# name
Early developmental trajectories in the encoding of speech sound features: the Influence of sex and bilingualism

# metadata.dc.contributor.other[].value
Universitat de Barcelona. Departament de Psicologia Clínica i Psicobiologia

# metadata.dc.description.abstract[].value
[eng] Early speech acquisition relies on the appropriate maturation of the auditory system and
the fine-tuning to a range of speech sound features that define a particular language. This
process initiates early in development as the auditory system becomes functional during the
third trimester of gestation. From that moment, fetuses are exposed to a variety of sounds, both
internal and external to the maternal womb, and the speech acoustic signal is first encountered.
Still, the auditory system and infant acoustic capacities are not fully developed at birth and
overcome a marked maturation during the first infant year, with key developmental processes
such as neuronal migration to the auditory cortex and myelination of the auditory brainstem
extended into this infant stage. Along this developmental journey, infant auditory capacities are
shaped by both genetic and environmental factors, which ultimately affect how speech sounds
are perceived. Biological factors like sex introduce early genetic differences, while
environmental experiences like bilingualism influence the auditory input infants receive. Despite
the clear impact of both sex and bilingualism on speech perception development, the underlying
changes in the neural encoding of speech sounds remain unexplored. The present thesis aimed
at investigating the neural maturation underlying speech sounds encoding during the first infant
year, and how sex and bilingual experiences shape this developmental trajectory.
Speech perception undergoes significant changes during the first year of life, when infants
begin to explore and adapt to the speech sounds in their environment. Milestones in language
development, such as the onset of consonant-vowel articulations at around six months and the
first spoken words by the end of the first year, rely on infants’ accurate phoneme perception
and native-like attunement to speech sounds. For instance, infants need to differentiate
between similar yet distinct sounds to discern phonemic categories relevant to their language.
The development of phonetic perception has been an area of growing interest, with auditory
evoked potentials like the Mismatch Negativity Response (MMN) frequently used to study this
process. However, research into the auditory maturation that supports these infant capacities
remains limited.
For phoneme discrimination, infants must accurately encode the acoustic features that
compose speech signals. The proper encoding of key speech-sound features –such as voice pitch
and formant structure– guides early speech acquisition by providing essential acoustic cues to
the infant. The frequency-following response (FFR) has recently emerged as a valuable auditory
evoked potential capable of capturing the neural encoding of these speech features, making it
ideal for studying their development during infancy. Yet, there is still a gap in the literature
examining how the neural encoding of speech sounds develops alongside early speech
acquisition. The first objective of the present thesis was to disentangle the neural developmental
underlying the encoding of key speech-sound features along the auditory pathway during the
first year of life.
By longitudinally recording FFR responses at birth, six months and twelve months of age,
this thesis investigates its first aim through two complementary studies. In the first study, FFRs
were recorded in response to a two-vowel stimulus (/oa/) from a cohort of 37 healthy-term
infants across these three developmental stages. This study focused on analyzing neural
transmission latency, as well as the neural encoding of voice pitch and formant structure. The
second study extended the sample to 73 infants, maintaining the same experimental procedure
and stimulus while incorporating additional variables, such as perinatal linguistic exposure and
sex. To illustrate developmental trajectories in the neural encoding of speech sound features,
linear mixed-effects models were employed for both voice pitch and formant structure.
Together, these studies provide a comprehensive picture of the typical neural maturation
involved in encoding voice pitch and formant structure of speech during the first postnatal year.
Crucially, they converge on identifying the first six months as a critical period for the maturation
of neural encoding mechanisms essential for speech acquisition. Particularly, they reveal rapid
advancements in the encoding of formant structure, which is crucial for discerning subtle
acoustic differences delimiting phonetic categories.
A sensitive period for the mapping of phonetic categories emerges during the first year of
life, with biological and environmental factors influencing speech perception development. For
example, sex-related biological factors introduce early genetic differences that extend to speech
perception. Additionally, speech acquisition is language-dependent, with early auditory
experiences significantly shaping infants' acoustic capacities from the onset of hearing in utero,
likely affecting their future speech abilities. The second objective of this thesis was to explore
the mediating effects of sex and bilingual exposure on the neural development of speech
encoding across the first infant year. This goal was addressed in the second study, which
uncovered distinct developmental trajectories associated with sex and bilingualism, highlighting
their role in shaping neural attunement to key speech-sound features. By revealing the positive
effect of bilingualism in neural speech encoding by the end of the first year, the findings suggest
that enriched linguistic environments during this critical period could positively influence
auditory processing and speech development.
Overall, the findings enclosed in the present thesis provide important insights into the
neural mechanisms underpinning early speech perception and acquisition, revealing biological
and environmental influences that shape individual variability. Future research examining how
these early neural patterns predict later language outcomes could extend the results from this
thesis, potentially contributing to early detection of language delays or disorders.

# metadata.dc.description.abstract[].value
[cat] L’inici de l’adquisició de la parla esta condicionada per una maduració adequada del
sistema auditiu i del refinament progressiu de la sensibilitat a les propietats acústiques que
caracteritzen una llengua específica. Aquest procés s'inicia de manera primerenca en el
desenvolupament neurobiològic, ja que el sistema auditiu esdevé funcional durant el tercer
trimestre de la gestació. A partir d'aquest moment, el fetus és exposat a un ampli espectre
d'estímuls sonors, tant endògens com exògens al ventre matern, i és aleshores quan entren en
contacte per primera vegada amb el senyal acústic de la parla. No obstant això, el sistema auditiu
i les capacitats acústiques de l’infant no estan completament desenvolupats en néixer i
experimenten una marcada maduració durant el primer any de vida, amb processos clau de
desenvolupament com la migració neuronal cap a l'escorça auditiva i la mielinització del tronc
encefàlic auditiu que s'estenen en aquesta etapa infantil. Al llarg d’aquest procés maduratiu, les
capacitats auditives de l’infant són modelades tant per factors genètics com ambientals, els
quals acaben influint en la percepció dels sons de la parla. Factors biològics com el sexe
introdueixen diferències genètiques primerenques, mentre que experiències ambientals, com
el bilingüisme, influeixen en els estímuls auditius que els infants reben. Tot i l’evident impacte
del sexe i del bilingüisme en el desenvolupament de la percepció de la parla, els mecanismes
subjacents a la codificació neural dels sons de la parla segueixen sent, en gran mesura,
desconeguts. La present tesi té com a objectiu investigar la maduració neural subjacent a la
codificació dels sons de la parla durant el primer any de vida i com el sexe i les experiències
bilingües modelen aquesta trajectòria de desenvolupament.
La percepció de la parla experimenta canvis significatius durant el primer any de vida,
moment en què els infants comencen a explorar i adaptar-se als sons de la parla presents en el
seu entorn. Fites en el desenvolupament del llenguatge, com l'inici de les articulacions
consonant-vocal al voltant dels sis mesos i les primeres paraules pronunciades al final del primer
any, depenen de la percepció precisa dels fonemes i de l’ajustament dels infants als sons de la
parla de la seva llengua nativa. Per exemple, els infants han de diferenciar entre sons similars
però distintius per poder identificar les categories fonètiques rellevants per a la seva llengua. El
desenvolupament de la percepció fonètica ha esdevingut un àmbit d’interès creixent, amb
potencials evocats auditius com la denominada Mismatch Negativity Response (MMN),
utilitzada freqüentment per estudiar aquest procés. Tanmateix, la recerca sobre la maduració
auditiva que sustenta aquestes capacitats infantils continua sent limitada.

Per a la discriminació de fonemes, els infants han de codificar amb precisió les
característiques acústiques que componen els senyals de la parla. La correcta codificació de les
característiques clau dels sons de la parla –com el to de veu i l'estructura dels formants– guia
l’adquisició primerenca del llenguatge proporcionant a l’infant pistes acústiques essencials. La
resposta de seguiment de la freqüència (RSF) ha emergit recentment com un potencial evocat
auditiu valuós, capaç de capturar la codificació neural d’aquestes característiques, cosa que la
fa ideal per estudiar-ne el desenvolupament durant la infantesa. Tot i això, encara hi ha una
manca de literatura que examini com es desenvolupa la codificació neural dels sons de la parla
paral·lelament a l’adquisició primerenca d’aquesta. El primer objectiu de la present tesi era
desentranyar el desenvolupament neural subjacent a la codificació de les característiques clau
dels sons de la parla al llarg de la via auditiva durant el primer any de vida.
Mitjançant el registre longitudinal de la FFR en néixer, als sis mesos i als dotze mesos
d’edat, aquesta tesi investiga el seu primer objectiu a través de dos estudis complementaris. En
el primer estudi, es van registrar les FFR en resposta a un estímul compost per dues vocals (/oa/)
en una cohort de 37 nadons sans nascuts a terme en aquestes tres etapes de desenvolupament.
Aquest estudi es va centrar en analitzar la latència de la transmissió neuronal, així com la
codificació neuronal del to de veu i l’estructura dels formants. El segon estudi va ampliar la
mostra a 73 nadons, mantenint el mateix procediment experimental i estímul, i incorporant
variables addicionals com l’exposició lingüística perinatal i el sexe. Per representar les
trajectòries de desenvolupament en la codificació neuronal de les característiques del so de la
parla, es van utilitzar models lineals d’efectes mixtos per al to de veu i l’estructura dels formants.
En conjunt, aquests estudis ofereixen una visió completa dels processos típics de maduració
neuronal que sustenten la codificació del to de veu i l’estructura dels formants durant el primer
any de vida. Tots dos estudis coincideixen a destacar que els primers sis mesos són un període
crític per a la maduració dels mecanismes de codificació neuronal essencials per a l’adquisició
de la parla. En particular, mostren un progrés ràpid en la codificació de l’estructura dels
formants, un procés fonamental per distingir les subtils diferències acústiques que delimiten les
categories fonètiques.
Un període sensible per a la formació de les categories fonètiques emergeix durant el
primer any de vida, amb factors biològics i ambientals influenciant el desenvolupament de la
percepció de la parla. Per exemple, els factors biològics relacionats amb el sexe introdueixen
diferències genètiques primerenques que s'estenen fins a la percepció de la parla. A més,
l'adquisició del llenguatge és dependent de la llengua, i les primeres experiències auditives
modelen de manera significativa les capacitats acústiques dels infants des de l'inici de l’audició
a l'úter, probablement afectant les seves futures habilitats lingüístiques. El segon objectiu
d'aquesta tesi va ser explorar els efectes mediadors del sexe i l'exposició bilingüe en el
desenvolupament neural de la codificació de la parla al llarg del primer any de vida. Aquest
objectiu es va abordar en el segon estudi, que va descobrir trajectòries de desenvolupament
diferenciades associades al sexe i al bilingüisme, posant de manifest el seu paper en la modulació
del refinament neural a les característiques clau dels sons de la parla. En revelar l'efecte positiu
del bilingüisme en la codificació neural de la parla al final del primer any, els resultats
suggereixen que entorns lingüístics enriquits durant aquest període crític podrien influenciar
positivament el processament auditiu i el desenvolupament de la parla.
En conjunt, els resultats presentats en aquesta tesi proporcionen informació rellevant
sobre els mecanismes neurals que sustenten la percepció i adquisició primerenques de la parla,
revelant influències biològiques i ambientals que configuren la variabilitat individual. Futures
investigacions que examinin com aquests patrons neurals primerencs poden predir resultats
lingüístics posteriors, podrien ampliar els resultats d’aquesta tesi, contribuint potencialment a
la detecció precoç de retards o trastorns del llenguatge.

# metadata.dc.source[].value
Tesis Doctorals - Departament - Psicologia Clínica i Psicobiologia

# metadata.dc.title[].value
Early developmental trajectories in the encoding of speech sound features: the Influence of sex and bilingualism