AIX-MARSEILLE UNIVERSITE, UNIVERSITE DE PROVENCE Ecole Doctorale des Sciences de la Vie et de la Santé

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1 AIX-MARSEILLE UNIVERSITE, UNIVERSITE DE PROVENCE Ecole Doctorale des Sciences de la Vie et de la Santé Thèse présentée et soutenue par Stéphane Dufau en vue de l obtention du grade de docteur en Neurosciences de l Université de Provence Auto-organisation des représentations lexicales au cours de l apprentissage de la lecture : approches comportementale, électrophysiologique et neuro-computationnelle Sous la direction de Jonathan Grainger et Claude Touzet Composition du jury : Ludovic Ferrand, Université Blaise Pascal, Clermont-Ferrand Hervé Glotin, Université Sud Toulon-Var Jonathan Grainger, Université de Provence Bernard Lété, Université Lumière Lyon 2 Claude Touzet, Université de Provence Johannes Ziegler, Université de Provence Rapporteur Examinateur Co-directeur Rapporteur Co-directeur Président - - o - - thèse soutenue le 5 décembre o - -

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3 iii Résumé L objectif principal de cette thèse est de développer un modèle neuro-computationnel de l apprentissage de la lecture et d en évaluer la pertinence. Ce modèle est contraint par (i) un jeu de données électrophysiologiques qui montrent que les mots écrits sont codés d une manière spécifique, (ii) un régime d apprentissage réaliste reposant sur la distribution des mots issus des manuels scolaires de l école élémentaire, et enfin (iii) un algorithme d apprentissage non supervisé et un modèle neuro-computationnel biologiquement plausible pour représenter la partie implicite de l apprentissage de la lecture. Les résultats des simulations sont comparés aux performances mesurées chez des enfants. Notre modèle, une carte auto-organisatrice, rend compte des données comportementales mesurées. Ceci renforce l hypothèse d un apprentissage non supervisé des formes orthographiques lors de l acquisition de la lecture. Mots-clés : acquisition de la lecture ; codage orthographique ; bigrammes ; reconnaissance de mots ; potentiels évoqués ; modélisation ; carte auto-organisatrice; apprentissage implicite ; réseau de neurones artificiels. Abstract The main goal of the thesis is to develop a neuro-computational model of the mechanisms involved in learning to read. The model is constrained by (i) electrophysiological data showing the use of a specific orthographic code for words, (ii) a realistic training regime based on the distribution of words in reading manuals used in French primary schools, and finally (iii) an unsupervised learning algorithm and a biologically plausible neurocomputational model in order to represent the implicit part of learning to read. The simulation results are compared to performance in children. Our model, a self-organizing map, successfully simulates the behavioral results. This adds support to the hypothesis of unsupervised learning of orthographic word forms in reading acquisition. Key words: Reading acquisition; orthographic coding; bigrams; word recognition; ERPs; modelisation ; self-organizing map; implicit learning; artificial neural network.

4 iv Remerciements Tous mes remerciements à Jonathan Grainger et Claude Touzet pour la qualité de leur soutien et la richesse des discussions que nous avons pu avoir, aux membres du jury, Ludovic Ferrand, Hervé Glotin, Bernard Lété et Johannes Ziegler, pour leur regard critique sur ce mémoire, à l ensemble de mes collègues du laboratoire de psychologie cognitive, étudiants, chercheurs et enseignants, à Arnaud Rey, Boris Burle, Chotiga Pattamadilok, Delphine Gandini, François-Xavier Alario, Heather Green, Jean-Philippe Petit, Laetitia Perre, Michael Stevens, Niels Janssen, Patrick Lemaire, Phillip Holcomb, Stéphanie Massol et Stéphanie Riès. à ma famille, mes amis, à mes parents, à Aileen et nos enfants, Luke et Harry.

5 v Table des matières 1. INTRODUCTION APPROCHE COMPORTEMENTALE INTRODUCTION METHODE RESULTATS DISCUSSION APPROCHE ELECTROPHYSIOLOGIQUE INTRODUCTION EXPERIENCE Méthode Résultats DISCUSSION APPROCHE NEURO-COMPUTATIONNELLE INTRODUCTION METHODE Carte auto-organisatrice Base d apprentissage Codage des entrées Architecture Entraînment SIMULATIONS Résultats La contribution de la CA DISCUSSION DISCUSSION GENERALE BIBLIOGRAPHIE ANNEXE

6 vi Illustrations et tableaux Figure 1.1. Architecture du modèle de la reconnaissance du mot écrit Figure 1.2. Schéma du traitement orthographique des mots écrits Figure 2.1. Résultats comportementaux de la décision lexicale Tableau 2.1. Synthèse des résultats statistiques de l expérience de décision lexicale Figure 3.1. Déroulement d un essai de l expérience d amorçage masqué Figure 3.2. Modèle du traitement orthographique des mots Figure 3.3. Montage utilisé au cours de l expérience d amorçage décalé Figure 3.4. Effet de la répétition de l amorce sur le potentiel évoqué N/P Figure 3.5. Potentiels évoqués Figure 4.1. Illustration des connexions entre le vecteur d entrée (niveau des lettres) et la carte autoorganisatrice (niveau des mots) Figure 4.2. Carte auto-organisatrice après apprentissage Figure 4.3. Effets comportementaux et simulés (CA+IAM) de la fréquence et de la densité de voisinage orthographique (TR) Figure 4.4. Effets comportementaux et simulés (CA+IAM) de fréquence et de densité de voisinage orthographique (erreurs) Tableau 4.1. Corrélations entre les résultats expérimentaux et les simulations

7 vii Glossaire Amorçage Paradigme expérimental mettant en jeu deux stimuli présentés successivement. La présentation du premier influe sur le traitement cognitif du second. Apprentissage implicite (ou inconscient) Apprentissage inconscient des régularités (dans notre cas, de la fréquence des mots et de leur structure orthographique). Auto-organisation Mise en ordre d un système (dans notre cas le système lexical) sans intervention extérieure. La structuration n est guidée que par les entrées du système. Bigrammes Un bigramme correspond à une suite de deux lettres. Dans le mot «TABLE», on peut distinguer les bigrammes suivants : TA, AB, BL, LE. Les bigrammes ouverts sont des suites de lettres non contigües : TA, TB, TL, TE, AB, AL, AE, BL, BE, LE. EEG Acronyme pour l électroencéphalographie, une technique d enregistrement des potentiels cérébraux Epoch Ensemble d itérations élémentaires. Dans notre cas, chaque mot présenté au réseau est une itération et l ensemble des mots présentés correspondant à un niveau d études est une epoch. Fréquence La fréquence objective renvoie à une notion statistique du langage. Elle correspond, pour un mot donné, au nombre d occurrences de ce mot par rapport à un corpus de mots déterminés.

8 viii Modèle neuro-computationnel Modèle implémenté sur ordinateur reposant sur l architecture fonctionnelle du cerveau. Nonmot /pseudomot Un nonmot (ou pseudomot) est une chaîne de caractères qui n a aucune signification dans une langue donnée et qui, donc, ne correspond pas à un mot de cette langue. Voisinage orthographique d un mot Ensemble des mots orthographiquement similaires à un mot. Pour caractériser sa taille, Coltheart, Davelaar, Jonasson, et Besner (1977) ont proposé la mesure N (N pour Neighbor, «voisin» en anglais). Cette mesure se définit comme étant le nombre de mots différents dans une langue donnée qui peut être créé en changeant seulement une lettre dans un mot donné, tout en préservant la position des autres lettres. Par exemple, le mot «foin» a pour voisins orthographiques : «coin», «foie», «fois», «loin».

9 1. Introduction Tentons une expérience. Prenons conscience que nous sommes entrain de lire. Imaginonsnous face à ces petits signes intelligibles que sont les lettres. Imaginons maintenant un milliard d êtres humains lettrés face à d autres petits signes qui leur sont intelligibles. Imaginons encore la diversité des formes d écriture ; ici un texte anglais, là des mots en Arial, ici une lettre manuscrite, là un gros titre imprimé sur un journal. Nous tous, à quelques exceptions près, lisons d une même manière. Nous assemblons ces lettres en mots dans une même petite partie du cerveau : une telle diversité des codes orthographiques face à cette unicité biologique universelle. Le cheminement des mots dans le cerveau ne se résume cependant pas à l assemblage des lettres en mots. De l impression rétinienne au sens des mots, les chercheurs en sciences cognitives ont dressé une cartographie bien plus complexe. Seidenberg et McClelland (1989) ont proposé une architecture générique de la reconnaissance du mot écrit regroupant trois types de codes conjointement activés lors de la lecture : les codes orthographique, phonologique et sémantique (cf. figure 1). Le code orthographique représente la connaissance de l identité des lettres et de leur position dans le mot. Le code phonologique représente la connaissance des sons du mot parlé. Le code sémantique représente la connaissance du sens du mot.

10 - 2 - sens lettres son Figure 1.1. Architecture du modèle de la reconnaissance du mot écrit (Seidenberg et McClelland, 1989). Lors de test expérimentaux effectué sur ordinateur, on demande à un lecteur par exemple de décider si le stimulus qu il voit est un mot ou une suite aléatoire de lettres (appelée «nonmot»). L expérimentateur mesure le temps de réponse (de l affichage du stimulus à l appui sur un bouton réponse) ainsi que sa justesse. Ces expériences (ici la tache de décision lexicale) ont montré, en contrôlant les propriétés orthographiques, phonologiques et sémantiques des stimuli, que les trois aspects de la reconnaissance influaient sur la performance des lecteurs (pour une revue, voir Grainger et Ziegler, 2008). Plus récemment, ces mêmes expériences ont été effectuées avec une mesure conjointe de l activité électrique cérébrale. L utilisation de l électroencéphalographie (EEG) a permis une meilleure compréhension des phénomènes sous-jacents à la lecture par l analyse du décours temporel des activations neuronales (Grainger et Holcomb, 2008). D autres techniques ont également été utilisées pour localiser les groupes neuronaux impliqués dans la reconnaissance des mots écrits (IRMf, Cohen et al., 2004; Binder et al ; Dehaene et al., 2001 ; PET, Rumsey et el., 1997). Ainsi, grâce à cette recherche fructueuse, le modèle général de la lecture se dessine peu à peu (e.g. Pulvermuller, 1999 ; Perry, Ziegler, et Zorzi, 2007).

11 - 3 - Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés au traitement orthographique des mots. La figure 1.2 montre les étapes successives de ce traitement : reconnaissance des lettres individuelles (voir Grainger, Rey et Dufau, 2008 ; Rey, Dufau, Massol et Grainger, 2008), puis des lettres dans un mot et enfin identification du mot orthographique. Nous avons regroupé sur la gauche de la figure les étapes du traitement sur lesquelles portent les différentes études de cette thèse. La première partie de la thèse porte sur l ensemble des étapes. Nous y présentons des résultats comportementaux issus d une tâche de décision lexicale effectuée par des enfants. La deuxième partie de la thèse porte spécifiquement sur les étapes liées à la position des lettres dans un mot. Nous y rapportons une expérience en EEG confirmant l utilisation d un code orthographique particulier lors de la lecture d un mot. La troisième partie porte sur la représentation du mot orthographique. Nous y présentons un modèle neuro-computationnel de l apprentissage implicite des formes orthographiques. Nous nous servirons des résultats des études exposées aux première et deuxième parties pour construire et valider notre modèle (voir l annexe 1 pour la description du cadre dans lequel cette thèse s est effectuée et la liste des travaux réalisés). L objectif principal de cette thèse est de mettre en jeu, dans un modèle implémenté sur ordinateur, un mécanisme d apprentissage implicite des formes orthographiques et d en évaluer la pertinence. Autrement dit, nous voudrions savoir si un mécanisme auto-organisé (i.e. sans supervision) uniquement conduit par la suite de mots qu il doit traiter est à même de rendre compte des performances mesurées chez les enfants. De nombreuses recherches se sont intéressées à l impact de l apprentissage de la lecture sur le fonctionnement du cerveau (Booth 2004, Castro-Caldas 1998, Frith 1998). Elles ont mis en avant une modification neuronale profonde et permanente une fois l apprentissage de la lecture effectué. Si notre

12 - 4 - modèle s avérait performant, nous aurions un mécanisme candidat à la mise en œuvre de cette modification neuronale. Figure 1.2. Schéma du traitement orthographique des mots écrits.

13 Approche comportementale Pour tester des modèles d apprentissage, il est nécessaire de disposer de données développementales. Dans ce chapitre, nous exposons une expérience chez l enfant qui manipule la fréquence d occurrence des mots et leur densité de voisinage orthographique. L expérience montre que les enfants sont sensibles à la fréquence dès le CP, et que cet effet se maintient au cours de l apprentissage de la lecture Introduction L effet de fréquence des mots est certainement le phénomène le plus stable en psycholinguistique : un mot fréquent dans une langue est traité plus rapidement et plus précisément qu un mot moins fréquent (Balota & Chumbley, 1984; Connine, Mullennix, Shernoff, & Yelen, 1990; Forster & Chambers, 1973; Rubenstein, Garfield, & Millikan, 1970). Cet effet a été trouvé dans de nombreux types de tache (décision lexicale, dénomination, identification perceptive, catégorisation sémantique, démasquage progressive pour une revue, voir Monsell, 1991). Aussi surprenant que cela puisse paraître, aucune étude n a systématiquement manipulé la fréquence des mots dans une tache de lecture silencieuse chez l enfant. En lecture à voix haute, quelques études ont mis en évidence un effet de fréquence en début d apprentissage. Par exemple, Ducrot, Lété, Sprenger-Charolles, Pynte et Billard (2003) ont montré que l effet de fréquence dans les mots correctement prononcés était déjà présent au cours préparatoire (le gain de précision entre les mots de haute et de basse fréquence était de 25%). De même, Sprenger-Charolles, Siegel and Bonnet (1998) ont trouvé un gain de 10%. Dans une autre étude manipulant la fréquence des mots chez des enfants

14 - 6 - anglais et allemands de 8 et de 12 ans, Frith, Wimmer & Landerl (1998) ont montré un gain de 19% pour les enfants anglais et de 4% pour les enfants allemands de 8 ans. Les enfants de 12 ans ne produisaient que peu d erreurs. Les taches de lecture à voix haute sont cependant réputées être moins sensible à l effet de fréquence que ne le sont les taches en lecture silencieuse telle que la décision lexicale et l identification perceptive (e.g., Balota & Chumbley, 1984; Monsell, Doyle, & Haggard, 1989). En effet, la lecture à voix haute met en jeu, en plus du traitement orthographique du mot, un traitement phonologique et articulatoire. Le sujet de cette étude étant le développement des représentations orthographiques, nous avons donc besoin de données qui reflètent mieux l accès au lexique orthographique. Nous avons choisi la tache de décision lexicale. A notre connaissance, la seule étude utilisant la décision lexicale en modalité visuelle chez l enfant a été rapporté par Burani, Marcolini and Stella (2002). Ces auteurs ont trouvés que l effet de fréquence était présent et identique (2%) à tous les âges. Cependant, cette étude ne s est intéressée qu aux enfants de 8 à 10 ans et manque ainsi d une perspective réellement développementale. Notre étude s est attachée à donner une telle perspective en mesurant les performances des enfants du CP au CM2 (6 à 10 ans). Enfin, les études précédentes ont estimé les fréquences d occurrences des mots à partir d un lexique adulte. Ceci pose un problème important puisque un mot fréquent chez l adulte peut ne pas l être chez l enfant (par exemple «impôt»). La fréquence d un mot peut également changer au cours de l apprentissage de la lecture : un mot comme «camion» est plus fréquent en CP qu en CM2. Pour le choix des mots utilisés dans notre étude, nous avons utilisé la base de données MANULEX (Lété, Sprenger-Charolles, & Colé, 2004) qui prend en compte ces changements de fréquence en étudiant le lexique de manuels scolaires d apprentissage de la lecture pour les niveaux d études CP à CM2 (5 niveaux).

15 Méthode Dans cette expérience, nous avons comparé les temps de décision lexicale en modalité visuelle chez des élèves du CP, CE1, CE2, CM1 et CM2. La fréquence lexicale et la densité de voisinage orthographique ont été manipulées dans un plan croisé. Matériel. Cinquante six mots de 4 et 5 lettres ont été choisi dans la base lexicale Manulex (Lété et al., 2004) répondant aux critères d équilibre croisé, pour chaque groupe d âge, de haute fréquence lexicale - noté HF - et basse fréquence lexicale - noté BF - (28 mots HF et 28 mots BF) ainsi qu aux critères de haut voisinage orthographique - noté HV - et bas voisinage orthographique - noté BV - (28 mots HV et 28 mots BV), donnant ainsi 14 mots par condition. Les mots HF avaient en moyenne 517 occurrences par million et les mots BF 20 occurrences. Les mots HV avaient en moyenne 7 voisins orthographiques et les mots BV 1 voisin (norme N ; Coltheart, Davelaar, Jonasson & Besner, 1977). La taille du voisinage orthographique et la fréquence lexicale ont été calculé sur le corpus entier de Manulex, en contrôlant que les critères utilisés pour sélectionner chaque mot devaient être respectés pour chaque niveau d études particulier. Cinquante six nonmots (28 nonmots prononçables et 28 nonmots non prononçables) ont été générés, ce qui porte à 112 le nombre de stimuli vus par chaque participant. Vingt-huit autres stimuli (14 mots et 14 nonmots) ont servi à la phase d entraînement. Il est à noter que seuls les résultats des mots seront analysés dans ce chapitre. Participants. Cent quarante enfants ont été pré-testés : 25 étaient en classe de CP, 24 en CE1, 25 au CE2, 41 au CM1, et 25 au CM2. Les participants retenus pour l analyse de données ont été sélectionné sur la base de le leur niveau de lecture mesuré par le test de l Alouette (Alouette: Lefavrais, 1965). Seuls les enfants dont le niveau de lecture mesuré correspondait à leur âge ont été retenus. Ainsi, les données de 20 enfants par groupe ont été inclus dans

16 - 8 - l analyse (excepté au CM1, 10 enfants). L âge moyen de lecture était 6 ans 11 mois au CP, 7 ans et 6 mois au CE1, 8 ans et 6 mois au CE2, 9 ans 9 mois au CM1, et 10 ans 6 mois au CM2. Procédure. L expérience consistait en une tâche de décision lexicale effectuée sur ordinateur. Les enfants étaient assis à une distance de 60 cm d un écran cathodique (17 pouces) connecté à un ordinateur portable (Pentium III). La présentation des stimuli a été gérée par le logiciel DMDX (Forster & Forster, 2003). Les stimuli étaient affichés en minuscule (police Courier 24 points) avec une résolution de 640 par 480 pixels. Chaque enfant a été testé individuellement en une session unique de 25 minutes environ. Chaque essai était constitué de la séquence suivante : une croix de fixation «+» affichée au centre de l écran pendant 1000 ms, remplacée par un stimulus cible affiché jusqu à la réponse de l enfant. Les boutons réponses du clavier étaient le bouton shift droit pour les mots et le bouton shift gauche pour les nonmots. L expérimentateur demandait aux enfants de répondre le plus vite possible en minimisant les erreurs. L ordre des stimuli cibles a été aléatorisé pour chaque enfant. La phase de familiarisation comportait une série de 28 essais, suivie de la phase expérimentale divisée en 4 blocs de 28 essais Résultats Les moyennes par condition sont présentées sur la figure 2.1, et la synthèse des analyses statistiques sur le tableau 2.1. Les moyennes et analyses correspondant aux nonmots ne sont pas présentées ici, le processus d intérêt étant l accès au lexique orthographique.

17 Effet de fréquence Haute Basse 4000 Effet de voisinage Haut Bas TR (en ms) Niveau d'études Niveau d'études Effet de fréquence Effet de voisinage 60 Haute Basse 60 Haut Bas Erreur (en %) Erreur (en %) Niveau d'études Niveau d'études Figure 2.1. Résultats comportementaux de la décision lexicale sur les mots du CP (niveau d études 1) au CM2 (niveau d études 5). En haut le temps de réponse moyen (en millisecondes) ; en bas le pourcentage d erreurs. Les déviations standards sont représentées par les barres verticales.

18 Effet principal Interaction Condition Significativité Condition Significativité TR Niveau p <.001 Niveau x Fréquence p <.001 Fréquence p <.001 % Erreurs Niveau p <.001 Niveau x Fréquence p <.001 Fréquence p <.001 Tableau 2.1. Synthèse des résultats statistiques de l expérience de décision lexicale. Les moyennes de temps de réponse (TR) et pourcentages d erreur (Err) pour les mots ont été calculés par participant (pour l analyse par participant) et par stimuli (pour l analyse par item) pour chaque niveau d études et pour chaque condition expérimentale. Les essais dont les TR étaient en dessous de 450 ms ou s écartaient à plus de trois écart-types de la moyenne du participant ont été rejetés (2% du total des essais). Une ANOVA 5 (niveau d études) X 2 (fréquence lexicale) X 2 (taille de voisinage) a été réalisée avec les participants (F1) et les items (F2) comme facteurs aléatoires. Pour faciliter la lecture des résultats, les effets simples et les interactions du prochain paragraphe ne sont rapportées que si les valeurs de F1 et de F2 sont significatives. Temps de réponses. L ANOVA a montré un effet principal du niveau d études [F1 (4, 85) = 53.69, p <.001; F2 (4, 208) = , p <.001] avec une baisse des TR en fonction de l apprentissage : les enfants de CM2 étaient trois fois plus rapides que les enfants en CP. L effet principal de la fréquence a montré que les mots de haute fréquence étaient reconnus plus rapidement que les mots de basse fréquence (1357 vs ms, respectivement) [F1 (1, 85) = , p <.001; F2 (1, 52) = 52.00, p <.001]. Une interaction entre le niveau d études

19 et la fréquence a également été montrée [F1 (4, 85) = 10.94, p <.001; F2 (4, 208) = 4.09, p <.001], ce qui reflète le fait que la taille de l effet de fréquence diminuait avec l âge. L effet principal du voisinage n était pas significatif et aucune interaction n a été trouvée avec ce facteur. Erreurs. Comme attendu, l ANOVA a révélé un effet principal du niveau d études [F1 (4, 85) = 25.20, p <.001; F2 (4, 208) = 52.80, p <.001], ce qui indique que les erreurs ont diminué avec l âge : il y avait 34% d erreurs en CP, 22% en CE1, 14% en CE2, 12% en CM1, et 9% en CM2. Les mots de haute fréquence ont produit moins d erreurs que les mots de basse fréquence (8% vs. 28%, respectivement) [F1 (1, 85) = , p <.001; F2 (1, 52) = 32.33, p <.001]. Une interaction significative a été trouvé entre le niveau d études et les fréquence lexicale [F1 (4, 85) = 6.10, p <.001; F2 (4, 208) = 7.49, p <.001], ce qui indique que la taille de l effet de fréquence a diminué avec l age : il y avait -30% d effet en CP, -24% en CE1, -19% en CE2, -13% en CM1 et -12% en CM2. L effet principal du voisinage n était pas significatif et aucune interaction n a été trouvée avec ce facteur Discussion Nous avons cherche à caractériser l effet de fréquence et de voisinage orthographique sur 5 niveaux d études (CP au CM2, soit de 6 à 10 ans environ). Les résultats de l expérience de décision lexicale montrent un fort effet de fréquence dès le cours préparatoire (corroborant ainsi les résultats de Ducrot et al., 2003) ainsi qu un ralentissement de l effet de fréquence au cours du développement. Ces résultats ne sont donc pas en faveur d une hypothèse d un développement conjoint de l effet de fréquence et du lexique orthographique de l enfant. Il est à noter que la présence d un effet de fréquence dès le CP est d autant plus remarquable que l utilisation de la voie phonologique est prépondérante dans les taches de lecture a voix haute

20 chez les enfants de cet âge (Share, 1995; Ziegler & Goswami, 2006). En effet, l utilisation de la voie phonologique conduit à une minimisation des effets de fréquence. Nos données suggèrent ainsi que le développement du lexique orthographique, mesuré ici par les performances en décision lexicale chez les enfants, est sensible à la fréquence d occurrence des mots écrits dès les premiers mois d apprentissage. La manipulation du voisinage orthographique montre, chez les lecteurs débutants, un effet facilitateur non significatif dans les pourcentages d erreur des mots à haute densité de voisins orthographiques (e.g., Laxon, Gallagher, & Masterson, 2002; Laxon, Coltheart, Keating, 1988). Cette tendance est consistante avec les données de Goswami (1993) et de Goswami & Bryant, (1990; 1992) montrant le rôle crucial de la lecture par analogie dans les premiers temps de l apprentissage de la lecture.

21 Approche électrophysiologique Nous exposons dans ce chapitre une expérience qui manipule la position horizontale d un mot sur l écran. Nous montrons que les effets du déplacement, mesurés grâce à la technique de l électroencéphalographie, s inscrivent dans un modèle de la voie orthographique de la lecture Introduction Le paradigme d amorçage avec masquage, où le sujet voit successivement un stimulus «amorce» et un stimulus «cible» séparé par un «masque» (cf. figure 3.1), s est imposé en psycholinguistique comme un outil permettant la manipulation des traitements cognitifs rapides et automatisés mis en jeu lors de la reconnaissance de mots écrits (Kinoshita & Lupker, 2003). Appliqué conjointement à l enregistrement des potentiels évoqués, il a permis d éclairer une partie du décours temporel des processus cognitifs impliqués dans la lecture, et de renseigner pour partie les processus neuronaux sous-jacents.

22 Figure 3.1. Déroulement d un essai de l expérience d amorçage masqué. La présentation de l amorce est précédée et suivie de la présentation d un masque (une suite de dièse). La brièveté de l exposition à l amorce et du deuxième masque (33 et 17 millisecondes respectivement) rend le traitement visuel de l amorce non conscient. La durée de présentation de la cible (300 millisecondes) permet au sujet d être conscient du mot affiché. Un premier écran vide permet la réponse du sujet, suivi d un signe «+» destiné au contrôle des clignements des yeux. Dans l expérience, le déplacement de l amorce par rapport à la position centrée est indiqué par des tirets. La cible est toujours présentée de façon centrale (les tirets ne sont pas affichés dans les essais). Des études récentes (Chauncey, Holcomb, & Grainger, 2008; Holcomb & Grainger, 2006; Kiyonaga, Grainger, Midgley, & Holcomb, 2007) utilisant l effet de répétition de l amorce ont mis à jour une série de potentiels évoqués sensibles à la manipulation de l amorce. La première composante nommée N/P150 se produit entre 90 et 180 millisecondes. Elle est sensible au recouvrement visuel partiel ou total de l amorce et de la cible : l activité est plus intense pour le recouvrement total. L effet d amorçage se traduit ici par une activité focale

23 positive localisée sur les électrodes postérieures et une activité focale négative localisée sur les électrodes antérieures (l amorçage s entend ici par la différence entre, d un coté, une amorce et une cible non répétée, et de l autre coté, une cible qui est la répétition de l amorce). La similarité de cette composante comparée à celles rapportées dans plusieurs études utilisant des mots (Holcomb & Grainger, 2006), des lettres (Petit, Midgley, Holcomb, & Grainger, 2006) et des images d objets (Eddy, Schnyer, Schmid, & Holcomb, 2007) suggère un processus précoce impliqué dans la projection des traits visuels élémentaires sur une représentation des formes orthographiques de plus haut niveau, par exemple les lettres individuelles composants un mot (Grainger & Holcomb, 2008). La deuxième composante nommée N250 se produit entre 180 et 300 millisecondes. Elle est sensible à la relation orthographique entre l amorce et la cible : le couple coton-table produit une activité plus intense que toble-table, table-table ne produisant que peu d activité. L effet d amorçage répété se traduit ici par une négativité plus étendue sur les électrodes antérieures. Cette négativité a été interprétée comme reflétant un processus impliqué dans la projection de formes orthographiques pré-lexicales sur des représentations complètes de mots (Grainger & Holcomb, 2008; Holcomb & Grainger, 2007). La troisième composante nommée N400 se produit entre 330 et 450 millisecondes. Elle est le corolaire plus tardif de la N250. Grainger et Holcomb (2008) interprète cette composante comme reflétant la projection de la représentation complète des mots sur une représentation des concepts (interface forme-sens). Les auteurs de ces différentes études suggèrent que l activité plus intense de la N250 et de la N400 dans la condition non-répétée pourrait provenir de l effort, plus intense, à créer de représentations de plus haut niveau (Holcomb, 1993). Les composantes N/P150 et N250 sont d un intérêt particulier dans notre étude. Elles reflètent les processus précoces dans la reconnaissance visuelle de mot : projection des traits

24 élémentaires sur un banc de détecteurs de lettres indépendants, et projection des lettres abstraites sur un code orthographique qui ne dépend que peu de la position des lettres. Ces deux processus ont été décrit par Grainger et van Hueven (Grainger & Van Heuven, 2004) dans leur modèle du traitement orthographique des mots (figure 3.2). Ces auteurs ont proposé les bigrammes ouverts (paires de lettres contigües et non-contigües) qui mettent en œuvre un code relatif de la position des lettres dans un mot. Figure 3.2. Modèle du traitement orthographique des mots. Une chaîne de lettres, vue par ses traits visuels élémentaires, est traitée en parallèle par un banc de détecteurs de lettres indépendants. Les informations issues des différents détecteurs sont ensuite combinées. On passe alors d un code dépendant de la position absolue des lettres à un code dépendant de leur position relative (ici, S-I et S-L signifient S avant I et S avant L). Enfin, l information issue de la représentation des positions relatives des lettres contrôle le niveau des représentations complètes des mots via des connexions bidirectionnelles excitatrices. A droite, les projections sur des niveaux plus élevés sont caractérisées par leur potentiel évoqué associé (N/P150 et N250).

25 Le banc de détecteurs de lettres est un des éléments clés du modèle. Il suppose un processus d identification des lettres parallèle et indépendant. Les détecteurs de lettres sont invariants aux caractéristiques physiques des lettres (taille et forme), mais sont sensibles à leur position : le banc de détecteurs de lettres code ainsi la présence d une lettre particulière (quelque soit sa forme) à une position particulière. Le deuxième élément clé, la représentation des positions relatives des lettres, code la position relative des lettres à l intérieur d un mot. Ce codage est indépendant de leur forme et de leur taille, et contrairement aux détecteurs précédents, est indépendant de la position du stimulus visuel. L expérience présentée dans ce chapitre s inscrit dans le programme de recherche de Jonathan Grainger et Phillip Holcomb visant à caractériser une architecture fonctionnelle de la reconnaissance des mots écrits (pour une synthèse, voir Grainger et Holcomb, 2008). Leurs recherches ont permis de mettre à jour la série de composantes électrophysiologiques décrite plus haut, et de lier cette série aux différentes étapes du traitement orthographique d un mot. Ces chercheurs ont par la suite voulu décrire plus finement les premières étapes de leur modèle dans une expérience d amorçage masqué manipulant l aspect visuel des mots cibles (Chauncey et al., 2008). Dans cette expérience, les facteurs manipulés étaient la police de caractères (Arial et Gigi), la taille des caractères (30 et 44 points) et la répétition de l amorce. L effet d amorçage a été observé sur les composantes N250 et N400 quelle que soit la taille et la police. En revanche, la composante N/P150 n a été sensible à la répétition que dans la condition où la police de l amorce et celle de la cible était identique. Les auteurs ont ainsi confirmé l interprétation de la composante N/P150 comme étant impliquée dans le traitement des traits visuels élémentaires des lettres. Ils ont également confirmé que les composantes N250 et N400 reflétaient des processus qui s établissent une fois l invariance de forme et de taille achevée.

26 Cependant, en manipulant la police de caractères, cette expérience postule l existence d une représentation abstraite de lettres indépendante de la police. Les traits élémentaires d un a écrit dans la police Arial ou écrit dans la police Gigi se projetteraient sur une représentation canonique du a (voir Grainger, Rey, et Dufau, 2008, pour une revue de questions sur la nature de ces représentations abstraites). Outre le fait que ce processus d unification des polices soit mal caractérisé, la manipulation du facteur police fait intervenir ce processus dans une condition (Gigi-Arial) mais pas dans l autre (Arial-Arial). Pour parer à cette critique, il convenait de trouver un facteur expérimental plus robuste : la position de l amorce. Dans le cas où le mot amorce est d une police, d une taille et d une casse (i.e. minuscule ou majuscule) identique au mot cible, le facteur «déplacement horizontal du mot amorce» a l avantage de mettre en jeu des processus orthographiques élémentaires identiques quelque soit les niveaux de déplacement. Dans une expérience d amorçage masqué manipulant la répétition de l amorce et la position horizontale de l amorce par rapport à une cible toujours présentée au centre de l écran, nous devrions observer des effets similaires à ceux observés dans Chauncey et al. (2008), à savoir que les effets d amorçage sur la N/P150 ne seraient présents que lorsque les lettres de l amorce et celles de la cible se recouvriraient parfaitement (i.e. amorce et cible présentées au centre de l écran). Nous pouvons ainsi attendre que: - les composantes N/P150, N250 et N400 soient modulées par la répétition de l amorce, - le composante N/P150 soit modulée par la position de l amorce, avec une réduction de l effet d amorçage lorsque l amorce et la cible sont présentées à des positions différentes, - les composantes N250 et N400 ne soient pas modulées par la position de l amorce.

27 Expérience Méthode Participants. Trente trois participants droitiers (22.8 ans de moyenne d âge; 12 participantes), de langue maternelle française, étudiant à l Université de Provence, se sont prêtés à l expérience contre rétribution financière. Tous ont rapporté avoir une vision normale ou corrigée. Stimuli. Quatre cent quatre vingt mots ont été sélectionnés dans la base de données lexicale Lexique (New, Pallier, Brysbaert, & Ferrand, 2004). Les mots avaient de 4 à 6 lettres (moyenne de 5.28 lettres) et leur fréquence lexicale allait de 10 à 50 occurrences par million. Trente de ces mots étaient des noms d animaux. Ces derniers ont servi de stimuli test dans les essais non critiques et n ont pas été inclus dans l analyse statistique. Les 450 mots restants ont servi d amorce et de cible dans les essais critiques. Le plan expérimental comportait 2 facteurs principaux croisés. Le premier facteur, Répétition, avait 2 niveaux (l amorce est identique à la cible, ou l amorce est différente de la cible), et le second facteur, Position, avait 3 niveaux (l amorce est décalée d une lettre à gauche par rapport à la cible présentée au centre, l amorce est décalée d une lettre à droite, ou l amorce est présentée au centre à la même position que celle de la cible). Les 450 stimuli ont été contrebalancés dans 9 listes différentes de telle manière que chaque mot a été testé soit en cible (dans chacune des 6 conditions expérimentales relatives aux facteurs Position et Répétition), soit en amorce (dans chacune des 3 conditions expérimentales relatives au facteur Position dans la condition non répétée). Dans chacune des 9 listes, chacun des 450 mots n apparaissait qu un fois, soit en amorce soit en cible. Ce plan expérimental permet de faire des comparaisons de potentiels évoqués moyennés par condition incluant les mêmes mots dans chacune des conditions. Les stimuli étaient distribués aléatoirement dans 3 blocs expérimentaux permettant au sujet de se reposer entre les blocs. Chaque bloc était constitué de 100 essais critiques (50 essais répétés et 50 non

28 répétés), et de 10 essais non critiques affichant des noms d animaux (10% de la totalité des essais). Procédure. A chaque essai, les participants voyaient s afficher une paire de mots dans un paradigme d amorçage masqué (cf. figure 3.1). Ils devaient décider si le mot cible était un nom d animal, et dans ce cas appuyer sur un bouton réponse. Les noms d animaux apparaissaient tous les 10 essais en moyenne. Pour tous les autres stimuli, les participants devaient s abstenir de fournir une réponse (procédure Go-NoGo). Après avoir rempli un formulaire de consentement éclairé, les participants remplissaient un questionnaire relatif à leur latéralité manuelle. Les participants étaient assis confortablement dans une salle partiellement isolée des bruits et de la lumière extérieurs. Ils faisaient face à un écran cathodique de 17 pouces placé à 90 cm d eux où s affichaient les stimuli. Ces derniers s affichaient en blanc (police courier new, taille 18) sur un fond noir (résolution de 800 par 600 pixels). Tous les mots étaient présentés en minuscule. Chaque essai consistait en un prémasque de 500 ms, suivi d un mot amorce de 33 ms, d un post-masque de 17 ms, d un mot cible de 300 ms, d un écran vide de 900 ms, et d un stimulus de 2000 ms indiquant au sujet que les clignements étaient permis. L intervalle inter-essai était de 400 ms. L expérience était précédée d une phase d entraînement (20 mots dont 2 noms d animaux). Les stimuli de la phase d entraînement n étaient pas utilisés dans la phase expérimentale. La durée totale d une passation était d environ 2 heures, pauses inter-blocs comprises. Test de visibilité de l amorce. Après la phase expérimentale, les participants passaient un test de visibilité de l amorce. Ils devaient catégoriser, dans une tâche de choix forcé utilisant la même procédure que celle décrite plus haut, non plus les mots cibles mais les mots amorces. Les mots utilisés dans ce test n apparaissaient ni dans la phase expérimentale ni dans la phase d entraînement. Ces mots étaient contrôlés sur leur longueur et leur fréquence de la même manière que ceux de la phase expérimentale. La sensibilité à l amorce a été évaluée par la

29 mesure d, effectuée pour chaque sujet (moyenne de , déviation standard de 0.27). Un test de différence de distributions entre cette distribution et une distribution nulle n a pas montré de différence significative, t(24) = 0.48, p>.1, ce qui indique que les participants ont répondu au niveau de la chance et n avaient donc pas conscience de la nature de l amorce. Enregistrement EEG. L activité électrique cérébrale de surface a été enregistrée et échantillonnée par un système ActiveTwo à électrodes actives (Biosemi). Soixante-quatre électrodes placées sur un bonnet élastique (Electro-Cap) et positionnées suivant les recommandations du système international (American Clinical Neurophysiology Society, 2006) ont été utilisées. Ce montage inclut 10 sites d enregistrement sur la ligne médiale, et 27 sites sur chaque hémisphère (cf. figure 3). Deux électrodes (CMS/DRL) placées près de Pz ont servi de référence de mesure (pour une description complète, voir Schutter, Leitner, Kenemans and van Honk, 2006; Quatre électrodes additionnelles ont été utilisées pour enregistrer les activités oculaires (mouvements et clignements ; 2 placées sur les tempes et 2 placées sous les yeux). Enfin, 2 électrodes ont été utilisées pour enregistrer l activité au niveau des mastoïdes. Ces électrodes ont servi de référence a posteriori. L activité électrique a été échantillonnée à 256 Hz. Le signal a ensuite été filtré par un filtre passe-bas (20 Hz, 24 db/octave) implémenté dans le logiciel EEGLAB (Delorme & Makeig, 2004). Tous les activités électriques ont été ensuite re-référencées sur l activité de l électrode mastoïdienne gauche. Les potentiels évoqués ont été extraits de l électroencéphalogramme (100 ms avant l apparition de l amorce et 800 ms après la disparition de la cible). Les 100 premières millisecondes ont servi de ligne de base. Les essais contenant une activité électrique de forte amplitude (+/- 50µV) et les essais contenant une activité liée aux mouvements oculaires ont été exclus de l analyse. Afin de maintenir un fort rapport signal sur bruit, une limite basse de 30 essais par participant et par condition a été établie. Les données des participants ayant commis plus de 25% d erreur sur les items tests

30 ont également été exclues. Sur ces bases, 8 participants ont été exclus (25 participants restants). En tout, 11.9% des essais ont été rejetés. Analyse des potentiels évoqués. Un plan multi-factoriel à mesures répétées a été utilisé pour l analyse des données avec l amplitude moyenne comme variable dépendante. L analyse principale incluait les facteurs Répétition (amorce et cible identiques ou non) et Position (amorce présentée à gauche, au centre ou à droite). Les fenêtres de mesure ont été déterminées par inspection visuelle des potentiels évoqués. La composante N/P150 a ainsi été associée à la fenêtre ms, la composante N250 à ms, et enfin la composante N400 à ms. L amplitude moyenne de ces trois fenêtres temporelles a été analysée en regroupant les électrodes en 4 colonnes (Holcomb, Reder, Misra, & Grainger, 2005; voir figure 3.3). Ce regroupement permet une analyse de la distribution des effets par régions : régions gauche et droite correspondant aux hémisphères (facteur Hémi) et régions antérieure et postérieure (facteur AntPost). Le plan global d analyse a ainsi été : 2 (Répétition) X 3 (Position) X 2 (Hémisphère) X 2 (Antéropostérieur). Une région additionnelle, spécifique à l onde N/P150 (Chauncey et al., 2008) a été analysée. Cette dernière inclut les électrodes frontales FP1 et FP2, et occipitales O1 et O2. Les résultats des ANOVA ont été corrigés par la méthode de Greenhouse-Geisser (Jennings & Wood, 1976).

31 Figure 3.3. Montage utilisé au cours de l expérience d amorçage décalé. Les enregistrements (64 sites) ont été analysés suivant un regroupement en colonne Résultats ms post-cible. Une interaction Répétition X Position X AntPost à la colonne 4 a été trouvée, F(2,48)=3.63, p=0.03. Cette interaction reflète les effets de répétition de l amorce s établissant uniquement lorsque les amorces étaient à la même position centrale que les cibles (interaction Répétition X AntPost pour les amorces centrales, F(1,24)=12.22, p=0.002). Dans cette condition, la répétition des amorces a produit une onde plus positive aux électrodes frontales et une onde plus négative aux électrodes occipitales. L interaction Répétition X AntPost n était pas significative lorsque les amorces étaient déplacées vers la gauche ou la droite (p > 0.3, voir figure 3.4). En se basant sur les résultats de Chauncey et al. (2008) montrant un plus grand effet N/P150 sur l hémisphère droit aux sites frontaux et occipitaux, nous avons analysé spécifiquement les sites FP1/FP2/O1/O2. Une interaction Répétition X Position X AntPost a été trouvée, F(2,48)=3.78, p=0.03, alors que l interaction Répétition X Position X Hémi n était pas significative (p=0.12). L interaction Répétition X Position était

32 significative en O2, F(2,48)=3.99, p=0.03, et non en FP2. En O1, l interaction Répétition X Position n était pas significative (p=0.44). En O2, un effet de Répétition a été trouvé lorsque les amorces n étaient pas déplacées, F(1,24)=16.10, p<0.001, alors que cet effet n a pas été trouvé lorsque les amorces étaient déplacées (p > 0.6) ms post-cible. Dans cette fenêtre, les amorces non répétées ont produit une onde plus négative que les amorces répétées (cf. figure 3.5). Un effet principal de Répétition a été trouvé pour chaque colonne (Colonne 1, F(1,24)=9.60, p=0.005; Colonne 2, F(1,24)=8.16, p=0.008; Colonne 3, F(1,24)=10.24, p=0.003; Colonne 4, F(1,24)=10.97, p=0.002), ainsi qu une interaction Répétition X AntPost aux colonne 1 et 2 (Colonne 1, F(1,24)=8.68, p=0.007; Colonne 2, F(1,24)=10.25, p=0.003). Ces interactions étaient dues à l effet de Répétition plus fort aux électrodes centrales et antérieures. Le facteur Répétition n a pas interagi avec le facteur Position dans cette fenêtre temporelle (p > 0.8) ms post-cible. Dans cette fenêtre, comme précédemment, les amorces non répétées ont généré une onde plus négative que les amorces répétées, F(1,24)=6.74, p=0.02 (cf. figure 3.5). Toutes les colonnes ont montré un effet de Répétition, excepté la colonne 4 (Colonne 1, F(1,24)=6.61, p=0.02; Colonne 2, F(1,24)=12.22, p=0.001; Colonne 3, F(1,24)=8.40, p=0.008). Une interaction Répétition X AntPost a été trouvée aux colonnes 1 (F(1,24)=5.25, p=0.03) et 2 (F(1,24)=8.30, p=0.008), due à un effet de Répétition plus élevé aux électrodes antérieures. Ici aussi, le facteur Répétition n a pas interagi avec le facteur Position dans cette fenêtre temporelle (p > 0.4). Ainsi, l analyse des potentiels évoqués sur les trois fenêtres temporelles a révélée une différence d activité moyenne de la composante N/P150 entre la condition répétée et non répétée uniquement lorsque l amorce et la cible étaient centrées (cf. figure 3.4). Cette analyse

33 a également révélée que les composantes N250 et N400 étaient sensibles à la répétition de l amorce et ce quelle que soit la position de l amorce. Figure 3.4. Effet de la répétition de l amorce sur le potentiel évoqué N/P150. Les cartographies représentent la différence d amplitudes moyennes (entre 90 et 180 millisecondes) entre la condition répétée (ou reliée - courbe noire) et non répétée (ou non reliée - courbe rouge). Les conditions de décalage de l amorce vers la gauche et vers la droite sont représentées à gauche (a) et à droite (c). La condition de présentation centrée est au centre (b). Pour chaque condition, les potentiels évoqués sont représentés aux électrodes FP2 et O2.

34 Figure 3.5. Panneau A. Potentiels évoqués de 9 sites d enregistrement. Les potentiels sont moyennés sur toutes les conditions non répétées (ou non reliées pointillé), sur la condition répétée (ou reliée) en présentation centrale (plein), et sur les deux conditions répétées (ou reliées) en présentation décalée (pointillé-plein). Panneau B. Résultats détaillés de l électrode CP1 montrant l effet de répétition de l amorce quand l amorce est décalée d une lettre vers la gauche (a), présentée centralement (b), ou décalée d une lettre vers la droite (c).

35 Discussion Nous avons examiné les effets du déplacement de l amorce sur les effets de répétition en amorçage masqué. Les cibles étaient toujours présentées au centre, et les amorces étaient soit présentées au centre, soit décalées vers la gauche ou vers la droite. Les effets de répétition ont été trouvés sur les trois composantes N/P150, N250 et N400 décrites dans des études précédentes (Chauncey et al., 2008 ; Holcomb 2006 ; Kiyonaga et al., 2007). Nous avons trouvé que la N/P150 est sensible au déplacement de l amorce, les effets de répétition étant présents uniquement lorsque l amorce et la cible était affichée au centre de l écran. Un léger déplacement de l amorce conduit ainsi à une absence de l effet de répétition sur cette composante précoce. Les détecteurs de lettres individuelles du modèle de Grainger et van Heuven (2003) possèdent une sensibilité spatiale suffisante pour expliquer ce résultat. Nous pouvons conclure que la composante N/P150 rapportée dans notre étude reflète la projection de l information visuelle élémentaire vers ces représentations de lettres dépendantes de la position. Dans une étude utilisant la technique de localisation IRMf, Dehaene et al. (2004) situe ce traitement neuronal dans le gyrus fusiforme postérieur gauche qui contiendrait des neurones codant la présence de lettres abstraites à une position particulière de la rétine. Le fait que notre effet de changement de position de l amorce soit visible en O2 et FP2 (i.e. sur l hémisphère droit) n infirme ni ne confirme les résultats de Dehaene (2004). En effet, la technique de l EEG employée dans notre expérience ne permet pas de faire des hypothèses de localisation des groupes neuronaux responsables de la différence d activité enregistrée à la surface du scalp : des neurones s activant sur le cortex de l hémisphère gauche peuvent très bien être responsables d une activité de surface mesurée sur les électrodes de l hémisphère droit. Dans notre étude, le compte-rendu spatial des effets du changement de position n est que descriptif. D autre part, le choix de la référence (ici, l activité enregistrée sur la mastoïde gauche) atténue les effets du changement de position de

36 l amorce mesurés sur les électrodes avoisinantes puisque la référence enregistre également une partie de ces effets (ici, la référence est proche de O1). On peut penser qu un autre choix de référence (e.g. une référence qui est la moyenne des activités de toutes les électrodes), ou qu une autre mesure que l amplitude moyenne (e.g. la densité de courant qui est indépendante du choix de la référence) permettrait de trouver des effets bilatéraux, voire localisés uniquement en FP1/O1. Cependant, le but de notre étude n est pas la localisation neuronale : notre étude décrit au niveau spatial et temporel des effets de surface, description qui est comparée aux études antérieures utilisant le même protocole d enregistrement et de traitement de l EEG. Plus tardivement dans le traitement d un mot, le déplacement de l amorce ne joue pas sur les effets observés des composantes N250 et N400. Ce résultat suggère que la N250 et la N400 reflètent un traitement du code orthographique indépendant de la position (cf. figure 3.2). Ce résultat est corroboré par une étude de Marzouki et Grainger (2008) qui montre que l effet de répétition sur une cible présentée au centre n est que peu sensible à un déplacement léger de l amorce (déplacement de +/- 2 ). Ces auteurs montrent également qu un déplacement plus important de l amorce fait diminuer l effet de répétition, suggérant une limite à notre capacité à intégrer les informations visuelles de deux objets distinctement séparés dans l espace. Les résultats de notre étude manipulant un déplacement léger de l amorce s intègrent ainsi parfaitement dans le modèle de Grainger et van Heuven (2003) qui se trouve ainsi conforté.