Published June 23, 2022 | Version v1
Publication Open

LaDIVA: A neurocomputational model providing laryngeal motor control for speech acquisition and production

  • 1. Boston University
  • 2. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
  • 3. Federico Santa María Technical University
  • 4. University of Washington

Description

Many voice disorders are the result of intricate neural and/or biomechanical impairments that are poorly understood. The limited knowledge of their etiological and pathophysiological mechanisms hampers effective clinical management. Behavioral studies have been used concurrently with computational models to better understand typical and pathological laryngeal motor control. Thus far, however, a unified computational framework that quantitatively integrates physiologically relevant models of phonation with the neural control of speech has not been developed. Here, we introduce LaDIVA, a novel neurocomputational model with physiologically based laryngeal motor control. We combined the DIVA model (an established neural network model of speech motor control) with the extended body-cover model (a physics-based vocal fold model). The resulting integrated model, LaDIVA, was validated by comparing its model simulations with behavioral responses to perturbations of auditory vocal fundamental frequency (fo) feedback in adults with typical speech. LaDIVA demonstrated capability to simulate different modes of laryngeal motor control, ranging from short-term (i.e., reflexive) and long-term (i.e., adaptive) auditory feedback paradigms, to generating prosodic contours in speech. Simulations showed that LaDIVA's laryngeal motor control displays properties of motor equivalence, i.e., LaDIVA could robustly generate compensatory responses to reflexive vocal fo perturbations with varying initial laryngeal muscle activation levels leading to the same output. The model can also generate prosodic contours for studying laryngeal motor control in running speech. LaDIVA can expand the understanding of the physiology of human phonation to enable, for the first time, the investigation of causal effects of neural motor control in the fine structure of the vocal signal.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

العديد من اضطرابات الصوت هي نتيجة لضعف عصبي و/أو ميكانيكي حيوي معقد غير مفهوم بشكل جيد. وتعوق المعرفة المحدودة بآلياتها المسببة للمرض والفسيولوجيا المرضية الإدارة السريرية الفعالة. تم استخدام الدراسات السلوكية بالتزامن مع النماذج الحسابية لفهم التحكم الحركي الحنجري النموذجي والمرضي بشكل أفضل. ومع ذلك، لم يتم حتى الآن تطوير إطار حسابي موحد يدمج من الناحية الكمية نماذج الصوتيات ذات الصلة من الناحية الفسيولوجية مع التحكم العصبي في الكلام. هنا، نقدم LaDIVA، وهو نموذج حاسوبي عصبي جديد مع تحكم حركي حنجري قائم على الفسيولوجيا. قمنا بدمج نموذج DIVA (نموذج شبكة عصبية راسخة للتحكم الحركي في الكلام) مع نموذج غطاء الجسم الموسع (نموذج الطي الصوتي القائم على الفيزياء). تم التحقق من صحة النموذج المتكامل الناتج، LaDIVA، من خلال مقارنة نماذج المحاكاة الخاصة به مع الاستجابات السلوكية لاضطرابات التغذية الراجعة للتردد الصوتي الأساسي (fo) لدى البالغين الذين يعانون من الكلام النموذجي. أظهرت LaDIVA القدرة على محاكاة أنماط مختلفة من التحكم الحركي في الحنجرة، بدءًا من نماذج التغذية الراجعة السمعية قصيرة الأجل (أي الانعكاسية) وطويلة الأجل (أي التكيفية)، إلى توليد ملامح عرضية في الكلام. أظهرت المحاكاة أن التحكم الحركي الحنجري في LaDIVA يعرض خصائص التكافؤ الحركي، أي أن LaDIVA يمكن أن يولد بقوة استجابات تعويضية للاضطرابات الصوتية الانعكاسية مع مستويات تنشيط أولية متفاوتة لعضلات الحنجرة مما يؤدي إلى نفس المخرجات. يمكن للنموذج أيضًا توليد ملامح عرضية لدراسة التحكم الحركي للحنجرة في الكلام الجاري. يمكن لـ LaDIVA توسيع فهم فسيولوجيا الصوت البشري لتمكين، لأول مرة، من التحقيق في الآثار السببية للتحكم الحركي العصبي في البنية الدقيقة للإشارة الصوتية.

Translated Description (French)

De nombreux troubles de la voix sont le résultat de déficiences neuronales et/ou biomécaniques complexes qui sont mal comprises. La connaissance limitée de leurs mécanismes étiologiques et physiopathologiques entrave une prise en charge clinique efficace. Des études comportementales ont été utilisées en même temps que des modèles informatiques pour mieux comprendre le contrôle moteur laryngé typique et pathologique. Jusqu'à présent, cependant, un cadre informatique unifié qui intègre quantitativement des modèles de phonation physiologiquement pertinents avec le contrôle neuronal de la parole n'a pas été développé. Ici, nous présentons LaDIVA, un nouveau modèle neurocomputationnel avec contrôle moteur laryngé basé sur la physiologie. Nous avons combiné le modèle DIVA (un modèle de réseau neuronal établi de contrôle moteur de la parole) avec le modèle de couverture corporelle étendue (un modèle de pli vocal basé sur la physique). Le modèle intégré résultant, LaDIVA, a été validé en comparant ses simulations de modèle avec les réponses comportementales aux perturbations de la rétroaction de la fréquence fondamentale vocale (fo) auditive chez les adultes avec un discours typique. LaDIVA a démontré sa capacité à simuler différents modes de contrôle moteur laryngé, allant des paradigmes de rétroaction auditive à court terme (c.-à-d. réflexif) et à long terme (c.-à-d. adaptatif), à la génération de contours prosodiques dans la parole. Les simulations ont montré que le contrôle moteur laryngé de LaDIVA présentait des propriétés d'équivalence motrice, c'est-à-dire que LaDIVA pouvait générer de manière robuste des réponses compensatoires aux perturbations vocales réflexes avec des niveaux initiaux variables d'activation des muscles laryngés conduisant à la même sortie. Le modèle peut également générer des contours prosodiques pour étudier le contrôle moteur laryngé dans la parole courante. LaDIVA peut élargir la compréhension de la physiologie de la phonation humaine pour permettre, pour la première fois, l'étude des effets causaux du contrôle moteur neuronal dans la structure fine du signal vocal.

Translated Description (Spanish)

Muchos trastornos de la voz son el resultado de intrincadas deficiencias neuronales y/o biomecánicas que no se comprenden bien. El limitado conocimiento de sus mecanismos etiológicos y fisiopatológicos dificulta un manejo clínico eficaz. Los estudios de comportamiento se han utilizado simultáneamente con modelos computacionales para comprender mejor el control motor laríngeo típico y patológico. Hasta ahora, sin embargo, no se ha desarrollado un marco computacional unificado que integre cuantitativamente modelos fisiológicamente relevantes de fonación con el control neuronal del habla. Aquí, presentamos LaDIVA, un nuevo modelo neurocomputacional con control motor laríngeo de base fisiológica. Combinamos el modelo DIVA (un modelo de red neuronal establecido de control motor del habla) con el modelo de cubierta corporal extendida (un modelo de pliegue vocal basado en la física). El modelo integrado resultante, LaDIVA, se validó comparando sus simulaciones de modelo con respuestas conductuales a perturbaciones de la retroalimentación auditiva de frecuencia fundamental vocal (fo) en adultos con habla típica. LaDIVA demostró capacidad para simular diferentes modos de control motor laríngeo, que van desde paradigmas de retroalimentación auditiva a corto plazo (es decir, reflexiva) y largo plazo (es decir, adaptativa), hasta la generación de contornos prosódicos en el habla. Las simulaciones mostraron que el control motor laríngeo de LaDIVA muestra propiedades de equivalencia motora, es decir, LaDIVA podría generar respuestas compensatorias robustas a las perturbaciones vocales reflexivas con diferentes niveles iniciales de activación muscular laríngea que conducen a la misma salida. El modelo también puede generar contornos prosódicos para estudiar el control motor laríngeo en el habla de carrera. LaDIVA puede ampliar la comprensión de la fisiología de la fonación humana para permitir, por primera vez, la investigación de los efectos causales del control motor neural en la estructura fina de la señal vocal.

Files

journal.pcbi.1010159&type=printable.pdf

Files (2.8 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:a5ee48e21b9d3b9c09ac883efab43406
2.8 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
LaDIVA: نموذج حاسوبي عصبي يوفر التحكم الحركي في الحنجرة لاكتساب الكلام وإنتاجه
Translated title (French)
LaDIVA : Un modèle neurocomputationnel fournissant un contrôle moteur laryngé pour l'acquisition et la production de la parole
Translated title (Spanish)
LaDIVA: Un modelo neurocomputacional que proporciona control motor laríngeo para la adquisición y producción del habla

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4283359641
DOI
10.1371/journal.pcbi.1010159

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Argentina

References

  • https://openalex.org/W1529036842
  • https://openalex.org/W1572205809
  • https://openalex.org/W169745891
  • https://openalex.org/W1837524184
  • https://openalex.org/W1890977971
  • https://openalex.org/W1965375508
  • https://openalex.org/W1965568217
  • https://openalex.org/W1966290010
  • https://openalex.org/W1967535968
  • https://openalex.org/W1969330430
  • https://openalex.org/W1970502947
  • https://openalex.org/W1971215965
  • https://openalex.org/W1971254995
  • https://openalex.org/W1971909910
  • https://openalex.org/W1972394031
  • https://openalex.org/W1972620250
  • https://openalex.org/W1977494392
  • https://openalex.org/W1977638188
  • https://openalex.org/W1981964698
  • https://openalex.org/W1985492960
  • https://openalex.org/W1987598804
  • https://openalex.org/W1988857460
  • https://openalex.org/W1990745972
  • https://openalex.org/W1995351869
  • https://openalex.org/W1995544167
  • https://openalex.org/W1997438002
  • https://openalex.org/W1997912672
  • https://openalex.org/W1999337084
  • https://openalex.org/W1999549814
  • https://openalex.org/W2002322456
  • https://openalex.org/W2006633963
  • https://openalex.org/W2010450158
  • https://openalex.org/W2011934537
  • https://openalex.org/W2014006644
  • https://openalex.org/W2015118097
  • https://openalex.org/W2015904131
  • https://openalex.org/W2017095787
  • https://openalex.org/W2019072566
  • https://openalex.org/W2020884420
  • https://openalex.org/W2022045190
  • https://openalex.org/W2023733739
  • https://openalex.org/W2024501751
  • https://openalex.org/W2024631555
  • https://openalex.org/W2024712776
  • https://openalex.org/W2025743655
  • https://openalex.org/W2026952173
  • https://openalex.org/W2028185887
  • https://openalex.org/W2029206082
  • https://openalex.org/W2034079859
  • https://openalex.org/W2037023429
  • https://openalex.org/W2037327576
  • https://openalex.org/W2037506348
  • https://openalex.org/W2039201033
  • https://openalex.org/W2042367731
  • https://openalex.org/W2045653066
  • https://openalex.org/W2046369628
  • https://openalex.org/W2047815315
  • https://openalex.org/W2049688372
  • https://openalex.org/W2050084978
  • https://openalex.org/W2050642070
  • https://openalex.org/W2053070941
  • https://openalex.org/W2056616607
  • https://openalex.org/W2058255766
  • https://openalex.org/W2068946105
  • https://openalex.org/W2071640183
  • https://openalex.org/W2073440261
  • https://openalex.org/W2075385335
  • https://openalex.org/W2077102570
  • https://openalex.org/W2098060985
  • https://openalex.org/W2098204469
  • https://openalex.org/W2105120198
  • https://openalex.org/W2107387604
  • https://openalex.org/W2109961385
  • https://openalex.org/W2127515058
  • https://openalex.org/W2133935771
  • https://openalex.org/W2138193907
  • https://openalex.org/W2152292809
  • https://openalex.org/W2160698122
  • https://openalex.org/W2166775357
  • https://openalex.org/W2296419945
  • https://openalex.org/W2317136578
  • https://openalex.org/W2329791390
  • https://openalex.org/W2415400111
  • https://openalex.org/W2438191237
  • https://openalex.org/W2466021321
  • https://openalex.org/W2490616841
  • https://openalex.org/W2530921900
  • https://openalex.org/W2561273978
  • https://openalex.org/W2613867659
  • https://openalex.org/W2621481778
  • https://openalex.org/W2743809415
  • https://openalex.org/W2750321287
  • https://openalex.org/W2772841515
  • https://openalex.org/W2788573825
  • https://openalex.org/W2789463793
  • https://openalex.org/W2800535713
  • https://openalex.org/W2809859618
  • https://openalex.org/W2810958285
  • https://openalex.org/W2888517279
  • https://openalex.org/W2901120856
  • https://openalex.org/W2902810477
  • https://openalex.org/W2920964526
  • https://openalex.org/W2928787164
  • https://openalex.org/W2944592655
  • https://openalex.org/W2962923528
  • https://openalex.org/W2985349381
  • https://openalex.org/W3001971561
  • https://openalex.org/W3010024523
  • https://openalex.org/W3018606973
  • https://openalex.org/W3024528630
  • https://openalex.org/W3027919181
  • https://openalex.org/W3039561251
  • https://openalex.org/W3092621346
  • https://openalex.org/W3093753927
  • https://openalex.org/W3104975584
  • https://openalex.org/W3140403552
  • https://openalex.org/W3152378237
  • https://openalex.org/W3164895520
  • https://openalex.org/W3172171392
  • https://openalex.org/W3174563952
  • https://openalex.org/W3174905417
  • https://openalex.org/W3187913699
  • https://openalex.org/W3189822206
  • https://openalex.org/W3194662865
  • https://openalex.org/W3196763083
  • https://openalex.org/W3216840040
  • https://openalex.org/W336490364
  • https://openalex.org/W4205486427
  • https://openalex.org/W4236004775
  • https://openalex.org/W4239602015
  • https://openalex.org/W613434969
  • https://openalex.org/W93420931