The effect of literacy in the speech temporal modulation structure

Abstract

The temporal modulation structure of adult-directed speech is conceptualised as a modulation hierarchy comprising four temporal bands, delta, 1 – 3 Hz, theta, 4 – 8 Hz, beta, 15 – 30 Hz, and low gamma, 30 – 50 Hz. Neuronal oscillatory entrainment to amplitude modulations (AMs) in these four bands may provide a basis for speech encoding and parsing the continuous signal into linguistic units (delta – syllable stress patterns, theta – syllables, beta – onset-rime units, low gamma – phonetic information). While adult-directed speech is theta-dominant and shows tighter theta-beta/low gamma phase alignment, infant-directed speech is delta-dominant and shows tighter delta-theta phase alignment. Although this change in the speech representations could be maturational, it was hypothesized that literacy may also influence the structure of speech. In fact, literacy and schooling are known to change auditory speech entrainment, enhancing phonemic specification and augmenting the phonological detail of the lexicon’s representations. Thus, we hypothesized that a corresponding difference in speech production could also emerge. In this work, spontaneous speech samples were recorded from literate (with lower and higher literacy) and illiterate subjects and their energy modulation spectrum across delta, theta and beta/low gamma AMs as well as the phase synchronization between nested AMs analysed. Measures of the participants’ phonology skills and vocabulary were also retrieved and a specific task to confirm the sensitivity to speech rhythm of the analysis method used (S-AMPH) was conducted. Results showed no differences in the energy of delta, theta and beta/low gamma AMs in spontaneous speech. However, phase alignment between slower and faster speech AMs was significantly enhanced by literacy, showing moderately strong correlations with the phonology measures and literacy. Our data suggest that literacy affects not only cortical entrainment and speech perception but also the physical/rhythmic properties of speech production.

A modulação temporal do discurso dirigido a adultos é conceptualizado como uma hierarquia de modulações em quatro bandas temporais: delta, 1 – 3 Hz, theta, 4 – 8 Hz, beta, 15 – 30 Hz, e low gamma, 30 – 50 Hz. A sincronização das oscilações neuronais nestas quatro bandas pode providenciar a base para a codificação e análise de um sinal contínuo em unidades linguísticas (delta – força silábica, theta – sílabas, beta – arranque/rima, low gamma – informação fonética). Enquanto o discurso dirigido a adultos é de um ritmo predominantemente theta e mostra um forte alinhamento entre bandas theta e beta/low gamma, discurso dirigido a crianças é predominantemente de um ritmo delta e mostra maiores sincronizações entre bandas delta e theta. Apesar das diferenças nas representações do discurso poderem resultar de processos maturacionais, foi hipotetizado que a literacia também poderia influenciar as características rítmicas do discurso. De facto, a literacia afecta o processamento auditivo da linguagem, além de desenvolver a consciência fonémica e aumentar o detalhe fonológico das representações lexicais. Neste estudo foram gravadas amostras de discurso espontâneo de sujeitos letrados (alta e baixa escolarização) e iletrados. Os espectros de modulação de energia nas bandas de interesse foram analisados bem como a sincronização das bandas delta-theta e theta-beta/ low gamma. Foram recolhidas medidas de consciência fonológica e vocabulário e foi realizada também uma tarefa para confirmar a sensibilidade do modelo de análise (S-AMPH) ao ritmo do discurso. A análise revelou ausência de diferenças na energia nas modulações delta, theta ou beta/low gamma no discurso espontâneo. Contudo, a sincronização entre as bandas aumentou significativamente com a literacia, revelando uma correlação moderada com as medidas de fonologia, vocabulário e literacia. Sendo assim, a literacia afecta não só a sincronização cortical e à linguagem falada mas também as propriedades físicas e rítmicas da produção do discurso.