenvolupament neural de la codificació de la parla al llarg del primer any de vida. Aquest objectiu es va abordar en el segon estudi, que va descobrir trajectòries de desenvolupament diferenciades associades al sexe i al bilingüisme, posant de manifest el seu paper en la modulació del refinament neural a les característiques clau dels sons de la parla. En revelar l'efecte positiu del bilingüisme en la codificació neural de la parla al final del primer any, els resultats suggereixen que entorns lingüístics enriquits durant aquest període crític podrien influenciar positivament el processament auditiu i el desenvolupament de la parla. En conjunt, els resultats presentats en aquesta tesi proporcionen informació rellevant sobre els mecanismes neurals que sustenten la percepció i adquisició primerenques de la parla, revelant influències biològiques i ambientals que configuren la variabilitat individual. Futures investigacions que examinin com aquests patrons neurals primerencs poden predir resultats lingüístics posteriors, podrien ampliar els resultats d’aquesta tesi, contribuint potencialment a la detecció precoç de retards o trastorns del llenguatge.