Les ressources fonctionnelles communes entre utilisation d’outil et langage : de nouveaux horizons vers un impact réciproque

Common functional resources for tool use and language : new horizons towards a reciprocal impact

• Auteur / Autrice : Simon Thibault
• Direction : Claudio Brozzoli, Alice Catherine Roy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Neurosciences
• Date : Soutenance le 26/10/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Neurosciences et Cognition (NSCo) (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherche en Neurosciences de Lyon (Bron ; Saint-Priest-en-Jarez ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Aymeric Guillot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claudio Brozzoli, Alice Catherine Roy, Laurel Buxbaum, Michael Ullman, Anna M. Borghi, Véronique Boulenger, Atsushi Iriki
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurel Buxbaum, Michael Ullman

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sciences cognitives

Cognition

Linguistique cognitive

Outils

Mots clés libres

Utilisation d’outil

Phonologie

Sémantique

Syntaxe

Neuroimagerie

Transfert d’apprentissage

Tool use

Phonology

Semantics

Syntax

Neuroimaging

Learning Transfer

Résumé

L’utilisation d’outil est le produit de l’évolution humaine. En plus de sa composante sensorimotrice, dont la complexité est désormais bien caractérisée, l’habileté à utiliser un outil impacte la cognition. En effet, l’utilisation d’outil requiert d’intégrer un objet externe comme une partie corporelle, tout en incluant sa structure fonctionnelle dans le programme moteur. D’autre part, il a été proposé que les aires cérébrales impliquées dans le langage aient exploité les ressources neuronales dédiées à l’outil. Ainsi, les chercheurs ont avancé l’hypothèse de similarités entre les processus sous-tendant l’utilisation d’outil d’une part et le langage de l’autre, en plus des similarités entre action et langage auparavant suggérées par les modèles de la cognition incarnée. Ainsi, cette thèse vise à caractériser les ressources neuronales partagées et les liens comportementaux réciproques entre l’utilisation d’outil et le langage. Dans une première étude, nous avons utilisé la neuroimagerie fonctionnelle pour tester l’existence de ressources neuronales partagées entre l’utilisation d’outil et deux fonctions langagières : la phonologie et la sémantique. Pour la phonologie, les participant.e.s devaient réaliser une tâche d’identification phonologique, tandis que pour la sémantique, une tâche d’amorçage sémantique avec décision lexicale était réalisée. Bien que l’utilisation d’outil et la phonologie recrutent des régions corticales contigües du lobule pariétal inférieur, aucune preuve n’a été trouvée en faveur de ressources neuronales partagées entre ces deux fonctions. Des analyses multivariées ont en revanche montré que l’activité neuronale induite par la sémantique est décodée au sein du réseau neuronal de l’utilisation d’outil et plus particulièrement dans le gyrus frontal inférieur gauche et le cortex occipitotemporal gauche. Dans une seconde étude, nous avons testé l’existence de ressources partagées pour l’utilisation d’outil et la fonction syntaxique. Les participant·e·s devaient réaliser une tâche de compréhension syntaxique impliquant des phrases relatives de complexité différente. Les résultats ont montré que l’utilisation d’outil et la syntaxe complexe (i.e. relatives objet) induisaient une activité neuronale anatomiquement co-localisée au sein des ganglions de la base. De plus, des analyses multivariées ont révélé une distribution spatiale similaire pour les patterns neuronaux induits par l’utilisation d’outil et le traitement des relatives objet. En conséquence, le partage de ces ressources neurofonctionnelles se reflète au niveau comportemental par un transfert d’apprentissage entre les deux domaines : l’entrainement à l’utilisation d’outil améliore la performance linguistique pour la syntaxe complexe et réciproquement, l’entrainement à la syntaxe complexe améliore la performance motrice avec l’outil. Aucun transfert d’apprentissage n’a été observé pour les habilités syntaxiques après un entrainement équivalent mais sans outil, ou bien pour l’utilisation d’outil après entrainement avec des structures syntaxiques plus simples (i.e. relatives sujet). Nos résultats démontrent l’existence de ressources partagées entre utilisation d’outil et langage et indiquent l’existence d’une fonction syntaxique supramodale dédiée aux domaines moteur et langagier. Plus généralement, nos travaux ouvrent des perspectives quant à la mise en place des protocoles d’apprentissage ou de réhabilitation interdomaine tirant profit du transfert d’apprentissage. Nos résultats confortent enfin l’hypothèse d’une coévolution entre l’habileté à utiliser un outil et le langage, ayant favorisé le partage de ressources neuronales communes pour ces deux habiletés.

Tool use is a hallmark of human evolution. Beyond its sensorimotor components, whose complexity has been extensively investigated, tool use impacts cognition. Tool use requires integrating an external object as a body part and embedding its functional structure in the motor program. Additionally, it has been proposed that brain areas involved in language have exapted neural resources devoted to tool use. Accordingly, researchers have advanced the existence of similarities between the processes underlying tool use and language, in line with the similarities for action and language suggested by the embodied cognition models. Thus, this thesis aims to further characterize the shared neural resources and reciprocal behavioral links between tool use and language. In a first study, we used functional neuroimaging to test the existence of shared neural resources between tool use and two linguistic processes: phonology and semantics. For phonology, the participants performed a phonological identification task, whereas for semantics they underwent a semantic priming task with a lexical decision. Although tool use and phonology recruited contiguous regions in the inferior parietal lobe, no evidence for shared neural resources was found between those two functions. By contrast, multivariate analyses showed that the neural activity elicited by semantics was decoded within the tool-use neural network, in the left inferior frontal gyrus and the left occipitotemporal cortex. In a second study, we tested the existence of shared neural substrates for tool use and syntactic processing. The participants performed a syntactic comprehension task requiring to process syntactic structures of different complexity. Results showed tool use and complex syntax (i.e. object relatives) elicited neural activity anatomically co-localized within the basal ganglia. Multivariate analyses revealed similar spatial distributions of neural patterns prompted by tool use and object relative processing. Moreover, the shared neurofunctional resources are reflected behaviorally by cross-domain learning transfer: tool-use training significantly improves linguistic performance for complex syntax, and reciprocally, complex syntax training improves motor performance with the tool. No learning transfer was observed on language syntactic abilities if participants trained without the tool, nor on tool use if participants trained with simpler syntactic structures (i.e. subject relatives). Our findings show the existence of shared neural resources between tool use and language, pointing to the existence of a supramodal syntactic function shared between the motor and the language domains. More generally our work opens perspectives to develop learning or rehabilitation protocols taking advantage of the crossdomain learning transfer. From an evolutionary point of view, our results reinforce the hypothesis of a co-evolution between tool use and language, leading to shared neural resources for these two abilities.