Vocal tract growth from birth to adulthood, applications for articulatory studies in infants and biomechanical modeling of the vocal apparatus

International audienceThe growth of the vocal apparatus is far from linear, and reflects several important changes during ontogeny. How are children able to reach acoustic targets in such a context? To counterbalance the nonuniform growth of the vocal tract, adequate motor control of the supra-laryngeal articulators is crucial. Therefore, prior to understand the development of speech production, not only in the acoustic space, but in respect with the articulatory-to-acoustic relationships evolution, it is crucial to study vocal tract morphology

Human vocal tract growth: A longitudinal study of the development of various anatomical structures

International audienceThe growth of the head and neck and its components, including that of the vocal tract, is not homothetic but appears rather as an anamorphosis. The growth of various structures presents a phenomenon of heterochrony. Another important issue in vocal tract growth is sexual dimorphism. It was first claimed that sexual dimorphism appears at puberty, but a recent study has suggested that some prepubertal differences exist. To study these two phenomena, we used longitudinal radiographic data of sixty-eight typical subjects (966 radiographs, taken from 1 month to 25 years) and twelve fetuses (anatomical sections). In this study, we analyzed the growth curves and growth types of the hard and soft palate, the pharyngeal cavity and the estimated length of the whole vocal tract using non-linear mixed-effect models, in order to take advantage of our unique longitudinal dataset. Results indicate that most of the structures follow a neural/somatic growth type, while the pharyngeal cavity follows a more somatic growth type. As concerns sexual dimor-phism, no prepubertal differences were found, suggesting that the sexual dimorphism is likely to begin at puberty. These results have implications for the acoustics of speech production during development and should lead to improvements in vocal tract growth modeling

Anatomie et croissance du conduit vocal du fœtus à l'enfant de 5 ans

International audienceThe faculty of speech in humans is emerging during the first years of life: from first vocal folds control (around 2-3 month) to first words (around 18-20 month) through canonical babbling (around 7 month), this faculty is developing thanks to the progressive maturation of the neuromuscular control of speech articulators. Prior to understand how this faculty is evolving, and to simulate the acoustic productions during ontogeny, it is crucial to understand the anatomical development of the vocal tract.This study aims at observing the growth of the vocal tract and its constituents, from birth to 5 years. The biometric data presented here allow a better understanding of the evolution of these structures during ontogeny, and will be used in order to build models of newborn's and early child's vocal tracts, to simulate acoustic productions.La faculté de parler se construit durant les premières années de vie : de la phonation sans articulation (aux alentours de 2-3 mois) à la production des premiers mots (12-14 mois), en passant par le babillage (autour de 7 mois). Cette faculté se construit avec la maturation progressive de l'anatomie et grâce à celle du contrôle neuromusculaire des différents articulateurs impliqués dans la production de la parole. Pour comprendre comment se développe cette faculté, et simuler les productions acoustiques au cours de la croissance, il est d'abord indispensable de comprendre l'évolution anatomique de cet instrument. Cette étude se propose de décrire la croissance du conduit vocal et de ses constituants, depuis la période fœtale jusqu'à 5 ans. Les données biométriques présentent l'évolution de ces structures au cours de cette période cruciale. Elles pourront servir à modéliser le conduit vocal du nouveau-né et du jeune enfant, en vue de simuler les productions acoustiques

La croissance du conduit vocal du foetus à l'adulte : une étude longitudinale

International audienceLongitudinal radiographic archives of 68 Caucasian American people followed between 1 month and 25 years were used in order to quantify the growth of the vocal tract. 966 sagittal cephalometric radiographs from the American Association of Orthodontists were used, including a large number of radiographs covering the early years, which is a critical period for speech acquisition. The anatomical sections of 12 fetuses were added to ensure the continuity of data around birth. Eight variables are presented to specify in detail the growth of the vocal tract. These are (1) the oral cavity length; (2) the hard palate length; (3) the soft palate length; (4) the pharyngeal cavity height; (5) the estimated vocal tract length; (6), (7), and (8) the vertical position of each the glottis, the hyoid bone and the third cervical vertebra relative to the occlusal plane, in order to better estimate the vertical evolution of the pharyngeal cavity. Growth curves and growth rates are also computed. Finally, statistical tests are conducted in order to observe the onset of sexual dimorphism. These data are a source of information for the modeling of the vocal tract during ontogenesis, and for the study of articulatory-acoustic relationships during growth.Les archives radiographiques de 68 individus blancs nord-américains suivis longitudinalement entre 1 mois et 25 ans ont été utilisées afin de quantifier la croissance du conduit vocal. 966 téléradiographies sagittales de la tête et du cou provenant de l'Association Américaine des Orthodontistes ont été utilisées, incluant un grand nombre de radiographies couvrant les premières années de vie, période cruciale pour l'acquisition de la parole. Les coupes anatomiques de 12 fœtus ont été ajoutées afin d'assurer une continuité de données pour la période périnatale. Huit variables sont présentées afin de décrire en détail la croissance du conduit vocal : (1) la longueur de la cavité orale, (2) la longueur du palais dur, (3) la longueur du palais mou, (4) la hauteur de la cavité pharyngale, (5) la longueur totale du conduit vocal, (6) la position de la glotte (7) la position de l'os hyoïde et (8) la position de la troisième vertèbre cervicale, relativement au plan occlusal. Les courbes de croissance et les vitesses de croissance sont calculées. Des tests statistiques sont effectués dans le but d'observer l'émergence du dimorphisme sexuel. Ces données sont une source d'information pour modéliser la croissance du conduit vocal et permettent également de mieux comprendre les liens entre anatomie et acoustique au cours de l'ontogenèse

La croissance du conduit vocal du fœtus à l'adulte : une étude longitudinale

International audienceLa croissance du conduit vocal en ontogenèse, loin d'être uniforme, représente une véritable anamorphose. Or, puisque c'est la forme du conduit vocal qui détermine le son produit, la morphogenèse du conduit vocal a d'importantes conséquences acoustiques. Afin de mieux comprendre les relations entre anatomie et acoustique, cette étude propose de quantifier la croissance du conduit vocal du fœtus à l'âge adulte. Les archives radiographiques (966 téléradiographies sagittales de la tête et du cou) de 68 individus blancs nord-américains suivis longitudinalement entre 1 mois et 25 ans ont été utilisées afin de quantifier la croissance du conduit vocal. Les coupes anatomiques de 12 fœtus ont été ajoutées afin d'assurer une continuité de données pour la période périnatale. Huit variables sont présentées afin de décrire en détail la croissance du conduit vocal : (1) la longueur de la cavité orale, (2) la longueur du palais dur, (3) la longueur du palais mou, (4) la hauteur de la cavité pharyngale, (5) la longueur totale du conduit vocal, (6) la position de la glotte (7) la position de l'os hyoïde et (8) la position de la troisième vertèbre cervicale, relativement au plan occlusal. Les courbes de croissance et les vitesses de croissance sont calculées pour chaque variable. Des tests statistiques sont effectués dans le but d'observer l'émergence du dimorphisme sexuel. Nos résultats indiquent que (1) la longueur du conduit vocal double pendant la vie ; (2) la croissance du conduit vocal après la naissance se fait principalement dans la direction verticale ; (3) le profil de croissance des principales structures constitutives du conduit vocal présente deux pics de croissance, le premier durant la période périnatale et le second à l'adolescence (ce second pic étant plus précoce et moins marqué chez les femmes, plus tardif et plus marqué chez les hommes) ; (4) le dimorphisme sexuel apparaît autour de 15 ans et semble être essentiellement dû à une différence de hauteur de la cavité pharyngale, qui présente un second pic de croissance à la puberté marqué uniquement chez les hommes ; (5) la taille du velum est très importante à la naissance en regard de la taille des autres structures. Ces données sont une source d'information pour modéliser la croissance du conduit vocal et permettent également de mieux comprendre les liens entre anatomie et acoustique au cours de l'ontogenèse

Ability of reconstituted fossil vocal tracts to produce speech - Phylogenetic and ontogenetic considerations

International audienceWe analyzed 31 skulls from now to 1.5 Ma (millions anni) BP(Before Present) for fossil hominids available at the Musée de l'Homme in Paris or in the literature: (1) 10-30 ka BP: modern humans: Paleolithic; (2) 90-200 ka BP: anatomically modern humans; (3) 45-90 ka BP: Neanderthals; (4) 1.5 Ma BP: Homo ergaster; These skulls are all well kept and possess a jaw in the majority of cases but the vertebral column has been reconstituted. We attempt to: (1) Localize hyoid bone and then glottis position; (2) Reconstitute a vocal tract model in a plausible way using an articulatory model; (3) Quantify the acoustic capabilities of this reconstituted vocal tract. For this purpose, we combine phylogenesis and ontogenesis. We are in a position to state that our ancestors and distant cousins were equipped with a vocal tract that could produce the same variety of vowel sounds as we can today: the vowels /i a u/. The vocal tract morphology has been favorable to the emergence and production of speech since several hundreds of thousands of years

Croissance du conduit vocal de la naissance à l'âge adulte : données morphologiques longitudinales et modélisation articulatoire

National audienceThe growth of the vocal tract is far from linear and is particularly important during the first years of life. How are children able to reach acoustic targets in such a context? To understand the development of speech production, not only in the acoustic space, but with respect to the evolution of articulatory-to-acoustic relationships, it is crucial to study vocal tract morphology. This study aims at proposing specific measurements on the vocal apparatus, not only to study vocal tract growth during ontogeny, but in order to improve the accuracy of articulatory phonetic tools, such as ultrasonography or biomechanical modeling of the vocal tract

Understanding the Biomechanical Properties of Skull Base Tissues Is Essential for the Future of Virtual Reality Endoscopic Sinus and Skull Base Surgery Simulators

International audienc

Nouvelles pistes pour revisiter la production de la parole et son développement : données, modèles, représentation

International audienceNew tracks to revisit speech production and speech development: data, models and representation Since several years new tracks are explored to revisit speech production, emergence and development. Data bases and modeling concerning genetics (HOX and noHOX genes), biometrical data of head, hyoid bone and cervical vertebrae (C1-C7), muscle anatomy, developmental phonetics, vocal tract modeling (geometrical and biomechanical), and swallowing physiology have been interwoven in order to provide new insights on speech production. This research integrates, along all the steps, the realization of computerized dynamic graphics and video illustrations. They will provide help for speech researchers, physicians and speech therapists.Depuis quelques années de nouvelles pistes sont explorées pour revisiter la production de la parole, son émergence et son développement. Les domaines pour lesquels il a semblé productif de croiser bases de données et modélisation concernent la génétique du développement de la tête (gênes HOX et non-HOX), du rachis cervical (C1 C7) et de l'os hyoïde, de la biométrie osseuse de la tête et du cou, de l'anatomie fonctionnelle des muscles impliqués dans production de la parole, de la phonétique du développement, de la modélisation du conduit vocal (géométrique et biomécanique) et de la physiologie de la déglutition. Pour pouvoir appréhender ces nouvelles pistes dans leur spécificité, un effort important de visualisation a été fait grâce à l'utilisation de la synthèse numérique dynamique appliquée à la croissance de l'architecture osseuse, du cerveau et du conduit vocal

Considérations ontogénétiques et phylogénétiques concernant l'origine de la parole. Prédiction de la capacité des conduits vocaux de fossiles reconstitués à produire des sons de parole

http://primatologie.revues.org/797National audienceOntogenetic and phylogenetic considerations concerning the origin of speech The end of the XXth century and the beginning of this century saw a reorganization of the researches in the field of speech and language emergence (SLE). Naturalism is the kernel of this new approach. It consists in describing the relations between biological aspects (in every sense of the word) on the one hand and speech and language, on the other hand, by an accumulation of hypotheses and evidence derived from a huge range of data collected thanks to interdisciplinary collaborations. As is the case for researches on the origin of Man, a theoretical profusion of hypotheses has arisen which sometimes leads to very hypothetical developments, based on fragile results and on too little data, and proposed in related but not fully mastered or too much simplified disciplines. This is why regular critical overviews do not seem superfluous. First, we propose a classification (push and pull theory) that provides a new reading of the various theories which have been proposed for half a century. In the present state of knowledge it is not possible to infer when our ancestors acquired the FacultyofSpeechandLanguageandSpeech: control of speech articulators, coordination between larynx and vocal tract, phonology, syntax, semantic and recursivity. Among old unsolved questions: Why is our species alone in having speech and language? Many others questions are (for the moment?) ill posed problems: we do not have sufficiently data to answer. Perhaps these questions will remain unsolved. But we think that the following question can be solved: If we suppose that our ancestors (and distant cousins) controlled their larynx and vocal tract in the same way as present-day humans, did the geometry of their vocal tract allow them to produce the universal sound structures of the languages spoken today? We analyzed 31 skulls from now to 1.5 Ma (millions years) BP (Before Present) for fossil hominids available at the Muséedel'Homme in Paris or in the literature: (1) 10-30 ka BP: modern humans: Paleolithic; (2) 90-200 ka BP: anatomically modern humans; (3) 45-90 ka BP: Neanderthals; (4) 1.5 Ma BP: Homoergaster; These skulls are all well kept and possess a jaw in the majority of cases but the vertebral column has been reconstituted. We attempt to: (1) Localize hyoid bone and then glottis position; (2) Reconstitute a vocal tract model in a plausible way using an articulatory model; (3) Quantify the acoustic capabilities of this reconstituted vocal tract. For this purpose, we combine phylogenesis and ontogenesis. We are in a position to state that our ancestors and distant cousins were equipped with a vocal tract that could produce the same variety of vowel sounds as we can today: the vowels /i a u/. The vocal tract morphology has been favorable to the emergence and production of speech since several hundreds of thousands of years. But how to know to what extent they mastered the control skills needed to produce speech? New lines of research are proposed in which orofacial abilities necessary to the emergence of speech are linked to a precursor mechanism dedicated to feeding (masticating-swallowing movements).La fin du XXe et le tout début de ce siècle révèlent une véritable réarticulation des recherches dans le domaine de l'émergence de la parole et du langage. Le naturalisme, qui est au centre de cette approche, se propose de décrire les relations entre la biologie (au sens très large du terme) d'une part, la parole et le langage, d'autre part, par une accumulation d'hypothèses, de données et de preuves formulées et établies grâce à de multiples collaborations interdisciplinaires. Comme pour les travaux sur l'origine de l'Homme (la découverte d'un nouveau fossile entraînant souvent une remise en question des théories précédentes), on assiste à un foisonnement théorique qui entraîne parfois des développements très hypothétiques, s'appuyant sur des résultats fragiles et sur trop peu de données, proposés dans des disciplines connexes mais non maîtrisées ou trop simplifiées. C'est pourquoi les bilans réguliers, les mises en perspectives critiques ne nous semblent pas superflus. Dans un premier temps nous proposerons une classification qui permet une lecture des différentes théories proposées depuis un demi-siècle (théorie push-pull). Dans l'état actuel des connaissances, il n'est pas possible d'inférer quand nos ancêtres, voire nos lointains ont acquis la faculté de langage et de parole : le contrôle des articulateurs, la coordination entre le larynx et le conduit vocal, la phonologie, la syntaxe, la sémantique et la récursivité. Parmi les questions qui se posent, il en est une qui reste sans réponse : pourquoi notre espèce est actuellement la seule à posséder langue et parole ? De nombreuses questions font partie des problèmes mal posés, comme le sont les questions du type: Quelle(s) langue(s) parlaient nos prédécesseurs ? Possédaient-ils une langue unique ? En effet, on ne dispose pas (pour le moment) de suffisamment de données pour pouvoir y répondre. Peut-être même que ces questions ne trouveront pas de solution. Actuellement, il est quand même possible de répondre à la question suivante : si nous supposons que nos ancêtres (et cousins lointains) contrôlaient leur larynx et leur conduit vocal de la même manière que les Hommes actuels, est-ce que la géométrie de leur conduit leur permettaient de produire les structures sonores qui sont pratiquement présentes dans toutes les langues du monde ? Nous présenterons ensuite nos travaux qui participent à la nouvelle réarticulation avec une approche véritablement axée sur la pluridisciplinarité. Ils s'inscrivent dans le domaine des relations entre la morphologie des organes de la production de la parole et son contrôle. Nous présentons de nouveaux résultats concernant la croissance du conduit vocal de la naissance à l'âge adulte puis des reconstructions du conduit vocal pour des fossiles qui couvrent la période de 10.000 ans à un million et demi d'années BP (Before Present). À partir du crâne, de la mandibule et des vertèbres cervicales nous essaierons de manière plausible (1) de localiser l'os hyoïde, support de la langue, et la position de la glotte, (2) de reconstituer un conduit vocal, à l'aide d'un modèle articulatoire, (3) d'induire les possibilités acoustiques de tous ces conduits. En combinant phylogenèse et ontogenèse il est possible de représenter l'anatomie du tractus en synthétisant deux remodelages qui renvoient à l'ontogenèse et à la phylogenèse. Nous montrerons que tous ces conduits ont les mêmes potentialités acoustiques, ils peuvent produire les voyelles /i a u/ qui sont pratiquement présentes dans toutes les langues du monde : un triangle à l'intérieur duquel se situent toutes les autres voyelles. Quand aux consonnes les plus fréquentes /p t k/, /b d g/ elles sont aussi à la portée de tous ces conduits vocaux à partir de gestes de fermeture dans des régions précises (lèvres, zone alvéodentale, zone vélaire). De nouvelles pistes de recherche sont proposées qui tendraient à montrer qu'il y a vraisemblablement plusieurs centaines de milliers, voire plusieurs millions d'années que le conduit vocal présente une morphologie favorable à l'émergence et à la production de la parole. Un cadre est posé dans lequel les capacités orofaciales nécessaire à la parole pourraient être reliées au mécanisme précurseur d'ingestion (mastication-déglutition)