# Apprentissage de dépendances non-adjacentes et traitement de grammaires supra-régulières chez le babouin et l'humain

Raphaëlle Malassis

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Raphaëlle Malassis. Apprentissage de dépendances non-adjacentes et traitement de grammaires supra-régulières chez le babouin et l'humain. Sciences cognitives. Aix-marseille University, 2018. Français.
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Aix-Marseille Université

Ecole Doctorale Cognition, Langage, Education (ED 356)

Thèse pour l'obtention du grade de Docteur d'Aix-Marseille Université

Discipline : Psychologie

Apprentissage de Dépendances Non-Adjacentes et
Traitement de Grammaires Supra-Régulières
chez le Babouin et l'Humain

Présentée par

Raphaëlle Malassis

Sous la direction des Docteurs Joël Fagot & Arnaud Rey

Soutenue publiquement le 15 Juin 2018

Jury :

Judit Gervain

Université Paris Descartes

Rapporteur

André Didierjean

Université de Franche-Comté

Rapporteur

Alban Lemasson

Université de Rennes 1

Examinateur

Patrick Lemaire

Université d'Aix-Marseille

Examinateur

Joël Fagot

Université d'Aix-Marseille

Directeur

Arnaud Rey

Université d'Aix-Marseille

Co-directeur
« Trace l'inégal palindrome. Neige. Bagatelle, dira Hercule. Le brut repentir, cet écrit
né Perec. L'arc lu pèse trop, lis à vice-versa. Perte. Cerise d'une vérité banale, le Malstrom,
Alep, mort édulcoré, crêpe porté de ce désir brisé d'un iota. [...] A toi, nu désir brisé, décédé,
trope percé, roc lu. Détrompe la. Morts : l'Ame, l'Élan abêti, revenu. Désire ce trépas rêvé : Ci
va ! S'il porte, sépulcral, ce repentir, cet écrit ne perturbe le lucre : Haridelle, ta gabegie ne
mord ni la plage ni l'écart. »

Georges Perec, Au Moulin d'Andé, 1969.
Résumé

Une hypothèse dominant actuellement les théories sur l'évolution des capacités syntaxiques au cours de la phylogénèse est celle d'une spécificité humaine pour le traitement des grammaires supra-régulières. Cette hypothèse tend à être confirmée par les données comparatives actuellement disponibles, les différentes espèces testées dans des paradigmes d'apprentissage de grammaires artificielles ne parvenant pas à traiter ce type de grammaire. Dans cette thèse, nous avons cherché à décomposer le traitement des grammaires supra-régulières en opérations cognitives élémentaires (apprentissage de dépendances non-adjacentes et extraction de la structure sous-jacente). Nous proposons que ces opérations posent des difficultés pour les animaux non-humains, difficultés pouvant expliquer les échecs des précédentes expériences. L'objectif de ma thèse était donc double : (1) tester l'hypothèse selon laquelle la détection de régularités entre éléments non-adjacents présente une difficulté particulière pour le primate non-humain, et (2) évaluer la capacité du primate non-humain à traiter des grammaires supra-régulières dans des conditions expérimentales prévenant l'exploitation de régularités plus locales. Pour cela, nous avons mené une série de quatre études chez le babouin (Papio papio).

Dans une première étude, nous avons examiné les dynamiques temporelles de l'apprentissage de dépendances non-adjacentes chez l'humain et le babouin, et montré que ces derniers requéraient une quantité d'exposition beaucoup plus importante. Dans une seconde étude, les babouins étaient testés sur l'apprentissage de patterns basés sur des répétitions adjacentes (ABB) ou non-adjacentes (ABA). Les babouins sont parvenus à généraliser les deux patterns à de nouveaux éléments, mais se sont montrés davantage sensibles aux répétitions adjacentes. Avec une étude corrélationnelle nous avons ensuite examiné les performances individuelles des babouins en fonction du type de tâche et du type de dépendances (adjacentes versus non-adjacentes). Les analyses effectuées révèlent une influence majeure de ce dernier facteur : les babouins parvenant à apprendre les dépendances non-adjacentes dans les différentes taches ne sont pas ceux obtenant les meilleures performances pour l'apprentissage de dépendances adjacentes, et vice-versa. Dans une dernière étude, nous avons contrasté la sensibilité des babouins à une organisation centré-emboîtée versus croisée des dépendances non-adjacentes. Les babouins se sont montrés sensibles à cette première structure, mais pas à la seconde. Ces résultats suggèrent que le babouin possède des capacités computationnelles supra-régulières, mais que des contraintes mnésiques importantes pèsent sur celles-ci. Ces résultats sont discutés au regard des modèles théoriques actuels sur l'évolution des capacités syntaxiques.
Remerciements

Je remercie les membres de mon jury de thèse, les docteurs Gervain, Didierjean, Lemasson et Lemaire, pour avoir accepté de lire et évaluer mon manuscrit et de discuter de mes travaux.

Je remercie mes deux directeurs de thèse, pour m'avoir aidée et soutenue tout au long de ces années. Joël, merci pour m'avoir appris tant de choses. Pour m'avoir laissé une grande liberté d'action tout étant toujours présent. Un grand merci également pour avoir construit cette plateforme permettant d'étudier les babouins dans un certain respect de l'animal ; en espérant que cette logique continuera de prévaloir et de porter ses fruits, au sein de la plateforme et ailleurs. Arnaud, merci pour m'avoir fait découvrir ce champ de la psychologie, et avoir su régulièrement prodiguer les encouragements nécessaires.

Je remercie également l'ensemble des membres présents et passés de l'équipe "Cognition Comparée" du Laboratoire de Psychologie Cognitive, Adrien, Anaïs, Carole, Charlotte, Florence, Marie, Nicolas, Julie, Laure, Sandra, Thierry, pour nos discussions riches, et l'esprit d'entraide que vous faites régner au sein de l'équipe. Carole, je t'adresse un remerciement particulier, car à tes côtés, un miracle s'est produit : je me suis sentie bien dans une ville nord-américaine ; merci pour ces ballades et longues conversations, qui finissaient bien trop tard pour les françaises assidues aux conférences et en plein décalage horaire que nous étions. Marie, je t'adresse également tous mes remerciements, pour n'avoir de cesse de mener des discussions de science qui interrogent, et ne jamais hésiter à emmener les plus jeunes dans ton sillage. Un remerciement particulier aussi à Julie, pour avoir accompagné mes premiers pas dans le monde des Papios, et à Laure, pour mes premiers pas dans Marseille et la vie de doctorante en psychologie cognitive. Un grand merci enfin à Nicolas, pour n'avoir jamais été avare de son temps pour discuter et apporter son aide ultra-giga-précieuse.

Merci aux personnes travaillant à la station de primatologie, Romain, Pao, Marie, Slaveia, Laura, Corinne, Richard, Valérie, Chloé, Jean-Christophe, Jean-Noël, Jo, Sébastien, Fidji, Célia et Brigitte, pour leur aide indispensable à la conduite de nos recherches.

Mes remerciements vont également aux membres du Laboratoire de Psychologie Cognitive pour leur bienveillance ; et notamment à Fred et Colette pour leur accompagnement dans le dédale des démarches administratives.

Je remercie également Stanislas Dehaene pour son investissement dans la collaboration que nous avons menée.

Je remercie aussi l'ensemble des enseignants du master éthologie de l'université Paris XIII, pour tout ce qu'ils m'ont appris. Je remercie tout particulièrement Gilles Gheusi, pour m'avoir accordé une telle confiance, et m'avoir accompagnée jusqu'aux babouins. Pour m'avoir fait découvrir la métacognition. Ça a été une chance fabuleuse pour moi de vous avoir comme professeur. Je remercie également Stéphane Chameron, pour ses cours, mais également car lorsque j'ai découvert en L1 que la personne qui animait ainsi les assemblées générales contre la loi LRU serait l'un de mes enseignants, je me suis définitivement sentie à ma place dans ce cursus.
Chers parents, merci, vous qui m'avez donné comme seule injonction de faire ce que j'aimais, et m'y avez aidé. Je remercie également mes petits frères pour ce qu'ils sont, je suis si fière de vous (si Paolo, c'est un sentiment tout à fait valable et très précieux).

Mamili & Papilou, merci pour vos visites si joyeuses, votre patience lorsqu'il s'agissait de m'attendre tandis que je restais cloîtrée dans mon bureau à analyser mes derniers résultats, et pour avoir partagé mon enthousiasme. Pour votre aide si précieuse pour prendre soin de mes bêtes, et votre tendresse inconditionnelle.

Merci à toi Mamirèze, pour être venue à bout de tous mes articles, pour t'intéresser à mes recherches, et pour m'avoir attendu. Merci papi Claude, pour m'avoir dit au revoir. Merci à tous les deux de n'avoir jamais manqué de me dire combien vous étiez fiers.

Et puis merci à toute ma famille, et tout particulièrement à Xavier, pour m'avoir fourni une voiture pour vue de freins décents, puis régulièrement approvisionné en musiques, éléments sans lesquels rien n'aurait été pareil sur les routes de Provence. Pour avoir été un tonton exemplaire, toujours vache, et toujours là. Un remerciement particulier également à Cathy, pour m'avoir fourni en références biblio qui continuaient de me faire entrevoir un ailleurs en dehors de mes lectures spécialisées ; tes doctorants sont bien chanceux de t'avoir qui veille.

Tiphaine, merci. Sans toi, je serais devenue une pierre. L'expérience de la thèse prend tout son sens lorsqu'elle permet de telles rencontres, i.e. du troisième type. Plus prosaïquement : ces heures passées à gribouiller sur ce tableau pour faire naître le design parfait – mais si, il doit exister ! – sous tes yeux compatissants, ces séances de décorticage de concepts, tes idées claires, ont été une aide immense. François, je te remercie pour ta luminosité (sic !), ta sérénité et ton enthousiasme communicatifs, tes choix cinématographiques – presque – toujours de qualité ; et avoir été, pour toutes ces raisons, le colocataire & ami idéal. Seb, merci pour avoir réveillé l'animal politique qui s'était endormi en moi. Merci pour m'avoir emmené ailleurs, des Chronyctalopes aux trésors du vallon. Yannick, merci pour ton amitié, pour la folie Aixoise. Heureusement, tu étais là.

Merci à la joyeuse bande de copains, Guillaume, Pauline, Agathe, Pierre-Arth, Jacky, Thibalt, Vincent, Shiraz, Flo, Tiff, Marine, Damien, Camille, Derek, Laurane, Christophe, Keshia, Raph, p'tit Guillaume. On en a de la veine de s'avoir.

Merci Flora pour ces jolis moments à Marseille et ailleurs – partout et toujours, avec toi, les moments sont jolis.

Merci Alex, pour ta détermination et ta patience exemplaires, qui nous ont permis de traverser ces quatre années ensemble. Je ne peux imaginer une personne ne faisant pas de la recherche qui comprenne aussi bien les enjeux et contraintes de ce milieu. Connivence des passionnés : continue à vivre la tienne à tout prix.

Et enfin, merci à celles qui sont ce que le monde contient de plus génial, Ellie, Lise & Chloé. Merci pour notre amitié. Merci de vous être rendues disponibles chaque fois que je remontais à Paris, cha-que fois. Avec une mention spéciale pour Ellie, dont la seule tare aura été de bien mal choisir son ultime coup de théâtre.
Table des matières

<table><tr><td>Préambule</td><td>11</td></tr><tr><td>VOLET THEORIQUE</td><td>13</td></tr><tr><td>Chapitre I : Introduction à l'Hypothèse de la Supra-régularité</td><td>14</td></tr><tr><td>I. Théories et Définitions</td><td>14</td></tr><tr><td>I.1 Introduction à la théorie des langages formels</td><td>14</td></tr><tr><td>I.2 Hiérarchie des langages formels</td><td>15</td></tr><tr><td>I.3 Organisation des langues en syntagmes récursivement enchâssés</td><td>22</td></tr><tr><td>I.4 Théories générativistes sur l'évolution de la syntaxe</td><td>24</td></tr><tr><td>I.5 Confusions à éviter : supra-régularité, arborescence, récursivité</td><td>27</td></tr><tr><td>II. Données Comparatives</td><td>32</td></tr><tr><td>II.1 Production</td><td>32</td></tr><tr><td>II.2 Apprentissage de grammaires artificielles</td><td>40</td></tr><tr><td>III. Conclusion : Proposition d'une Nouvelle Approche pour Etudier le Traitement des Grammaires Supra-régulières</td><td>68</td></tr><tr><td>Chapitre II : Prérequis Cognitifs pour le Traitement de Grammaires Supra-régulières</td><td>71</td></tr><tr><td>IV. Apprentissage d'Associations Non-adjacentes</td><td>71</td></tr><tr><td>IV.1 Données chez l'humain</td><td>72</td></tr><tr><td>IV.2 Données comparatives</td><td>76</td></tr><tr><td>IV.3 Mécanismes</td><td>81</td></tr><tr><td>IV.4 Conclusions</td><td>86</td></tr><tr><td>V. Extraction de Propriétés Structurelles</td><td>90</td></tr><tr><td>V.1 Données chez l'humain</td><td>91</td></tr><tr><td>V.2 Données comparatives</td><td>92</td></tr><tr><td>V.3 Mécanismes</td><td>98</td></tr><tr><td>V.4 Conclusions</td><td>101</td></tr></table>
<table>
  <tbody>
    <tr>
      <td>Chapitre III : Problématique</td>
      <td>104</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>VOLET EXPERIMENTAL</td>
      <td>106</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>I. Méthodologie Générale</td>
      <td>107</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>I.1 Expériences chez le primate non-humain</td>
      <td>107</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>I.2 Expériences chez l'humain</td>
      <td>115</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>II. ETUDE I – Traitement des Dépendances Non-adjacentes chez le Primate et Humain et Non-humain : Dynamiques Temporelles et Généralisation</td>
      <td>117</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>III. ETUDE II – Extraction de Régularités Structurelles chez le Babouin : Contraster Répétitions Adjacentes et Non-adjacentes</td>
      <td>152</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>IV. ETUDE III – Etude Corrélationnelle : Performances Individuelles des Babouins pour l'Extraction de Régularités Adjacentes et Non-adjacentes</td>
      <td>180</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>V. ETUDE IV – Traitement de Grammaires Supra-Régulières chez le Babouin</td>
      <td>202</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>DISCUSSION GENERALE</td>
      <td>216</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>I. Résumé et Discussion des Travaux Expérimentaux</td>
      <td>217</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>I.1 Effet de la distance</td>
      <td>218</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>I.2 Traitement de grammaires supra-régulières</td>
      <td>223</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>I.3 Conclusions sur les procédures expérimentales</td>
      <td>227</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>II. Implications pour les Théories sur l'Evolution de la Syntaxe</td>
      <td>228</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>III. Perspectives : Etudier l'Evolution du Langage à travers l'Etude Comparative des Fonctions Cognitives Générales</td>
      <td>232</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>IV. Conclusions</td>
      <td>271</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>Glossaire</td>
      <td>273</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>Références</td>
      <td>275</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>ANNEXES</td>
      <td>302</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>I. Etude IV: Supplementary Information</td>
      <td>303</td>
    </tr>
    <tr>
      <td>II. Etude sur la Prévalence des Informations Ordinales et Relationnelles : Données Comparatives chez le Babouin et l'Humain</td>
      <td>310</td>
    </tr>
  </tbody>
</table>
<table><tr><td>III. Extraction de Régularités Séquentielles : Données Comparatives chez le Babouin et l'Humain</td><td>324</td></tr></table>
# Préambule

Le langage se caractérise par sa remarquable productivité, permettant un usage infini de moyens finis (Humboldt, 1836) en combinant les mots en phrases organisées selon une certaine syntaxe. L'étude comparative des capacités syntaxiques vise à caractériser les mécanismes cognitifs impliqués dans le traitement de la syntaxe, et leur histoire évolutive. On peut distinguer deux approches complémentaires. La première consiste à étudier l'organisation syntaxique, ou proto-syntaxique, des productions naturelles des animaux non-humains (ci-après, NH). La seconde approche s'intéresse aux capacités d'apprentissage de ces animaux dans des contextes induits expérimentalement. Cette approche permet (1) d'étudier finement les mécanismes et représentations en jeu lors du traitement de régularités syntaxiques, et (2) d'examiner la capacité de différentes espèces à traiter des régularités plus complexes que celles observées dans leurs productions naturelles.

Certaines théories, notamment celles issues de la linguistique générative, font l'hypothèse d'une discontinuité évolutive des traitements syntaxiques (e.g. Hauser, Chomsky, & Fitch, 2002). Dans leurs versions les plus radicales, ces théories proposent qu'au cours de l'évolution récente de la lignée humaine seraient apparues des mécanismes spécialisés permettant l'acquisition et le traitement du type de syntaxe complexe caractérisant les langues naturelles (Chomsky, 2017). D'autres théories font l'hypothèse d'une continuité évolutive des mécanismes sous-tendant le traitement de ces régularités. Ces théories ne négligent pas l'existence de différences de capacités syntaxiques entre les espèces, mais proposent que celles-ci découlent de différences quantitatives entre l'humain et les autres espèces observées pour les mécanismes d'extraction de régularités non spécifiques au langage, et notamment des mécanismes sous-tendant l'extraction de régularités séquentielles (e.g. Christiansen & Chater, 2015). Cette perspective ouvre la voie à l'étude de l'histoire évolutive de prérequis cognitifs pour le traitement de la syntaxe.

Dans ce cadre, cette thèse pose la question de l'existence d'une discontinuité entre l'humain et les autres animaux, ou bien d'une continuité évolutive, pour le traitement de régularités syntaxiques complexes. Pour cela, nous nous sommes intéressés aux capacités d'apprentissage de grammaires artificielles du babouin, un singe de l'ancien monde dont le dernier ancêtre commun avec l'humain remonterait à environ 35 millions d'années (Ciochon & Fleagle, 1987; Steiper, Young, & Sukarna, 2004). Nous nous sommes plus particulièrement
focalisés sur traitement de grammaires supra-régulières (Chomsky, 1956, 1957; Fitch & Friederici, 2012; Fitch & Hauser, 2004). Après une revue de la littérature sur le sujet, nous proposons une nouvelle approche consistant à examiner de manière comparative les prérequis cognitifs pour le traitement de ce type de grammaire.

Nous présentons ensuite une série de quatre études menées dans cette perspective, portant respectivement sur (1) l'apprentissage de dépendances non-adjacentes, (2) l'extraction de régularités structurelles, (3) l'analyse des performances individuelles dans différentes tâches d'extraction de régularités séquentielles, et enfin (4) le traitement de grammaires supra-régulières.

Dans un dernier volet, nous discutons les résultats obtenus au regard des théories sur l'évolution de la syntaxe, et proposons une ouverture sur l'étude de l'évolution du langage à travers l'étude comparative des fonctions cognitives dites *domain-general*.
VOLET THEORIQUE

<figure><img src="image_1.png" /></figure>
# Chapitre I : Introduction à l'Hypothèse de la Supra-régularité

## I. Théories et Définitions

La linguistique générative est une approche initiée dans les années 50 par Noam Chomsky (1956, 1957), constituant aujourd'hui encore un courant majeur de cette discipline. Elle reprend les principes de la théorie des langages formels pour étudier l'organisation syntaxique des langues naturelles. Dans une perspective évolutive, elle se distingue des autres approches (e.g. linguistique fonctionnelle, Langacker, 1987, 1991 ; linguistique fondée sur l'usage, Bybee, 2010; Tomasello, 2003) par ses hypothèses fortes sur une discontinuité humain/non-humain. Nous verrons dans les sections suivantes que la mise à l'épreuve de ces hypothèses a prédominé dans les recherches comparatives menées ces dernières décennies. Avant d'examiner ces hypothèses, nous présentons donc ci-dessous quelques notions clés de la linguistique générative, après une brève introduction à la théorie des langages formels.

### I.1 Introduction à la théorie des langages formels

La théorie des langages formels (en anglais, *formal language theory*, FLT) trouve ses sources dans les théories computationnelles élaborées en mathématiques (Turing, 1937) et en théorie de l'information (Shannon, 1948). Elle a pour objet la description formelle des systèmes régis par des règles (grammaires des langues naturelles, mais également de la musique, des langages informatiques, etc.).

L'étude des langues naturelles (e.g. le français, l'anglais) comme des systèmes formels a été initiée par Chomsky (1956), qui fait l'observation que le locuteur d'une langue sera généralement capable de juger si un énoncé est grammaticalement correct, même s'il est dépourvu de sens. Pour illustrer cette observation, il donne un exemple devenu célèbre, « *Colorless green ideas sleep furiously* ». Nous sommes capables de voir que cette phrase est
grammaticalement correcte, tandis que « *Furiously sleep ideas green colorless* » ne l'est pas.
Pourtant, aucune de ces phrases ne fait sens, et un locuteur de l'anglais a peu de chances d'avoir
déjà rencontré l'une des paires de mots les constituant l'une et l'autre, e.g. ce locuteur n'aura
probablement jamais entendu ni « *sleep furiously* » ni « *furiously sleep* ». Par conséquent, selon
Chomsky, ni la signification d'une phrase, ni ses propriétés distributionnelles, ne peuvent
constituer la base des jugements de grammaticalité. Ces jugements s'effectueraient en vérifiant
l'adéquation de l'exemplaire rencontré avec les règles grammaticales d'une langue donnée.

Dans la théorie des langages formels, un langage est défini comme un ensemble de séquences, ou d'expressions, générées à partir d'un ensemble fini de symboles constituant le vocabulaire (ou alphabet) de ce langage, et d'une grammaire donnée. Cette grammaire comprend l'ensemble des règles régissant l'organisation de ces symboles dans les séquences. La grammaire spécifie ainsi les opérations à partir desquelles peuvent être générées (ou dérivées) l'ensemble des expressions de ce langage, et seulement celles-ci. Ce dernier point est important : la formalisation d'une grammaire pour décrire un langage donné ne pourra être jugée adéquate que si elle respecte cette double contrainte. Ces opérations peuvent être spécifiées sous forme d'un ensemble de règles de substitution, ou de réécriture. Par exemple, l'expression "abab" peut être générée à partir d'un vocabulaire V = {a, b}, par l'application de l'ensemble des quatre règles suivantes : { S → aB ; B → bA ; A → aB ; B→ b}. Ces règles permettent de remplacer ou réécrire (→) l'axiome S par une suite de symboles non-terminaux (en majuscule) devant être à leur tour remplacés par des terminaux (en minuscule ; correspondant aux symboles élémentaires, indécomposables, du langage).

## 1.2 Hiérarchie des langages formels

Cette hiérarchie, établie par Chomsky (1956, 1957), parfois simplement appelée « hiérarchie de Chomsky », est une typologie des différents types de grammaires et des automates correspondants, requis pour générer ou évaluer ces grammaires. On y distingue deux grands ensembles : les grammaires régulières et les grammaires supra-régulières.
### 1.2.1 Grammaires régulières

Les grammaires régulières, également appelées grammaires rationnelles, ou à états finis (en anglais, *finite-state grammars*), constituent la classe de grammaires nécessitant la puissance computationnelle la plus limitée. Une grammaire régulière comprend un état initial, un état final, et une succession d'états intermédiaires. On peut la représenter par un diagramme à états finis, comme exemplifié dans la Figure 1a, où chaque nœud du diagramme représente un état, et les flèches définissent les transitions légales d'un état à l'autre. Pour reconnaître qu'une expression correspond ou non à cette grammaire, l'automate dit, lui aussi, « à états finis », n'a qu'à faire « glisser » une « fenêtre » de vérification des transitions entre deux symboles, tout le long de la séquence (Figure 1b). La taille de cette mémoire peut éventuellement être plus importante (une chaîne de Markov d'ordre *n* pourra prendre en compte les *n* états précédents), mais elle est nécessairement limitée.

**Encadré 1 Lexique**

**Automate** : un modèle mathématique de computation ; également appelé « machine ».

**Arbre syntaxique** : mode de notation employé pour représenter la structure syntaxique d'une phrase (pour un exemple, voir la Figure 5).

**Grammaire** : ensemble des règles de dérivation à partir desquelles un langage donné peut-être généré.

**Langage** : ensemble de séquences ou d'expressions (e.g. phrases) générées à partir d'un vocabulaire et d'une grammaire donnée.

**Merge** : opération de « fusion », à partir de laquelle deux objets syntaxiques sont combinés, pour former un nouvel objet syntaxique situé à un niveau hiérarchique supérieur. L'objet syntaxique en résultant hérite de la nature de l'un de ses constituants (e.g. déterminant + nom = syntagme nominal; adverbe + verbe = syntagme verbal).
<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>**Figure 1**
a. Exemple de diagramme représentant une grammaire régulière, d'après Reber (1967). $E_i$ = état initial, $E_{i-4}$ = états intermédiaires, $E_f$ = état final. Le sens des flèches indique les transitions légales d'un état à l'autre.
b. Représentation schématique de la vérification des transitions par un automate à états finis : la première séquence de lettres peut être générée à partir de la grammaire, tandis que la seconde comporte une transition illégale entre X et P. Dans cet exemple, l'automate ne prend en compte que le dernier élément rencontré.</figcaption></figure>

Les grammaires régulières sont considérées comme non adéquates pour modéliser l'anglais, ou toute autre langue naturelle. Cette idée repose sur deux types d'arguments : une démonstration mathématique, et des raisons pratiques. La démonstration mathématique repose sur le fait qu'aucune grammaire régulière ne peut générer l'ensemble des phrases d'une langue. En effet, il existe des constructions linguistiques qui dépassent les capacités génératives de toute grammaire régulière, telles que les constructions centrées-emboîtées (e.g. en français, « L'homme qui a dit que (...), arrive aujourd'hui. » Dans cette phrase, une dépendance est entretenue entre « L'homme qui a dit que » et « arrive aujourd'hui », qui peuvent être séparés par un nombre arbitraire de propositions relatives emboîtées les unes dans les autres (e.g. « L'homme qui a dit que l'homme qui a dit que (...) tu avais tort, arrive aujourd'hui). Par conséquent, dans ces langues, il existe un nombre théoriquement infini d'expressions comportant ce type de construction (i.e. pour toute expression comprenant *n* occurrences de « L'homme qui a dit que », on peut former une nouvelle expression grammaticalement correcte comprenant *n+1* occurrences). Or, aucune grammaire régulière ne peut générer un tel langage, de même qu'aucune ne pourra générer les trois langages artificiels suivants (pour une
démonstration, voir Chomsky, 1956; Miller & Chomsky, 1963 ; voir également Jäger & Rogers,
2012) :

(i) ab, aabb, aaabbb, ......, i.e. toutes les expressions comprenant *n* occurrences de "a" suivies par *n* occurrences de "b", i.e. aⁿbⁿ, et seulement celles-ci ;

(ii) aa, bb, abba, baab, aaaa, bbbb, aabbaa, abbbba, ...., i.e. toutes les expressions comprenant une série X, suivie par l'image en miroir de X, et seulement celles-ci (noter que ce langage suit une organisation centrée-emboîtée comme notre exemple en français) ;

(iii) aa, bb, abab, baba, aaaa, bbbb, aabaab, abbabb, ...., i.e. toutes les expressions comprenant une série X, suivie par la répétition de cette même série X, et seulement celles-ci.

Notons bien que c'est la présence de dépendances à longue-distance dans ces différents langages, et la possibilité de générer un nombre théoriquement infini d'expressions comportant des dépendances à longue-distance, qui rendent les grammaires régulières inadéquates, et non pas le fait que l'anglais ou les langages (i-iii) comprennent un nombre potentiellement infini d'expressions. En effet, une grammaire régulière peut tout à fait générer un langage comprenant un ensemble non fini d'expressions. Un exemple en est le langage artificiel (ab)ⁿ, i.e. un langage comprenant tout nombre *n* de paires d'éléments "ab" (cf. Figure 2).

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>**Figure 2** Exemple de grammaire régulière capable de générer un nombre infini d'expressions. Formellement, on note ce langage (ab)ⁿ. Eᵢ = état initial, Ef = état final.</figcaption></figure>

Cette démonstration repose néanmoins sur un infini théorique. Or, comme le fait remarquer Chomsky lui-même, la non-adéquation des grammaires régulières pour décrire les langues naturelles pourrait être évitée en négligeant cet infini théorique : « *We might avoid this consequence by an arbitrary decree that there is a finite upper limit to sentence length in English.* » (Chomsky, 1956, p. 115). Or, les langues naturelles étant typiquement traitées par
un système cognitif limité, en termes de ressources attentionnelles, mnésiques, la définition d'une telle limite pourrait en effet être justifiée (Petersson, Folia, & Hagoort, 2012).

C'est ici qu'intervient le deuxième argument de Chomsky (1956, 1957) en faveur d'une caractérisation des langues naturelles par des grammaires supra-régulières : il serait fastidieux, et relativement inutile, de construire un diagramme à états finis à partir duquel on pourrait dériver l'ensemble des phrases grammaticales de l'anglais, ce qui reviendrait quasiment à établir une liste de ces phrases. Autrement dit, formaliser la langue anglaise par une grammaire régulière n'apporterait pas grand-chose à notre compréhension des principes la régissant, et ne permettrait pas de décrire de manière concise sa structure<fnref n="1" />.

### 1.2.2 Grammaires supra-régulières

Chomsky (1956, 1957) formalise donc une hiérarchie de grammaires correspondant à des automates de puissance générative croissante, dont le niveau le plus élémentaire est occupé par les grammaires régulières. A l'extrême opposé de ce continuum, on trouve une machine de Turing, algorithme capable de générer l'ensemble des langages récursivement énumérables, c'est-à-dire l'ensemble des langages formels.

Les grammaires régulières sont trop limitées pour caractériser les langues naturelles, mais une machine de Turing l'est trop peu, d'où la formalisation de classes de grammaires supra-régulières de puissance expressive intermédiaire. Pour évaluer les langages qu'elles génèrent, ces grammaires requièrent un automate à états finis, augmenté d'une mémoire sur laquelle pèsent certaines contraintes (à la différence d'une machine de Turing). On distingue les grammaires *non contextuelles* et les grammaires *contextuelles*, chacune caractérisée par des contraintes différentes pesant sur la récupération de l'information en mémoire. Ces quatre types de grammaires sont organisées en classes hiérarchiques inclusives, comme illustré dans la Figure 3. C'est-à-dire que les langages pouvant être générés par les grammaires régulières constituent un sous-ensemble de ceux pouvant être générés par les grammaires non contextuelles, et ainsi de suite.

<footnote n="1">¹ Ceci est également valable pour la description d'autres systèmes hiérarchiques complexes, comme les langages informatiques ou la musique (e.g. Steedman, 1984).</footnote>
<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>**Figure 3** La hiérarchie des langages formels établie par Chomsky (1956, 1957), au sein de laquelle figurent les différents types de grammaires (et de langages) et les automates correspondants.</figcaption></figure>

Les grammaires non contextuelles (context-free grammars) correspondent à un automate dit « à pile » (push-down stack automaton), qui est un automate à états finis doté d'une mémoire additive. L'automate peut seulement accéder aux items mémorisés en partant du haut de la « pile », i.e. en remontant à partir du dernier item stocké. Pour reprendre les exemples de langages artificiels donnés plus haut, une grammaire non contextuelle peut générer les langages (i) et (ii). Pour reconnaître si une expression appartient au langage (i), l'automate à pile pourra appliquer une stratégie consistant à compter puis comparer le nombre d'éléments "a" et "b". Nous nous référerons par la suite à la grammaire permettant de générer ce langage par « grammaire AⁿBⁿ ». Pour une expression du langage (ii), il pourra vérifier que les dépendances centrées-emboîtées (en anglais, center-embedded dependencies) entre les différents éléments de la première et de la seconde moitié de l'expression sont respectées. Nous nous référerons à la grammaire correspondante dans la suite de ce manuscrit par la dénomination de « grammaire centrée-emboîtée ». Ces différentes stratégies sont illustrées dans la Figure 4.

Les grammaires contextuelles (context-sensitive grammars), correspondent à un
automate dit « linéairement borné » (linear-bounded automaton), qui possède une mémoire
sujette à des contraintes différentes : il peut par exemple accéder aux états passés à partir du
premier item mémorisé. La taille maximale de cette mémoire est toutefois linéairement fonction
de la longueur de l'entrée sensorielle, et ne peut l'excéder. Ces grammaires peuvent générer les
langages (i) et (ii), ainsi que le langage (iii). Pour reconnaître qu'une expression appartient à ce
dernier, l'automate linéairement borné devra vérifier que les *dépendances croisées* (en anglais,
*crossed dependencies*) entre les différents éléments de la première et de la seconde moitié de
l'expression sont respectées (Figure 4c). La grammaire correspondant à ce langage sera ci-après
nommée « grammaire croisée ».

<figure><img src="image_5.png" /></figure>

**Figure 4** Illustration des différentes stratégies permettant de vérifier la grammaticalité d'expressions générées par trois grammaires supra-régulières. **a.** Pour une expression générée par la grammaire A<sup>n</sup>B<sup>n</sup>, l'automate devra compter et comparer le nombre d'éléments "a" et "b". **b.** Pour la grammaire centrée-emboîtée, il devra vérifier le caractère centré-emboîté des dépendances entre les différents éléments "a" et "b". **c.** Pour la grammaire croisée, il devra vérifier les dépendances croisées. D'après Fitch et Friederici (2012).

Où se situent les langues naturelles au sein de cette hiérarchie ? Les grammaires non
contextuelles sont suffisantes pour générer des langues tels que l'anglais et le français
(Chomsky, 1956). Pour d'autres langues, en revanche, des grammaires contextuelles seraient
nécessaires (ou des grammaires de capacité générative intermédiaire, d'après certaines
hiérarchies enrichies, telles que celle proposée par Jäger & Rogers, 2012). En suisse allemand
par exemple, les dépendances entre les verbes et leurs objets sont croisées (pour un exemple,
voir Jäger & Rogers, 2012). Des constructions similaires peuvent également être observées dans
le néerlandais (Bresnan, Kaplan, Peters, & Zaenen, 1982) et le bambara (Culy, 1985). De
manière générale, il existe un consensus au sein de la grammaire générative, selon lequel l'ensemble des langues naturelles excéderaient les capacités génératives des grammaires régulières (e.g. Fitch & Friederici, 2012). A signaler toutefois que cette proposition n'est pas acceptée par l'ensemble de la communauté des linguistes. Il existe notamment des débats nourris autour d'une langue, le pirahã, qui serait susceptible de n'impliquer que des constructions tout à fait linéaires (Everett, 2005 ; pour un contre-argumentaire, voir e.g. Nevins, Pesetsky, & Rodrigues, 2009).

## Résumé

* L'anglais ou le français ne peuvent être générés à partir de grammaires régulières, car celles-ci sont trop restrictives pour pouvoir générer l'ensemble des phrases de ces langues.

* Ces langues (et, par extension, l'ensemble des langues naturelles) requerraient par conséquent des capacités génératives supra-régulières.

## I.3 Organisation des langues en syntagmes récursivement enchâssés

### I.3.1 Une organisation hiérarchique

La grammaire générative décrit l'organisation des langues naturelles sous la forme de syntagmes hiérarchiquement enchâssés. En anglais, on parle de *constituent* ou *phrase structure grammars* (Chomsky, 1956, 1957)<fnref n="2" />. Ces structures peuvent être formalisées par des arbres syntaxiques, comme l'exemple donné dans la Figure 5 où chaque nœud correspond à un objet syntaxique (syntagme nominal, syntagme verbal, etc.). Ces objets sont organisés en différents niveaux hiérarchiques (dans la Figure 5, le premier syntagme nominal est lui-même décomposable en un syntagme nominal et une proposition relative, etc.), dont les éléments terminaux sont les mots. Le locuteur formerait des représentations elles-mêmes hiérarchiques, et non linéaires, des phrases qu'il entend ou produit (e.g. Everaert, Huybregts, Chomsky, Berwick, & Bolhuis, 2015). Postuler que les représentations internes des expressions

<footnote n="2">² Un autre type de grammaires, dites grammaires transformationnelles (en anglais, *transformationnal grammars* ; Chomsky, 1956), a également été formalisé. Pour simplifier notre propos, nous ne nous intéressons pas ici à cette distinction.</footnote>
linguistiques ne sont pas linéaires permet d'expliquer divers phénomènes linguistiques, notamment la préséance des relations définies par la structure hiérarchique sur la proximité temporelle entre les éléments. Pour notre exemple, cela permet d'expliquer que l'on comprenne à la lecture de la phrase « Le babouin qui dort sur le rocher est brun. » (Figure 5), que c'est le babouin -et non le rocher- qui est brun, malgré que ce dernier nom soit plus proche.

<figure><img src="image_6.png" /></figure>

**Figure 5** Arbre syntaxique représentant la structure d'une phrase comportant une proposition relative. P = phrase, SN = syntagme nominal, SV = syntagme verbal, Det. = déterminant, N = nom, Prop. rel. = proposition relative, Pron. rel. = pronom relatif, SP = syntagme prépositionnel, Prep. = préposition, V = verbe, Adj. = adjectif. Modifié d'après Hoch (2010).

### 1.3.2 Un système récursif

C'est l'enchâssement *récursif* de ces syntagmes qui permettrait la productivité de la faculté de langage (e.g. Hauser et al., 2002). Le sens donné à ce terme varie selon les différentes disciplines en faisant l'usage, comme les mathématiques, les sciences computationnelles ou la linguistique (Fitch, 2010), et parfois même au sein de chacune de ces disciplines (Tomalin, 2007). Nous nous limiterons ici aux deux définitions les plus pertinentes au regard de l'hypothèse de Hauser et al. (2002).

Chomsky (e.g., Everaert, Huybregts, Chomsky, Berwick, & Bolhuis, 2015; voir également Lobina, 2011, et Watumull, Hauser, Roberts, & Hornstein, 2014) se focalise sur la
notion de récursivité telle qu'elle est définie en mathématiques et logique, et qui renvoie à la
possibilité de réappliquer une fonction à un résultat (*output*) issu d'une application antérieure
de cette même fonction. Cette fonction peut également être dite définie par induction, ou encore
« auto-référentielle ». Dans les développements les plus récents de la théorie générativiste (le
« programme minimaliste » ; Chomsky, 1995), la construction d'objets syntaxiques a été
réduite à l'application récursive d'une opération minimale, appelée « merge » (que l'on pourrait
traduire en français par « combinaison », ou « fusion »). Cette opération combinatoire consiste,
à partir de deux objets syntaxiques, X et Y (e.g. « le » et « babouin ») de construire un nouvel
objet syntaxique, Z (ici un syntagme nominal, « le babouin »). Formellement, cette opération
peut se noter : Merge (le, babouin) → {le, babouin}. L'application récursive de cette opération
(en fusionnant par exemple Z, qui est ici un syntagme nominal, avec un syntagme verbal –
résultant lui-même d'une opération de fusion– donnant par exemple la phrase « le babouin
dort sur le rocher ») prend fin lorsque l'ensemble des objets syntaxiques ont été fusionnés en
un seul objet (i.e. la phrase).

Certains auteurs ont préféré se référer à une définition plus stricte de la récursivité, entendue alors au sens d'auto-enchâssement (*self-embedding*) de constituants syntaxiques au sein de constituants syntaxiques de même type (e.g. Fitch, 2010; Kinsella, 2010; Martins, 2012), comme par exemple l'enchâssement d'un syntagme verbal au sein d'un autre syntagme verbal (noté : $SV_1 \rightarrow SV_2 + X$). Ce choix peut s'expliquer par le fait que c'est effectivement seulement dans le cas de l'auto-enchâssement qu'il n'est pas nécessaire de spécifier de nouvelles règles à chaque itération de l'opération (et que l'on peut donc obtenir des enchâssements de profondeur arbitraire ; e.g. « Je pense que ... », « Je pense que tu penses que ... », et ainsi de suite). On peut toutefois souligner que ces deux définitions ne comportent pas de réelle contradiction, car les opérations récursives telles que définies au sens strict constituent un sous-ensemble de celles définies au sens large (Hulst, 2010).

I.4 Théories générativistes sur l'évolution de la syntaxe

Hauser, Chomsky, et Fitch (2002) ont proposé de rassembler les différentes
composantes du langage en deux facultés distinctes : la faculté de langage au sens large
(*language faculty in the broad sens* , ou FLB) et la faculté de langage au sens étroit (*language
faculty in the narrow sense*, ou FLN). Dans la FLB, on retrouverait au minimum trois systèmes :
(1) un système sensori-moteur, correspondant aux mécanismes de perception et de production de signaux, (2) un système conceptuel-intentionnel, pour les aspects sémantiques, et (3) un système computationnel récursif, ou syntaxique au sens strict. Comme l'illustre la Figure 6, ce dernier système est le seul que l'on retrouve dans la FLN. Il interagirait avec les autres systèmes constituant la FLB, mais serait indépendant de ceux-ci. La propriété fondamentale de la FLN, sa récursivité, permettrait sa productivité, c'est-à-dire sa capacité à générer une quantité infinie d'expressions (phrases), à partir d'un nombre fini d'unités discrètes (i.e. de faire un usage infini de moyens finis, Humboldt, 1836).

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>**Figure 6** Représentation schématique des différents systèmes impliqués dans la faculté de langage au sens large (FLB) et au sens étroit (FLN), et exemples de facteurs internes et externes avec lesquels ces systèmes interagissent. Modifié d'après Hauser et al. (2002).</figcaption></figure>

Du point de vue évolutif, ces auteurs proposent qu'aucune des capacités impliquées dans la FLB ne soit strictement spécifique à l'espèce humaine, et qu'elles puissent se retrouver sous diverses formes, potentiellement moins complexes, chez d'autres espèces, à l'exception de la FLN (voir également Fitch, Hauser, & Chomsky, 2005). Autrement dit, ils proposent une vision continuiste de la FLB, et font l'hypothèse qu'il existe une discontinuité qualitative concernant la FLN : « On the basis of data reviewed below, we hypothesize that most, if not all, of FLB is based on mechanisms shared with nonhuman animals [...]. In contrast, we suggest that FLN - the computational mechanism of recursion- is recently evolved and unique to our species. » (Hauser et al., 2002, p. 1573).

Cette proposition initiale sera par la suite enrichie. Fitch (2014) reprend une idée de Miller (1967), selon laquelle le système cognitif humain ne serait pas seulement capable de
former des représentations hiérarchiques, mais manifesterait également une *propension* à
inférer ce type de structure à partir de données séquentielles. Fitch (2014) étend cette hypothèse
à un cadre comparatif, en proposant qu'une telle préférence pour ce type de représentation
puisse être exclusivement observée chez l'espèce humaine. Il l'appellera l'hypothèse de la
« *dendrophilie* », en référence au caractère hiérarchique, ou arborescent, de ces représentations.
Enfin, cette faculté générative récursive ne se retrouverait pas seulement dans le langage, mais
aussi dans un vaste ensemble de domaines de la cognition humaine (tels que la musique, la
numération, la géométrie, ou encore la théorie de l'esprit ; Fitch, 2014; Hauser & Watumull,
2017³. Cf Figure 7).

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>**Figure 7** Exemples de domaines dans lesquelles des computations récursives pourraient être appliquées. Enchâssement récursif (**a**) d'objets syntaxiques, (**b**) de statuts hiérarchiques, (**c**) de figures géométriques, (**d**) d'états mentaux. $SN$ = syntagme nominal, $Det$ = déterminant, $SAdv$ = syntagme adverbial. Modifié d'après Fischmeister, Martins, Beisteiner, & Fitch (2017).</figcaption></figure>

Parallèlement, Fitch et Hauser (2004), sur la base de travaux antérieurs de Chomsky
(1956, 1957 ; voir section I.2), soulignent que ce type de computation dépasse la puissance

<footnote n="3">³ Cette idée apparaissait déjà dans le papier de Hauser, Chomsky et Fitch (2002), qui proposaient que la spécificité de la cognition humaine ne réside peut-être pas dans sa capacité à effectuer des computations récursives (qui pourraient potentiellement exister chez d'autres espèces pour des fonctions autres que la communication, telle que la navigation spatiale), mais dans l'application de ces computations à divers domaines.</footnote>
expressive des grammaires dites régulières. Ils relèvent que l'existence ou non de capacités génératives supra-régulières chez d'autres espèces nous est inconnue, et avancent une hypothèse complémentaire à la précédente : les capacités computationnelles des animaux non humains seraient restreintes au traitement des grammaires régulières.

## Résumé

* Trois hypothèses complémentaires ont été formulées pour caractériser la spécificité des traitements syntaxiques effectués par l'humain.

* Hypothèse de la récursivité<fnref n="4" /> : la faculté de langage implique un système computationnel récursif apparu récemment au cours de l'évolution de la lignée humaine, permettant l'enchâssement récursif de syntagmes dans des structures hiérarchiques de profondeur arbitraire (Hauser, Chomsky, & Fitch 2002).

* Hypothèse de la dendrophilie : l'humain manifeste une propension particulière à inférer une structure hiérarchique à partir de données séquentielles (Fitch, 2014).

* Hypothèse de la supra-régularité : la capacité à traiter des grammaires supra-régulières est restreinte à l'espèce humaine (Fitch & Hauser, 2004).

## I.5 Confusions à éviter : supra-régularité, arborescence, récursivité

La mise à l'épreuve des hypothèses présentées dans la section I.4 a jusqu'ici majoritairement été effectuée en examinant la capacité de diverses espèces à traiter différents langages artificiels : des langages générés par les trois grammaires supra-régulières vues plus haut d'une part, et le langage (ab)ⁿ d'autre part. Ces langages ont été choisis pour certaines de leurs propriétés (e.g. O'Donnell, Hauser, & Fitch, 2005). Mais du fait d'un manque de caractérisation précise des différentes notions que nous venons d'examiner (Fitch & Hauser, 2004; Hauser et al., 2002), des confusions ont été faites dans les interprétations de ces travaux expérimentaux (e.g. Gentner, Fenn, Margoliash, & Nusbaum, 2006; Rey, Perruchet, & Fagot,

<footnote n="4">⁴ A l'exception de l'hypothèse de la dendrophilie, ces dénominations nous sont propres, et ont pour seul but de permettre d'identifier ces hypothèses plus aisément dans ce manuscrit.</footnote>
2012). Nous tenterons donc ici de clarifier ce que ces différents langages permettent et ne permettent pas de tester, avant de rapporter les résultats de ces expériences.

### I.5.1 Supra-régularité et enchâssement récursif

L'évaluation de la capacité d'une espèce à traiter des grammaires supra-régulières peut s'effectuer en examinant sa capacité à traiter l'une des trois grammaires suivantes : AⁿBⁿ, centrée-emboîtée, et croisée. Cette capacité peut éventuellement être contrastée avec celle de traiter le langage (ab)ⁿ, qui constitue un exemple paradigmatique de langage régulier (cf. section I.2.1 ; voir également Fitch & Hauser, 2004; O'Donnell, Hauser, & Fitch, 2005). Il est attendu qu'une espèce dotée de capacités computationnelles limitées aux langages réguliers échoue à traiter une grammaire supra-régulière, tandis qu'il pourra traiter un langage généré à partir de la grammaire (ab)ⁿ.

En revanche, la comparaison de ces langages ne permet pas de vérifier la capacité d'un système à former des représentations récursivement enchâssées, pour deux raisons. Premièrement, ces deux langages peuvent être générés par une procédure récursive, comme par une procédure non récursive (Fitch, 2010). Par exemple, les deux fonctions récursives suivantes peuvent générer les langages aⁿbⁿ et (ab)ⁿ, respectivement :

$$S \rightarrow a + S + b$$

$$S \rightarrow ab + S$$

Deuxièmement, l'adéquation du langage aⁿbⁿ pour l'étude du traitement de structures hiérarchiques est sujet à discussion. Une grande majorité des expériences employant ce langage l'associe aux constructions syntaxiques hiérarchiques des langues naturelles (e.g. Bahlmann, Schubotz, & Friederici, 2008; de Vries, Monaghan, Knecht, & Zwitserlood, 2008; Fitch, 2014; Fitch & Hauser, 2004; Lai & Poletiek, 2011), et l'arbre syntaxique classiquement employé pour le représenter présente les paires les plus externes comme étant situées à un niveau hiérarchique supérieur aux paires les plus internes (cf. Figure 8a). Le langage aⁿbⁿ est souvent employé dans ces études comme un équivalent artificiel d'une phrase comportant une ou plusieurs propositions relatives organisées de manière centrée-emboîtée, telle que « Le babouin qui dort sur le rocher est brun. » qui, selon les théories génératives, sera représentée par un locuteur du français sous la forme d'une proposition principale dans laquelle une proposition relative aura été enchâssée (cf. Figure 5, p. 23).
Mais, comme le soulignent Ojima et Okanoya (2014), si de telles relations de
dominance/subordination ne sont pas rendues explicites lors de la familiarisation des sujets à
un langage artificiel généré à partir des grammaires AⁿBⁿ, centrée-emboîtée ou croisée, ceux-ci
ne pourront pas se représenter les relations entre les paires comme telles. Par conséquent, ces
auteurs proposent que les sujets de ces expériences soient davantage susceptibles de former des
représentations linéaires des expressions de ce langage, dans lesquelles seules les relations de
dépendance entre les éléments sont encodées (cf. Figure 8b). Parler de structure « centrée-
emboîtée » pour ce langage a pu être à l'origine de cette confusion, mais cette dénomination ne
fait que référer au fait qu'il corresponde à une insertion de paires "AB" au milieu d'autres paires
"A_B". Cette procédure n'implique pas nécessairement que ces paires soient enchâssées les
unes au sein des autres, et donnent lieu à une structure hiérarchique (Fitch, 2010).

<figure><img src="image_9.png" /></figure>

**Figure 8**

a. Arbre syntaxique classiquement utilisé pour représenter une grammaire aⁿbⁿ (ici n = 3). Selon ce diagramme, la représentation de la séquence est organisée hiérarchiquement. b. Arbre syntaxique pouvant également représenter une grammaire aⁿbⁿ. Noter que cette représentation alternative n'implique pas d'organisation hiérarchique de la séquence, mais seulement des dépendances entre les différents éléments (les éléments partageant un même index (1-3) étant appariés). D'après Ojima & Okanoya (2014).

De plus, le contraste entre les langages aⁿbⁿ et (ab)ⁿ n'est pas nécessairement pertinent (Ojima & Okanoya, 2014). En effet, ces deux langages peuvent tout autant donner lieu à des représentations linéaires ou hiérarchiques, en fonction des stimuli employés pour les implémenter. Par exemple, des expressions de la forme (ab)ⁿ peuvent être trouvées dans les langues naturelles, sous la forme de grammaires branchées à droite (e.g. « C'est ce qu'a dit la mère de la tante du cousin de Marie (...). »).

Mais il existe également des arguments en faveur de l'existence de mécanismes
communs pour le traitement des grammaires artificielles AⁿBⁿ, centrée-emboîtée ou croisée, et
de structures linguistiques. Le traitement de phrases organisées en syntagmes implique le
maintien temporaire en mémoire de résultats intermédiaires du traitement (e.g. encodage des
différents mots composant le syntagme nominal, stockage temporaire du résultat de ce traitement, encodage du syntagme verbal, et intégration de l'ensemble ; voir Fitch, 2014). On peut envisager que le même type de mémoire soit impliqué lors du traitement d'un langage supra-régulier construite à partir de stimuli artificiels. Par exemple, traiter une expression générée à partir de la grammaire AⁿBⁿ nécessite un stockage en mémoire du nombre de "a" ayant été comptés, afin de pouvoir le comparer ultérieurement avec le nombre de "b". Le traitement du langage (ab)ⁿ, à l'inverse, qui ne présente que des régularités locales, ne nécessiterait pas, ou dans une moindre mesure, le maintien d'informations en mémoire. Nous verrons dans la section II.2.4 que les résultats de plusieurs expériences de neuro-imagerie suggèrent que le traitement de grammaires artificielles supra-régulières, et le traitement d'expressions linguistiques complexes, présentent effectivement certaines similarités.

## 1.5.2 Récursivité et organisation hiérarchique

L'enchâssement récursif est à distinguer de la décomposition d'un ensemble hiérarchiquement organisé en composants élémentaires. Par exemple, Pinker et Jackendoff (2005), dans une réponse à l'article de Hauser et al. (2002), avaient donné un exemple de « récursivité » dans le domaine de la perception visuelle, illustré par la Figure 9. Cette figure complexe peut être décomposée en constituants élémentaires : quatre matrices rectangulaires, chacune étant elle-même décomposable en quatre matrices, etc., jusqu'à arriver aux éléments minimaux "x".

<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>**Figure 9** Exemple de structure hiérarchique visuelle, d'après Pinker & Jackendoff (2005).</figcaption></figure>
Traiter une structure organisée de manière hiérarchique telle que celle-ci requière bien
la capacité de se représenter des relations de subordination entre un certain nombre d'entités,
occupant un certain nombre de niveaux. Toutefois, seuls les niveaux hiérarchiques « connus »
peuvent être représentés : aucune inférence ne pourra être faite quant aux règles à appliquer
pour générer de nouveaux niveaux. Car ce n'est pas une expression linguistique (ou une
structure) qui est récursive, mais la procédure générative qui en est à l'origine. Du fait de sa
récursivité, une telle procédure permet de générer ou représenter de nouveaux niveaux
hiérarchiques, sans que de nouvelles règles aient à être spécifiées.

Un test valable de la capacité d'un système à effectuer ce type de computations devra
donc vérifier que ce système est capable de générer (ou de reconnaître) de nouveaux niveaux
hiérarchiques, au-delà de ceux disponibles (Martins, 2012). L'emploi d'un matériel
expérimental tout à fait différent des langages artificiels que nous avons vu jusqu'à présent,
comme des figures géométriques fractales (cf. Figure 7c et Figure 10), pourrait être plus adéquat
pour évaluer la capacité d'un système cognitif à effectuer des computations récursives (e.g.
Fischmeister et al., 2017).

Résumé

* Les langages $a^n b^n$ sont impropres pour tester la capacité d'un système à former des représentations récursivement enchâssées.

* Ils constituent en revanche un matériel idéal pour tester la capacité d'un système à traiter des grammaires supra-régulières, en le contrastant par exemple avec le langage $(ab)^n$, qui est régulier.

* La capacité d'un système cognitif à former des représentations hiérarchiques de manière récursivement enchâssées peut s'effectuer en employant d'autres types de matériel expérimental (Figure 10). Un test valable de la capacité d'un système cognitif à former ce type de représentations devra examiner si ce système peut générer de nouveaux niveaux hiérarchiques.
<figure><img src="image_11.png" /></figure>

**Figure 10** La récursivité et la supra-régularité sont deux propriétés caractérisant la faculté de langage (au centre). L'évaluation de la capacité d'un système à effectuer des computations récursives, et celle de sa puissance générative peuvent toutefois requérir d'employer des matériels expérimentaux tout à fait différents.

## II. Données Comparatives

On distingue classiquement deux approches pour l'étude des capacités syntaxiques des animaux NH : l'étude des productions naturelles, et l'étude des capacités d'apprentissage en laboratoire (e.g. Petkov & Wilson, 2012).

### II.1 Production

#### II.1.1 Communication

Nous ne traitons ici que de travaux portant sur des aspects strictement syntaxiques des productions vocales, i.e. sur la description des règles gouvernant l'organisation des éléments dans des séquences de vocalisations. Nous ne rapportons pas les études et discussions autour des questions de sémantique combinatoire (pour des travaux récents sur ces questions, voir e.g. Schlenker, Chemla, & Zuberbühler, 2016; Suzuki, Wheatcroft, & Griesser, 2016). Nous n'aborderons pas non l'étude des productions induites expérimentalement dans le cadre des recherches sur l'apprentissage de langages chez l'animal (Animal Language Research)<fnref n="5" />.

<footnote n="5">⁵ Ces travaux consistent à apprendre à des animaux la langue des signes (e.g. Gardner & Gardner, 1969) ou à utiliser un tableau de symboles visuels (« lexigramme » ; e.g. Savage-Rumbaugh & Lewin, 1996).</footnote>
II.1.1.1 Chez les espèces non-primates

Les chants de certaines espèces d'oiseaux chanteurs peuvent être considérés comme étant organisés de manière hiérarchique, au sens où ils sont composés d'unités discrètes (ten Cate, Lachlan, & Zuidema, 2013), pouvant être regroupées entre elles en unités plus larges (e.g. une série de répétitions d'une même syllabe) appelées « motif », ou *phrase* (ten Cate & Okanoya, 2012), et organisées selon une certaine structure. Cette structure peut être décrite par des grammaires régulières comprenant un nombre fini d'états, et des probabilités transitionnelles entre ces états (i.e. les règles de passage d'un état à un autre ne sont pas déterministes, mais probabilistes ; Berwick, Okanoya, Beckers, & Bolhuis, 2011). Les analyses formelles appliquées à ces chants ont toutefois identifié des variations de complexité entre différentes espèces.

Des chaînes de Markov de premier ordre (ne prenant en compte que le dernier élément de la séquence pour prédire le suivant ; i.e. ne vérifiant que des bigrammes) semblent par exemple suffire pour modéliser la plupart des chants de l'étourneau sansonnet (Sturnus vulgaris, Gentner & Hulse, 1998) et de différentes espèces de grives américaines (Dobson & Lemon, 1979). Les chants du moineau du japon (*Lonchura striata* var. *domestica*) en revanche, sont typiquement organisés en fragments (en anglais, *chunks*), chacun comprenant une à cinq notes (Suge & Okanoya, 2010). Les grammaires régulières décrivant la structure de ces chants comportent des boucles, qui ont pour effet qu'un nombre arbitraire de répétitions d'un même fragment puisse apparaître entre deux autres fragments (Hosino & Okanoya, 2000). Pour décrire ces chants, il est donc nécessaire d'utiliser des chaînes de Markov « *n*-gram » ayant une fenêtre de vérification de taille supérieure (Kakishita, Sasahara, Nishino, Takahasi, & Okanoya, 2009)<fnref n="6" />. De la même manière, les chants du rossignol philomèle (Luscinia megarhynchos) présentent des boucles permettant l'insertion d'un nombre arbitraire de fragments entre d'autres fragments (Todt & Hultsch, 1998). Les chants de ces espèces ne sont toutefois pas organisés sous la forme d'enchâssements de *profondeur* arbitraire, i.e. organisés sur plusieurs niveaux hiérarchiques (Berwick et al., 2011).

<footnote>L'étude de l'organisation syntaxique des expressions produites par ces individus suggère qu'elles sont d'un niveau de complexité limité (Terrace, Petitto, Sanders, & Bever, 1979; Truswell, 2017; Yang, 2013).</footnote>

<footnote n="6">⁶ Bien que l'immense majorité des travaux de formalisation de ces productions vocales aient employé des chaînes de Markov de diverses sortes, il est à noter que d'autres types de modèles pourraient s'avérer plus appropriés (e.g. voir Kershenbaum et al., 2014).</footnote>
Des chants complexes composés d'unités élémentaires ont également été rapportés chez des mammifères marins comme la baleine à bosses (*Megaptera novaeangliae* (Green, Mercado, Pack, & Herman, 2011; Suzuki, Buck, & Tyack, 2006). La formalisation de ces chants requerrait également des chaînes de Markov d'ordre supérieur, car ils impliquent des dépendances à longue distance ; mais ici encore des grammaires régulières suffisent (pour une discussion, voir Kinsella, 2010). Enfin, bien que la grande majorité des travaux sur la question se soient concentrés sur les oiseaux chanteurs et les mammifères marins, on peut toutefois noter que d'autres espèces présentent des séquences de vocalisations comportant des unités élémentaires regroupées en fragments plus larges (e.g. chez la tourterelle, *Streptopelia decaocto*, ten Cate & Ballintijn, 1996 ; ou la souris, *Mus domesticus*, Holy & Guo, 2005).

### II.1.1.2 Chez les primates non-humains

L'étude de l'organisation séquentielle des signaux de communication n'est apparue que très récemment dans le champ de la primatologie. Mais ces travaux, fruits de collaborations entre primatologues et linguistes, offrent une approche rigoureuse pour l'étude des propriétés formelles des systèmes de communication des primates NH<fnref n="7" /> (Schlenker, Chemla, & Zuberbühler, 2016).

Chez certaines espèces de singes, différentes vocalisations peuvent être émises au cours d'une même séquence de production, dans un ordre non aléatoire. Chez le mone de Campbell, la vocalisation *boom* est typiquement émise par paire et en début de séquence (*Cercopithecus campbelli* ; Zuberbühler, 2002). Chez le colobe, deux vocalisations, *snort* et *roar*, sont toujours émises dans le même ordre lorsqu'elles sont présentes dans une même séquence, un seul *snort* étant suivi par plusieurs *roar* (*Colobus polykomos* et *Colobus guereza* ; Schel, Tranquilli, & Zuberbühler, 2009). Chez une espèce de cercopithèque (putty-nosed monkeys, *Cercopithecus nictitans*), les mâles émettent des séquences consistant en une concaténation de plusieurs *pyows* suivis de plusieurs *hacks*. Des régularités sont également rapportées dans les séquences de vocalisations du titi, un singe du nouveau monde (*Callicebus nigrifrons* ; Cäsar, Zuberbühler, Young, & Byrne, 2013).

L'interprétation selon laquelle l'ordre d'émission de ces vocalisations serait gouverné par des règles n'en est toutefois qu'une parmi d'autres possibles, et plus ou moins pertinente

<footnote n="7">⁷ A notre connaissance, ces travaux n'ont jusqu'à présent porté que sur les singes non-anthropoïdes ; à l'exception du gibbon (voir Clarke, Reichard, & Zuberbühler, 2006).</footnote>
selon les cas (pour une discussion complète, voir Schlenker, Chemla, Schel, et al., 2016a, 2016b). Par exemple, les singes *putty-nosed* pourraient se représenter les séquences constituées d'une série de *pyows* suivie d'une série de *hacks* sous la forme d'une règle (e.g. *pyow+ hack+*). Mais ils pourraient également avoir mémorisé une série d'exemplaires, chacun correspondant à une longueur possible de séquence (e.g. *pyow hack*, *pyow pyow hack*, etc). Le nombre relativement important de séquences différentes de ce type ayant été enregistrées par les chercheurs constitue un argument en faveur du premier type d'encodage, mais des études supplémentaires seraient nécessaires pour répondre à cette question. Par ailleurs, le rôle joué par différents types de contraintes sur cette organisation reste à déterminer. Dans le cas du mone de Campbell, par exemple, les caractéristiques articulatoires du *boom*, qui requièrent que les sacs d'air de l'individu émetteur soient pleins, pourraient expliquer que cette vocalisation n'apparaisse qu'en tout début de séquence.

Deux séries de travaux suggèrent de leur côté la présence d'affixes dans les systèmes de communication de deux espèces de singes, ce qui pourrait constituer des cas de régularités morphologiques (Schlenker, Chemla, Schel, et al., 2016a, 2016b). Chez le mone de Campbell toujours, un suffixe -oo peut être observé à la suite de deux vocalisations différentes, *krack* et *hok* (Ouattara, Lemasson, & Zuberbühler, 2009; Schlenker et al., 2014). Chez le cercopithèque diane, une vocalisation particulière peut se trouver à la suite de différentes autres vocalisations (*Cercopithecus diana*, Candiotti, Zuberbühler, & Lemasson, 2012; Coye, Zuberbühler, & Lemasson, 2016).

Cet ensemble de données suggère que l'organisation séquentielle des vocalisations n'atteint que des niveaux de complexité assez limités chez les primates non-humains. Mais le nombre d'espèces étudiées reste encore très restreint, et la conduite d'études ne se focalisant plus seulement sur les vocalisations, mais également sur les gestes de communication offre une piste complémentaire prometteuse (Byrne et al., 2017).

## II.1.2 Fonctions non-communicatives

En dehors des systèmes de communication, l'existence de représentations hiérarchiques récursivement enchâssées, et nécessitant des capacités computationnelles supra-régulières, a été postulée dans plusieurs autres domaines de la cognition humaine : dans la cognition spatiale, la cognition sociale, la numération et la programmation de séquences d'actions complexes (e.g. Hauser & Watumull, 2017). Pour illustrer l'état d'avancement des recherches comparatives
dans ces domaines, nous développerons deux aspects : la cognition sociale et les séquences d'actions complexes.

### II.1.2.1 Cognition sociale

Les travaux des primatologues D. Cheney et R. Seyfarth sur le babouin hamadryas (Papio hamadryas ursinus) indiquent que la structure sociale de cette espèce respecte une hiérarchie de dominance organisée en deux niveaux : un premier niveau correspondant à une hiérarchie entre les familles (avec une transmission matrilinéaire du rang social), et un second niveau de hiérarchie entre les individus au sein de ces familles (cf. Figure 11; Cheney & Seyfarth, 2007). Ces auteurs ont effectué des expériences de play-back afin de déterminer si les babouins se représentent ces deux niveaux de hiérarchie (Bergman, Beehner, Cheney, & Seyfarth, 2003). Pour réaliser ces expériences, ils ont utilisé deux types de vocalisations : une vocalisation typiquement émise par les femelles hamadryas pour menacer un individu subordonné (*threat-grunt*), et une vocalisation typiquement émise par un individu menacé par une femelle de rang supérieur (*scream*). Une procédure de violation des attentes était employée : des séquences de vocalisations violant les rangs hiérarchiques étaient diffusées (e.g. *threat-grunt* de l'individu de rang 2 suivi d'un *scream* de l'individu de rang 1, cf Figure 11), et les réponses d'orientation des babouins en direction du haut-parleur mesurées.

<figure><img src="image_12.png" /><figcaption>**Figure 11** Organisation hiérarchique typique d'un groupe de babouins hamadryas. Les familles (lettres), et les individus (nombres) entretiennent des relations de dominance linéaire. Modifié d'après Seyfarth & Cheney (2014).</figcaption></figure>

Les babouins ont davantage réagi aux séquences présentant une violation de rang entre deux familles, qu'à celles avec une violation de rang au sein d'une même famille, et ce indépendamment de l'écart de rang entre les individus. Ainsi, dans l'exemple de la Figure 11,
les babouins auront plus tendance à réagir si dans la séquence diffusée l'individu 4 menace l'individu 3 (inter-famille), que si l'individu 3 menace l'individu 2 (intra-famille).

Ces résultats suggèrent que les babouins hamadryas se représentent les rangs de dominance au sein de leur groupe sous la forme d'une hiérarchie à deux niveaux. Toutefois, ils ne nous permettent pas de tirer de conclusions définitives quant au caractère récursif de ce système de représentation. Par exemple, l'encodage des rangs familiaux pourrait être représenté de trois manières différentes : (1) par une série de représentations des liens de subordinations entre chaque famille deux-à-deux (Famille A > Famille B ; Famille B > Famille C ; etc), (2) sous la forme d'une hiérarchie de dominance enchâssée (Famille A > Famille B > Famille C > ...), ou (3) une hiérarchie de dominance *récursivement* enchâssée (ce dernier type de représentation aurait alors pour propriété de pouvoir inclure de nouvelles familles comme autant de nouveaux niveaux dans le système). Pour ce qui est de la distinction entre les deux premières hypothèses, il n'est pas rare que les groupes de babouins hamadryas comportent au moins dix familles (Cheney & Seyfarth, 2007), ce qui rend le nombre de comparaisons deux-à-deux à mémoriser assez important (e.g. pour un cas où la troupe comporte dix familles, il serait nécessaire de mémoriser 45 combinaisons). L'adoption d'une représentation transitive du rang hiérarchique des différentes familles (hypothèse 2) pourraient donc constituer un mode d'encodage moins coûteux en termes de ressources mnésiques. Mais cette hypothèse n'a pas été vérifiée expérimentalement. La distinction entre les hypothèses (2) et (3) est plus difficile encore, les familles constituant un groupe, et la hiérarchie entre ces familles étant extrêmement stable chez cette espèce (Cheney & Seyfarth, 2007).

### II.1.2.2 Actions complexes

Byrne et Russon (1998 ; voir également Byrne, Corp, & Byrne, 2001) ont étudié les séquences d'actions impliquées dans les comportements alimentaires du gorille des montagnes (Gorilla g. beringei), et dans l'imitation d'actions complexes effectuées par des humains, par des orangs-outans (Pongo pygmaeus). Les auteurs proposent que ces phénomènes relèvent d'une organisation hiérarchique, plutôt que linéaire. Leur argumentation repose sur l'observation que ces séquences sont organisées en buts (e.g. chez le gorille, retirer les parties non-comestibles de la plante) pouvant être décomposés en sous-buts (e.g. détacher le pétole, arracher les épines). Les auteurs proposent ainsi que ces séquences comportementales puissent être décrites en utilisant le même type de règles de réécriture employées en linguistique pour
décomposer une expression linguistique en ses différents composants, et le même type de diagramme (Figure 12).

<figure><img src="image_13.png" /><figcaption>**Figure 12** Diagramme représentant la hiérarchie des buts et sous-buts impliqués dans les séquences comportementales visant à la consommation de feuilles d'orties chez le gorille. Modifié d'après Byrne & Russon (1998).</figcaption></figure>

Ces formalisations permettent de rendre compte de l'ordre dans lequel se déroulent les différentes opérations. Elles permettent également de rendre compte du fait que certaines opérations sont optionnelles (nettoyer), et que d'autres peuvent être répétées de manière itérative (e.g. effeuiller). Corp et Byrne (2002) décrivent également chez le chimpanzé (Pan troglodytes) des séquences comportementales flexibles pour la préparation de deux espèces de plantes dont les feuilles comportent des parties difficiles à ingérer. Ces séquences sont ici aussi décrites comme étant composées de différents modules correspondant à différents sous-buts, certains de ces modules pouvant être optionnels ou répétés. De plus, les auteurs rapportent dans ce cas l'existence de différents modules alternatifs pour l'atteinte d'un même sous-but (e.g. plusieurs techniques sont observées pour le détachement des pétioles, chez chacun des individus).

Ces séquences de préparation d'aliments avant leur ingestion peuvent donc être décrites de manière hiérarchique. L'existence d'une certaine flexibilité dans ces séquences comportementales rend plausible l'interprétation des auteurs selon laquelle les représentations
mentales de ces séquences par les grands singes seraient elles-mêmes hiérarchiques, plutôt que de consister en un stockage de ces différents programmes sous la forme de séquences strictement linéaires et fixes. Mais là encore, il est difficile de tirer une conclusion définitive.

Par ailleurs, ces observations ne permettent pas de conclure quant aux propriétés de récursivité ou de supra-régularité de ces systèmes. Nous avons vu dans la section I.5.2 que les procédures récursives ont pour particularité de permettre la génération de nouveaux niveaux hiérarchiques, au-delà de ceux donnés. Or, si le comportement alimentaire des gorilles décrit dans la Figure 12 implique l'application itérative d'une opération, cette itération se déroule au sein d'un même niveau hiérarchique, et n'accroît pas la profondeur de la hiérarchie. Cette limitation est toutefois inhérente à la relative simplicité de la tâche. Elle ne met donc pas en évidence une limitation cognitive chez cette espèce, mais rend inadéquate l'observation de ce comportement pour mettre à l'épreuve l'hypothèse d'une spécificité humaine pour la capacité de récursivité.

De plus, comme le soulignent les auteurs, à la différence du traitement d'une phrase, par exemple, qui requière un stockage en mémoire de travail des différents sous-éléments la composant afin de les intégrer et d'en former une représentation hiérarchique complète, ici aucun maintien en mémoire des actions passées et/ou de l'état d'avancement de la tâche n'est nécessaire. Les végétaux sur lesquels sont appliquées ces opérations sont en effet continuellement sous les yeux de l'animal. Cet aspect de la situation la rend par conséquent également impropre pour étudier la capacité d'un organisme à traiter des grammaires supra-régulières (qui se caractérisent, rappelons-le, par la possession a minima d'une mémoire à pile permettant de stocker les différentes étapes intermédiaires du traitement de la séquence).

### II.1.3 Conclusions

L'importance de ces études réside donc essentiellement dans le fait qu'elles documentent une certaine variété de comportements naturels (i.e. non induits expérimentalement) pour lesquels des capacités syntaxiques et d'organisation hiérarchique, et éventuellement de récursivité et supra-régularité, pourraient avoir été sélectionnées au cours de l'évolution. Mais ces observations sont, pour une majorité d'entre elles, inadéquates pour déterminer précisément la nature des représentations sous-jacentes à ces différents comportements. Etudier ce dernier aspect nécessite la conduite d'expériences contrôlées.
Résumé

* Des systèmes syntaxiques complexes, formalisables par des grammaires régulières, sont mis en évidence chez plusieurs espèces.

* Des représentations hiérarchiques sont susceptibles de sous-tendre ces systèmes de communication, ainsi que la représentation des relation sociales et la production de séquences d'actions complexes.

* Il n'y a cependant aucune indication claire sur l'existence d'un système supra-régulier, ou d'enchâssement récursif, chez les espèces ayant été étudiées.

* Il est difficile de déterminer la nature exacte des représentations sous-jacentes sans conduire des expériences contrôlées.

II.2 Apprentissage de grammaires artificielles

Les études visant à situer les capacités computationnelles de différentes espèces animales au sein de la hiérarchie de Chomsky (1956, 1957) ont très largement dominé au cours de la dernière décennie. De fait, contrairement aux déclarations apparaissant dans certaines de ces études (voir section I.5), il n'existe pas à ce jour d'étude testant la capacité d'une espèce non-humaine à effectuer des computations récursives (Fitch & Friederici, 2012; Watumull et al., 2014). Après une introduction aux principes généraux de ces expériences, nous présentons rapidement les principales études comparatives réalisées sur l'apprentissage de grammaires régulières. Nous offrons ensuite une revue détaillée des expériences visant à tester l'hypothèse d'une spécificité humaine pour le traitement de grammaires supra-régulières.

II.2.1 Procédures expérimentales : principes de l'AGL

L'apprentissage de grammaires artificielles (en anglais, Artificial Grammar Learning, ci-après AGL) est un paradigme expérimental utilisé pour caractériser les processus à l'œuvre dans le traitement de la syntaxe chez l'adulte humain (e.g. Petersson, Folia, & Hagoort, 2012). Il est également largement employé pour étudier l'acquisition du langage (pour une revue, Gómez & Gerken, 2000), et l'évolution des capacités syntaxiques au cours de la phylogenèse (e.g. ten Cate, 2017; ten Cate & Okanoya, 2012; Fitch & Hauser, 2004). Il part du postulat que
l'on peut dissocier l'étude des traitements sémantiques et syntaxiques, en utilisant pour cette dernière des stimuli dépourvus de sens, tels que des syllabes (ne correspondant pas à des mots utilisés dans la langue des participants), des sons (notes musicales, sons, vocalisations), des formes géométriques, etc. Le principe est simple : ces stimuli sont présentés dans des séquences, organisées selon une certaine grammaire plus ou moins complexe, le but étant d'évaluer l'apprentissage de cette grammaire par les participants. Ces expériences sont divisées en deux phases. Dans une première phase d'exposition (également appelée phase de familiarisation, ou d'habituation), le participant est exposé à un ensemble de séquences générées par la grammaire d'intérêt. Dans une deuxième phase de test, de nouvelles séquences sont présentées. Classiquement, deux types de nouvelles séquences sont utilisées : la moitié est congruente avec la grammaire initiale, tandis que la deuxième moitié est non-congruente (i.e. les séquences comportent des violations de cette grammaire). Une réponse différentielle aux deux types de séquences test permet en principe d'inférer un apprentissage réussi de la grammaire sous-jacente<fnref n="8" />. Ces tâches peuvent être exclusivement comportementales, ou combinées avec des techniques d'imagerie cérébrales.

Les expériences d'AGL peuvent être implémentées dans divers types de tâches, qui peuvent différer selon que l'on teste des participants humains ou non-humains. Chez l'adulte humain, un premier type de tâche consiste à présenter aux participants une tâche de classification, postérieurement à la phase d'exposition passive. Les consignes fournies lors de cette tâche de classification sont plus ou moins directives. Dans la plupart des expériences, les participants doivent émettre des jugements de grammaticalité sur les séquences test, après avoir été informés que les séquences de la phase d'exposition correspondent à une certaine structure ou grammaire sous-jacente. Dans d'autres types de tests, il est simplement demandé aux participants de juger si les séquences test sont « similaires » ou « différentes » des séquences d'exposition, ou de donner un jugement de préférence, sans que l'existence d'une grammaire sous-jacente soit mentionnée (Forkstam, Elwér, Ingvar, & Petersson, 2008; Manza & Bornstein, 1995). Un deuxième type de tâche implémente le principe de l'AGL dans une tâche de pointage sériel (en anglais *Serial Response Time task*, ou SRT; Nissen & Bullemer, 1987). Dans ces tâches, une cible se déplace sur un écran selon certaines régularités prédéfinies, et le participant doit toucher cette cible le plus vite possible à chacun de ses déplacements. Les temps de réponse

<footnote n="8">⁸ De nombreux facteurs confondus sont toutefois susceptibles d'exister dans ces expériences, et nous allons voir dans notre revue qu'une difficulté majeure des expériences AGL est de parvenir à prévenir l'utilisation par les participants de stratégies permettant de distinguer les séquences congruentes et non-congruentes sans traiter la grammaire sous-jacente.</footnote>
reflètent les prédictions du participant quant à l'emplacement de la prochaine cible. Enfin, des
tâches d'habituation-déshabituation peuvent être employées chez les enfants pré-linguistiques :
les réactions des participants aux différents types de séquences test sont alors mesurées par ses
réponses d'orientation (e.g. nombre, durée, ou latence des réponses d'orientation vers le haut-
parleur).

Pour l'expérimentation chez l'animal NH, on distingue trois grands types de protocoles.
Comme pour les enfants pré-linguistiques, des protocoles d'habituation-déshabituation peuvent
être employés. Classiquement, les participants sont exposés à des séquences diffusées via un
haut-parleur pendant une certaine durée, généralement assez courte (< 1h ; éventuellement
augmentée d'une courte période de ré-habituation précédant immédiatement le test). Un
deuxième type de protocole implique un entraînement des participants, selon les principes du
conditionnement opérant, à discriminer entre deux ensembles de séquences générées par deux
grammaires différentes. Ces protocoles peuvent être implémentés dans des tâches à choix forcé
(forced choice tasks, où le participant doit sélectionner le stimulus positif parmi deux
alternatives, ou davantage) ou des tâches Go/No-go (où le sujet doit répondre, par exemple en
appuyant sur un levier, aux stimuli positifs, et négliger de répondre aux stimuli négatifs). Les
participants sont typiquement renforcés sur les essais de base (baseline) qui constituent une part
importante des essais lors des tests, afin de maintenir la motivation des animaux, mais ne sont
pas renforcés, ou le sont aléatoirement, dans les essais tests. Enfin, les animaux peuvent
également être testés à l'aide d'une tâche de pointage sériel. Dans ce dernier cas, ils sont
renforcés non différentiellement, i.e. qu'ils extraient ou non les régularités sous-jacentes au
déplacement de la cible.

II.2.2 Etudes comportementales : grammaires régulières

Saffran et al. (2008) ont testé des enfants humains de 12 mois et des tamarins (Saguinus oedipus) avec une procédure d'habituation-déshabituation. Des séquences auditives étaient diffusées aux participants, séquences générées à partir d'un vocabulaire comprenant cinq mots dépourvus de sens (A = biff, C = cav, D = klor, F = dupp, G = jux), et qui suivaient la grammaire régulière illustrée par la Figure 13.
<figure><img src="image_14.png" /></figure>

**Figure 13** Diagramme représentant la grammaire régulière utilisée dans les différentes expériences présentées dans cette section. Les nœuds correspondent à différents éléments, obligatoires (en bleu) ou optionnels (en vert). Les séquences congruentes peuvent être générées en suivant n'importe quel chemin spécifié par les flèches, de l'état initial (Eᵢ) à l'état final (Ef). Les séquences non-congruentes sont composées des mêmes éléments, mais leur ordre de présentation ne suit pas les flèches. Modifié d'après Wilson et al. (2013).

Testés ensuite à l'aide de nouvelles séquences composées de ces mêmes mots, les enfants (Expérience 1) comme les tamarins (Expérience 3) se sont davantage orientés vers le haut-parleur lors de la diffusion de séquences comportant des violations (e.g. ADF), par rapport à celle de séquences grammaticalement correctes (e.g. ACF). Toutefois, ils observent des différences entre les deux espèces : dans une autre expérience, les participants étaient exposés à un langage où chaque classe ne comportait plus seulement un mot, mais plusieurs (e.g. A = {biff, hep, mib, rud}, etc.). Les tamarins n'ont pas réagi différemment aux nouvelles séquences congruentes et non-congruentes (Expérience 4). Les bébés humains au contraire, testés avec le même matériel, ont réagi aux violations (Expérience 2). Selon les auteurs, ces résultats suggèrent donc que les tamarins partagent avec l'humain la capacité à reconnaître une grammaire régulière sous-tendant un jeu de séquences auditives. Mais elles indiquent également que dans des conditions expérimentales comparables, les enfants mais non les tamarins sont parvenus à extraire la grammaire d'un langage artificiel plus proche d'une langue naturelle (celle-ci comprenant typiquement plusieurs mots par catégorie syntaxique, plutôt qu'un seul).

Des réplications partielles de cette étude, effectuées chez le pigeon (*Columba livia* ; Herbranson & Shimp, 2003, 2008), le moineau du japon (*Lonchura striata* var. domestica ; Abe & Watanabe, 2011), le macaque rhésus (*Macaca Mulatta*) et le marmouset commun (*Callithrix jacchus* ; Wilson et al., 2013) ont également donné des résultats positifs. Dans cette dernière étude, les auteurs ont toutefois mis au jour des différences interspécifiques après une analyse plus fine de leurs résultats. Cette analyse détaillée révèle que les marmousets réagissent essentiellement à des violations touchant le premier élément de la séquence (i.e. réagissent lorsque la séquence ne commence pas par l'élément A). Les macaques rhésus, eux, réagissent correctement aux violations survenant à d'autres positions de la séquence.
Dans une revue critique de l'ensemble de ces études<fnref n="9" />, Beckers, Berwick, Okanoya, et Bolhuis (2016) ont souligné qu'elles comportaient systématiquement un facteur confondu avec la grammaticalité des séquences : leur similarité acoustique. En effet, une analyse détaillée de leurs matériels expérimentaux révèle que les nouvelles séquences grammaticales présentées lors du test comportent systématiquement des fragments de séquences présentées lors de la période d'habituation, tandis que les séquences agrammaticales en comportent moins, ou aucun. Ces résultats peuvent donc également être expliqués par la détection des violations de ces fragments par les participants, plutôt que par la détection de violations de la grammaire *per se*. Cette critique ne touche cependant pas spécifiquement les études menées chez l'animal NH. Perruchet et Pacteau (1990) ont par exemple montré que les performances de leurs participants dans une tâche classique de jugement de grammaticalité ne différaient pas, qu'ils aient été préalablement exposés à des séquences suivant cette grammaire ou exposés à une simple liste des bigrammes composant ces séquences. Distinguer les effets de la similarité perceptive entre les séquences et les effets de grammaticalité nécessite donc un contrôle minutieux de la fréquence d'occurrence de fragments de séquences familières, au sein des séquences test congruentes et non-congruentes (e.g. Meulemans & Van der Linden, 1997)<fnref n="10" />. A notre connaissance, aucun contrôle expérimental de ce type n'a été réalisé chez l'animal NH.

## II.2.3 Etudes comportementales : grammaires supra-régulières

### II.2.3.1 Expérience princeps

La première étude testant l'hypothèse selon laquelle seul l'humain serait capable de traiter des grammaires supra-régulières a été effectuée par Fitch et Hauser (2004). La capacité d'une espèce de primate non-humain, le tamarin à crête blanche (*Saguinus oedipus*), à discriminer des langages générés par les grammaires AⁿBⁿ et (AB)ⁿ a été testée par une tâche d'habituation-déshabituation (Figure 14). Comme nous l'avons vu dans la section I.2, la première de ces grammaires constitue un exemple paradigmatique de grammaire supra-

<footnote n="9">⁹ A l'exception des expériences d'Herbranson et Shimp (2003,2008), dans lesquelles le même type d'analyse avait toutefois été réalisé, menant à des conclusions similaires à celles de Beckers et al. (2016).</footnote>

<footnote n="10">¹⁰ L'effet de la fréquence d'occurrence de bigrammes et trigrammes familiers au sein des nouvelles séquences grammaticale et non-grammaticales était contrôlé dans l'expérience de Saffran et al. (2008) par l'ajout d'une condition contrôle présentant un langage *non prédictif* contenant ces n-grammes. L'analyse réalisée par Beckers et al. (2016) montre toutefois que la procédure employée est insuffisante pour permettre d'écarter définitivement cette explication alternative.</footnote>
régulière, et la deuxième est un exemple de grammaire régulière (voir également O'Donnell, Hauser, & Fitch, 2005). Des participants humains étaient également testés.

<figure><img src="image_15.png" /><figcaption>**Figure 14** Illustration de la procédure d'habituation-déshabituation employée par Fitch et Hauser (2004). Modifié d'après Hauser, Newport, et Aslin (2001).</figcaption></figure>

Les participants étaient d'abord familiarisés avec une série de séquences auditives générées par l'une ou l'autre de ces grammaires. Le vocabulaire était constitué de syllabes énoncées par des voix humaines, dont la classe était marquée perceptivement : les syllabes implémentant la classe A et celles implémentant la classe B étaient respectivement énoncées par une voix féminine et une voix masculine. Ces séquences de familiarisation comportaient quatre ou six éléments, donnant par exemple, « di yo gu do » et « la no yo mo bi gu » pour la grammaire AⁿBⁿ, et « di mo yo pa » et « di pa wu bi tu nu » pour la grammaire (AB)ⁿ (les syllabes en gras correspondant à la voix féminine). De nouvelles séquences de même longueur (i.e. n = {2, 3}) et générées à partir du même vocabulaire étaient ensuite diffusées lors du test. La moitié de ces séquences test correspondait à la grammaire AⁿBⁿ, et l'autre à (AB)ⁿ.

Au cours de cette phase de test, le groupe de tamarins familiarisés à la grammaire (AB)ⁿ a exprimé davantage de réponses d'orientation en direction du haut-parleur lors de la diffusion
des séquences non-congruentes ; tandis que les tamarins familiarisés à la grammaire AⁿBⁿ n'ont pas exprimé de réponse différentielle aux séquences congruentes et non-congruentes. Les humains, eux, ont davantage classifié les séquences non-congruentes comme étant différentes des séquences familières, quel qu'ait été le langage avec lequel ils avaient été familiarisés. Selon les auteurs, ces résultats suggèrent qu'au moins une espèce de primates NH, le tamarin, est capable de traiter et de reconnaître une grammaire régulière, mais pas une grammaire supra-régulière. Ces données supportent donc l'hypothèse selon laquelle seule l'espèce humaine aurait les capacités computationnelles nécessaires pour traiter ce dernier type de grammaire.

### II.2.3.2 Revue critique des données chez l'humain

Un certain nombre de publications offrent une analyse critique de cette étude princeps (M. H. de Vries et al., 2008; Hochmann, Azadpour, & Mehler, 2008; Perruchet & Rey, 2005). Toutes mettent en avant le principe suivant : l'échec des tamarins à traiter la grammaire supra-régulière dans cette tâche n'est pertinent, au regard des conclusions tirées par les auteurs, que si les participants humains ont effectivement effectué la tâche en traitant cette grammaire. Avant d'examiner deux des points pertinents soulevés par ces analyses, il nous faut signaler que l'une des critiques adressées est que les humains pourraient avoir « simplement compté et comparé le nombre d'éléments A et B » (e.g. Corballis, 2007; Perruchet & Rey, 2005). Cette critique ne sera pas retenue ici, car l'emploi d'une telle stratégie satisfait pleinement à la caractérisation de supra-régularité, selon la théorie des langages formels (voir section I.2). En effet, comparer le nombre d'éléments A et B nécessite le stockage temporaire en mémoire du résultat de l'opération de comptage des éléments A. Simplement, elle ne requière pas de traiter de dépendances non-adjacentes centrées-emboitées.

Une première critique émise à l'encontre de l'étude de Fitch et Hauser (2004) porte sur l'utilisation de voix humaines féminines et masculines pour implémenter les éléments A et B (Perruchet & Rey, 2005). L'argument de Perruchet et Rey (2005) est que le choix de catégories perceptives différant de manière aussi saillante induirait des différences majeures de caractéristiques acoustiques entre les deux types de séquences : les séquences générées par la grammaire AⁿBⁿ ne comportent qu'une seule transition entre les deux types de voix, tandis que celles générées par la grammaire (AB)ⁿ en comportent trois à cinq. Par conséquent, ces dernières sont plus variables (notamment en termes de hauteur). Perruchet et Rey (2005 ; voir également Hochmann et al., 2008) proposent que la détection de ces différences acoustiques ait pu être utilisée par les participants humains dans l'expérience de Fitch et Hauser (2004) pour
discriminer les deux types de séquences. Toutefois, cette stratégie étant relativement simple,
les tamarins auraient a priori également pu y recourir, ce que les résultats ne suggèrent pas.
Perruchet et Rey formulent donc une hypothèse complémentaire pour tenter d'expliquer le
comportement des tamarins : ils proposent qu'une séquence de forme AⁿBⁿ pourrait davantage
être perçue comme une « conversation naturelle », et donc comme indicatrice de la présence
d'humains, qu'une séquence de type (AB)ⁿ (en partant de l'idée que l'alternance de
monosyllabes constituerait un mode de conversation rare). La réaction d'orientation des
tamarins lors de la diffusion de séquences AⁿBⁿ après une exposition à des grammaires (AB)ⁿ
pourrait ainsi découler d'un intérêt accru pour la « conversation », tandis que la présentation de
séquences (AB)ⁿ suite à une familiarisation avec des séquences AⁿBⁿ ne susciterait pas le même
 intérêt (et donc, moins de réponses d'orientation).

Une deuxième série de critiques de l'expérience de Fitch et Hauser (2004) souligne l'absence de tests de généralisation et de violation appropriés pour déterminer ce qui a été appris par les participants. Deux types de tests sont requis (Fitch & Friederici, 2012; Hochmann et al., 2008; O'Donnell et al., 2005). Le premier type de test à appliquer est un test d'extension, qui doit vérifier que la grammaire apprise n'est pas trop restrictive, e.g. qu'elle n'est pas limitée à des séquences où n = {2,3} comme dans les séquences de familiarisation, mais généralisable à tout nouveau n<fnref n="11" />. Le second type de test doit vérifier que la grammaire apprise n'est pas trop inclusive. La présentation de séquences comportant un nombre inégal d'éléments A et B (i.e. AⁿBⁿ, où n ≠ m) est requise pour contrôler que les sujets ne vérifient pas simplement qu'une succession d'éléments A est suivie d'une succession d'éléments B (grammaire formellement notées A*B*; Hochmann et al., 2008; Perruchet & Rey, 2005). Hauser et Fitch (2004) rapportent dans leurs *Informations Supplémentaires* que dans un test additionnel, les participants humains ont correctement généralisé à des séquences où n = 4, suggérant que leur reconnaissance de la grammaire n'est pas limitée au n familier. Ils ne rapportent toutefois pas de test impliquant des séquences AⁿBⁿ. Hochmann et collaborateurs (2008) ont toutefois répliqué l'expérience de Fitch et Hauser (2004), en y ajoutant un test impliquant des séquences non-congruentes de ce type (AABBB et AAABB ; Expérience 2). Leurs participants n'ont pas classifié ces séquences comme étant grammaticalement incorrectes, ce qui suggère qu'ils se sont basés sur une stratégie plus simple que celle consistant à compter et comparer le nombre

<footnote n="11">¹¹ Dans la limite des capacités perceptives et mnésiques de l'espèce testée (e.g. Fitch & Friederici, 2012). Ainsi, bien que la grammaire AⁿBⁿ puisse générer un nombre de séquences théoriquement non fini, les capacités de mémoire de travail imposent des restrictions sur la longueur des séquences qui pourront être traitées et donc reconnues ; restrictions pouvant varier d'une espèce à l'autre.</footnote>
d'éléments de chaque classe (e.g. ils ont pu simplement vérifier que les séquences étaient constituées d'une série de syllabes énoncées par des voix féminines, suivies de syllabes énoncées par une voix masculine).

Un dernier point à mentionner, qui rejoint les critiques mentionnées à l'encontre des expériences d'apprentissage de grammaires régulières, est la présence de caractéristiques de surface en commun dans les séquences familières et les séquences test congruentes. En effet, les nouvelles séquences présentées lors du test sont générées à partir du même vocabulaire que les séquences utilisées au cours de la période d'habituation. Ainsi, les syllabes « mo » et « yo » par exemple, qui n'auront jamais été entendues à la suite par les participants familiarisés à la grammaire $A^nB^n$, pourront l'être dans une séquence non-congruente, mais pas dans une nouvelle séquence congruente.

Il existe donc un certain nombre de stratégies alternatives ayant pu être employées par les participants de l'expérience de Fitch et Hauser (2004), plutôt que de traiter les grammaires sous-jacentes. La plupart de ces interprétations s'appliquent également à une étude menée à la même période, dans laquelle les corrélats neuronaux du traitement des grammaires $A^nB^n$ et $(AB)^n$ étaient examinés chez l'humain (Friederici, Bahlmann, Heim, Schubotz, & Anwander, 2006). Une liste des stratégies alternatives pouvant être utilisées pour discriminer des séquences générées par les grammaires $A^nB^n$ et $(AB)^n$ est présentée dans la Table 1.
<table><caption>**Table 1** Inventaire des stratégies alternatives pour discriminer des séquences générées par les grammaires AⁿBⁿ et (AB)ⁿ</caption><thead><tr><th rowspan="2">Stratégies</th><th colspan="2">Conditions d'acceptation</th></tr><tr><th>AⁿBⁿ</th><th>(AB)ⁿ</th></tr></thead><tbody><tr><td><strong>Régularités de surface</strong></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Variabilité perceptive</td><td>faible</td><td>forte</td></tr><tr><td>Mémorisation des exemplaires</td><td colspan="2">contient une séquence/fragment familier</td></tr><tr><td>Primauté</td><td>commence par "aa"</td><td>commence par "ab"</td></tr><tr><td>Récence</td><td>finit par "bb"</td><td>finit par "ab"</td></tr><tr><td>Bigramme</td><td>contient "aa"/"bb"</td><td>contient "ba"</td></tr><tr><td>Transition inter-catégories (a-b)</td><td>en contient une</td><td>en contient plusieurs</td></tr><tr><td><strong>Régularités grammaticales</strong></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Grammaire trop inclusive</td><td>contient toute alternance d'éléments "a" et "b"</td><td>contient tout nombre d'éléments "a" suivis d'éléments "b" (i.e. A*B*)</td></tr><tr><td>Grammaire trop restrictive</td><td>contient le même nombre de paires "ab" que les séquences familières</td><td>contient le même nombre d'éléments "a" suivis d'éléments "b" que les séquences familières</td></tr></tbody></table>

Note : Modifié d'après Ravignani, Westphal-Fitch, Aust, Schlumpp, & Fitch (2015)

La majorité des expériences conduites chez l'humain suite à ces expériences princeps ont été menées avec des grammaires AⁿBⁿ indexées (Ojima & Okanoya, 2014)<fnref n="12" />. Dans ces grammaires, les différents éléments A et B sont appariés, et ces dépendances sont organisées de manière centrée-emboîtée (e.g. A₁A₂B₂B₁, les index indiquant les appariements : A₁ est apparié avec B₁, mais pas avec B₂, etc.) ou croisée (e.g. A₁A₂B₁B₂). Pour effectuer la tâche, le participant ne doit pas compter et comparer le nombre d'éléments A et B, mais doit par exemple vérifier l'organisation centrée-emboîtée des dépendances, afin de repérer des violations de cette organisation (e.g. A₁A₂A₃B₃B₁B₂). Ces grammaires préviennent l'utilisation d'un certain nombre des stratégies listées dans la Table 1. Par exemple, la stratégie consistant à se baser sur la variabilité perceptive des séquences, comme celle consistant à vérifier qu'une série d'éléments A est suivie d'une série d'éléments B (que leur nombre soit égal ou non), ne sont plus utilisables avec ce type de grammaire (Corballis, 2007; M. H. de Vries et al., 2008; Perruchet & Rey, 2005)). Les premières études recourant à ce type de grammaire rapportent

<footnote n="12">¹² Ou avec une combinaison des deux procédés (i.e. avec marquage perceptif des classes A et B, et un appariement entre les éléments, e.g. Bahlmann, Schubotz, & Friederici, 2008).</footnote>
des résultats négatifs, les participants n'ayant pas été capables de détecter des violations de la
grammaire (e.g. (M. H. de Vries et al., 2008; Perruchet & Rey, 2005). Ces expériences montrent
également que les participants humains testés exploitent des indices plus simples lorsque ceux-
ci sont disponibles. Par exemple, de Vries et al. (2008, Expérience 2) observent que leurs
participants basent leurs jugements de grammaticalité sur la détection de la présence/absence
d'éléments répétés dans les séquences test.

Par la suite, un certain nombre d'études ont rapporté des résultats positifs chez l'humain,
sous certaines conditions. Il faut notamment utiliser des tâches impliquant un entraînement
explicite (Bahlmann et al., 2008), administrer les tests après une période d'exposition de
longueur conséquente (constituée de plusieurs sessions d'écoute réparties sur plusieurs
journées, Uddén, Ingvar, Hagoort, & Petersson, 2012), ou exposer au préalable les sujets aux
éléments appariés présentés de manière adjacente (Lai & Poletiek, 2011). Avec des
aménagements similaires de procédures, des résultats positifs ont également été obtenus avec
des stimuli non linguistiques (e.g. avec des figures visuelles, Bahlmann, Schubotz, Mueller,
Koester, & Friederici, 2009).

Pris dans leur ensemble, ces résultats indiquent donc que, sous certaines conditions, les
humains peuvent traiter des grammaires supra-régulières AⁿBⁿ dans des paradigmes d'AGL. En
parallèle de ces expérimentations menées chez l'humain, la question d'une spécificité humaine
pour ce type de traitement a été étudiée par une série d'études menées chez d'autres espèces.

II.2.3.3 Revue critique des données chez l'animal NH

Grammaires non-indexées

On peut recenser trois études menées à la suite de l'étude de Fitch et Hauser (2004) visant à examiner la capacité de différentes espèces à traiter des grammaires supra-régulières, et utilisant des grammaires non-indexées. Toutes ont été menées chez des oiseaux.

Gentner, Fenn, Margoliash, et Nusbaum (2006) ont été les premiers à annoncer
l'obtention de résultats positifs chez une espèce NH, l'étourneau sansonnet (Sturnus vulgaris).
Ils ont entraîné leurs onze participants à discriminer huit séquences auditives de la forme A²B²
et huit séquences de la forme (AB)² dans une tâche Go/No-go. Les éléments A et B étaient
instanciés par huit « cliquetis » et huit « gazouillis », respectivement, extraits du répertoire
vocal d'un individu de cette espèce. Ils ont ensuite soumis les quatre individus ayant rapidement atteint le critère d'apprentissage à une série de tests, dans lesquels leurs étaient présentés les types de séquences suivants : (1) nouvelles séquences grammaticales de même longueur, (2) séquences grammaticales de longueur étendue (A³B³, A⁴B⁴), (3) séquences agrammaticales ne correspondant ni aux deux grammaires examinées, ni à une grammaire A*B* (AAAA, BBBB, ABBA, BAAB), et (4) séquences agrammaticales ne correspondant pas aux deux grammaires examinées, mais correspondant à une grammaire A*B* (A¹B³, A³B¹, A²B³ et A³B²).

<figure><img src="image_16.png" /><figcaption>**Figure 15** Exemples de stimuli diffusés aux étourneaux dans l'expérience de Gentner et al. (2006). Les cadres de couleur dénotent des syllabes identiques.</figcaption></figure>

Les résultats indiquent que les étourneaux ont discriminé les séquences agrammaticales AAAA, BBBB, ABBA et BAAB des nouvelles séquences grammaticales. Selon les auteurs, ces résultats permettent d'éliminer trois stratégies alternatives : « primauté », « récence », et « bigramme » (cf. Table 1). Pour l'élimination de la stratégie « primauté » par exemple, leur argumentaire est le suivant : un oiseau qui aurait appris à discriminer entre les deux ensembles de séquences sur la base de leurs deux premiers items seulement (i.e. à discriminer entre AA-- et AB--), devrait classifier AAAA comme A²B², et ABBA comme (AB)². Or, les étourneaux discriminent mieux les nouvelles séquences A²B² et (AB)² que les séquences AAAA et ABBA (voir Figure 16). Des arguments similaires sont développés pour éliminer les stratégies « récence » (i.e. discrimination entre --BB et --AB) et « bigramme » (présence/absence de transition B-A).
a

<figure><img src="image_17.png" /></figure>

b

<table><thead><tr><td>Grammaire</td><td>Primauté</td><td>Récence</td><td>Transition B-A</td></tr></thead><tbody><tr><td>AABB</td><td>AAAA</td><td>BBBB</td><td>AAAA &amp; BBBB</td></tr><tr><td>ABAB</td><td>ABBA</td><td>BAAB</td><td>ABBA &amp; BAAB</td></tr></tbody></table>

**Figure 16** **a.** Performances de discrimination des étourneaux pour les nouvelles séquences congruentes (« Grammaire ») et pour chacune des stratégies alternatives. L'astérisque indique que la valeur *d'* obtenue pour la stratégie « grammaire » diffère significativement (*p* < .05) des valeurs *d'* calculées pour les autres stratégies. **b.** Contrastes examinés par Gentner et al. (2006) afin de calculer les valeurs de *d'* pour chacune des stratégies potentielles. Les régularités discriminatrices sont en gras. Modifié d'après Gentner et al. (2006).

Par ailleurs, les étourneaux ont passé avec succès le test d'extension (e.g. AAABBB versus ABABAB), et ont correctement discriminé ces séquences grammaticales de longueur étendue des séquences où le nombre d'éléments A et B était inégal<fnref n="13" />. Les auteurs concluent de cet ensemble de résultats que les étourneaux testés ont été capables de traiter une grammaire supra-régulière AⁿBⁿ, sur la base d'une stratégie consistant à compter et comparer le nombre d'éléments A et B constituant chaque séquence.

Van Heijningen, Visser, Zuidema, & ten Cate (2009) ont soulevé deux problèmes posés par l'étude de Gentner et al. (2006). Le premier concerne la présence de fragments de séquences

<footnote n="13">¹³ Dans les *Informations Supplémentaires* du papier de Gentner et al. (2006), une information étonnante apparaît dans la légende de la Table S1 : « *Stimuli marked with (*) comprised speech syllables instead of starling song motifs.* ». Or, les seuls stimuli accompagnés d'un astérisque sont ceux des séquences agrammaticales A\*B\* ( faisant référence aux séquences où le nombre d'éléments A et B est inégal). Il pourrait s'agir d'une erreur. Mais si les séquences A\*B\* ont effectivement été instanciées par des syllabes, cela invaliderait les résultats de ce dernier test crucial : les étourneaux pourraient avoir correctement rejeté les séquences A\*B\* non pas en raison de l'inégalité du nombre d'éléments A et B, mais du fait de la nouveauté des stimuli utilisés.</footnote>
familières au sein des séquences congruentes, point sur lequel nous reviendrons plus bas. Le
second concerne la méthode d'analyse statistique employée. Ces auteurs remarquent en effet
que si l'indice d' est plus important pour la discrimination entre les nouvelles séquences A²B²
et (AB)², que pour les autres contrastes effectués (cf. Figure 16), la valeur d' obtenue pour la
stratégie primauté est néanmoins significativement différente de zéro<fnref n="14" />. Ce dernier résultat
indique que les étourneaux discriminent AAAA de ABBA, alors qu'aucun de ces patterns ne
correspond à l'une ou l'autre des grammaires étudiées. Les oiseaux se basent donc
probablement, dans certains essais au moins, sur les deux premiers items de la séquence pour
effectuer la tâche. Gentner et al. (2006) tentent d'expliquer ce phénomène en proposant que la
stratégie primauté soit une stratégie « par défaut », adoptée par les oiseaux lorsque les
séquences présentées ne correspondent ni à un stimulus positif, ni à un stimulus négatif. Cette
stratégie serait couplée à une tendance à porter davantage attention aux régularités présentes en
début de séquence qu'à celles situés en milieu ou fin de séquence. Van Heijningen et al. (2009)
offrent une explication alternative, selon laquelle à aucun moment les oiseaux n'ont traité la
grammaire sous-jacente, et proposent que les résultats s'expliquent par des différences de
stratégies individuelles. En effet, si une partie des individus se base sur les premiers items de la
séquence pour effectuer la tâche, et une autre partie d'entre eux sur la présence/absence de
transition B-A, alors les valeurs d' moyennées sur le groupe pour l'une ou l'autre de ces
stratégies seront nécessairement plus faibles que pour la discrimination entre A²B² et (AB)², où
les deux indices sont présents. Gentner et al. (2006) n'ont malheureusement pas rapporté les
valeurs d' pour chacun des individus testés (y compris dans leur réponse à van Heijningen et
al., 2006 ; cf. Gentner, Fenn, Margoliash, & Nusbaum, 2010), ce qui ne permet pas d'invalider
cette hypothèse.

Van Heijningen et al. (2009) ont donc partiellement répliqué l'expérience de Gentner et
al. (2006) en reprenant l'essentiel de leur méthodologie, mais en s'intéressant aux patterns de
réponse individuels. Cette expérience a été réalisée chez une autre espèce d'oiseaux chanteurs,
le diamant mandarin. Après un entraînement à la discrimination de séquences (AB)², et A²B²
(les éléments A et B étant des syllabes issues du répertoire vocal de cette espèce), ils ont exposé
les oiseaux à un sous-ensemble des séquences test utilisées par Gentner et al (2006). En guise
d'illustration, le taux de réponse moyen obtenu pour ces différentes séquences chez les deux
oiseaux entraînés avec A²B² comme S+, sont les suivants :

<footnote n="14">¹⁴ D'après les valeurs d' rapportées dans Gentner et al. (2006), c'est également le cas pour la stratégie bigramme. Van Heijningen, Visser, Zuidema, & Cate (2009) ne mentionnent toutefois pas ce cas-ci.</footnote>
<table><thead><tr><th></th><th>ABAB</th><th>AABB</th><th>AAAB</th><th>AAAA</th><th>BBBB</th><th>BAAB</th><th>ABBA</th><th>AAABBB</th><th>AAAABBBB</th></tr></thead><tbody><tr><td>Oiseau 1</td><td>1.5</td><td>28.0</td><td>22.5</td><td>22.5</td><td>0.0</td><td>8.5</td><td>1.5</td><td>17.5</td><td>14.0</td></tr><tr><td>Oiseau 2</td><td>1.0</td><td>24.5</td><td>8.0</td><td>8.0</td><td>23.0</td><td>9.5</td><td>1.5</td><td>20.0</td><td>21.0</td></tr></tbody></table>

On peut remarquer que le premier individu présente un taux de réponse important chaque fois que le pattern commence par deux éléments A, et beaucoup plus faible voire nul dans le cas contraire. Le deuxième individu présente le plus fort taux de réponses pour les patterns terminant par deux éléments B. En soumettant ces données à une analyse par sélection de modèle basée sur l'estimation du maximum de vraisemblance (en anglais, *maximum likelihood*), les auteurs confirment que les stratégies le plus probablement employées par ces deux oiseaux sont, respectivement, une stratégie « primauté » et une stratégie « récence ». Les deux oiseaux entraînés avec (AB)² comme S+ se seraient eux basés sur une stratégie « bigramme » consistant à négliger de répondre à toute séquence contenant "aa". Plutôt que d'effectuer une série de comparaisons deux-à-deux, à l'instar de Gentner et al. (2006), cette méthode d'analyse permet d'examiner avec quelle(s) stratégie(s) les réponses de chaque individu sont les plus compatibles.

Dans leur réponse à l'article de van Heijningen et al. (2009), Gentner, Fenn, Margoliash, et Nusbaum (2010) pointent une faiblesse de leur argumentation : il n'est nulle part fait mention du test de Gentner et al. (2006) impliquant des séquences agrammaticales compatibles avec une grammaire A*B*. Or, ce test crucial avait été passé avec succès par les étourneaux. Toutefois, ici encore, la même logique peut être appliquée : en l'absence des données individuelles, il reste envisageable que les données moyennées sur le groupe ne reflètent pas les comportements individuels sur ce test également. Et bien que l'expérience de van Heijningen et al. (2009) n'offre pas une réplication avec la même espèce, et dans des conditions d'apprentissage strictement similaires (voir Gentner et al., 2010), cette hypothèse est corroborée par une deuxième étude.

(Ravignani et al., 2015)<fnref n="15" />, ont employé une méthode d'analyse similaire à celle de van Heijningen et al. (2009), pour mettre au jour les stratégies employées par deux autres espèces

<footnote n="15">¹⁵ Dans cette étude, les grammaires étaient en réalité indexées (voir Stobbe, Westphal-Fitch, Aust, & Fitch, 2012). Les tests dispensés étant toutefois limités à des tests typiques des expériences utilisant des</footnote>
d'oiseaux : des kéas (*Nestor notabilis*) et des pigeons (*Columba livia*). Dans une précédente
expérience (Stobbe, Westphal-Fitch, Aust, & Fitch, 2012), ces individus avaient été entraînés à
discriminer des séquences de la forme $A^nB^n$ et $(AB)^n$, dans une tâche à choix forcé. A la
différence des expériences précédentes, celles-ci étaient implémentées dans des chaînes de
stimuli visuels présentés simultanément sur un écran tactile (n = {2,3}, les éléments A et B
correspondant à des stimuli composites répartis en deux catégories aisément discriminables,
différant l'une de l'autre par leur gamme de couleurs et de formes, voir la Figure 17). Les
oiseaux avaient ensuite été testés sur des séquences de longueur étendue, et des séquences de
la forme $A^nB^m$ (où n ≠ m). Les participants des deux espèces avaient correctement généralisé
leurs réponses à ce premier type de séquence, mais n'ont pas rejeté les séquences où le nombre
de A et de B était déséquilibré.

A partir de ces données, enrichies de tests additionnels, Ravignani et al. (2015) ont
examiné plus en détail les stratégies alternatives employées par ces oiseaux. En utilisant une
analyse par sélection de modèle basée sur l'estimation du maximum de vraisemblance, ils ont
mis au jour une certaine diversité de stratégies, entre espèces et entre individus. Pour une
majorité de Kéas entraînés avec $A^nB^n$ comme séquence stimulus positif (S+), la stratégie la plus
probablement utilisée est la stratégie « récence » (cf. Table 1). Pour ceux entraînés avec $(AB)^n$
comme séquence S+, la stratégie utilisée était la détection d'un bigramme "BA", bigramme qui
n'apparaissait que dans ces séquences. Chez les pigeons, une plus grande diversité de stratégies
est observée : le groupe entraîné avec $A^nB^n$ comme S+ a eu majoritairement recours à des
stratégies locales (« récence » et « bigramme »). Quatre des cinq pigeons entraînés à
sélectionner les séquences $(AB)^n$, auraient recouru à la fois à une stratégie basée sur la
variabilité visuelle globale des séquences, et à une stratégie consistant à sélectionner la
séquence ressemblant le plus aux séquences d'entraînement (i.e. incluant les séquences
familières, ou comportant le moins de substitutions d'éléments par rapport à ces séquences).
Enfin, un dernier individu aurait utilisé, en plus de la stratégie basée sur la variabilité, une
stratégie consistant à traiter la grammaire $(AB)^n$.

<footnote>grammaires non-indexées (i.e. absence de test de violation des dépendances), nous avons préféré l'inclure
dans la section « Grammaires non indexées ».</footnote>
<figure><img src="image_18.png" /><figcaption>**Figure 17** Exemples de stimuli employés par Stobbe et al. (2012) et Ravignani et al. (2015).</figcaption></figure>

Pris dans leur ensemble, les résultats de van Heijningen et al. (2009) et Ravignani et al. (2015) suggèrent donc que le traitement des grammaires n’est pas la stratégie privilégiée par les individus testés. Les participants des différentes espèces d’oiseaux testés montrent une forte propension à se baser sur des indices locaux (i.e. ne concernant que des stimuli adjacents : « primauté », « récence », « bigramme »), lorsque des grammaires non indexées sont employées. On observe toutefois une diversité dans les stratégies adoptées : les résultats de l’étude de Ravignani et al. (2015), qui offre une comparaison inter-espèce dans des conditions expérimentales similaires, suggèrent que cette diversité reflète des différences interspécifiques. Le mode de présentation des séquences semble toutefois également avoir un impact sur la stratégie privilégiée : dans cette expérience où les oiseaux sont testés avec des chaînes de stimuli visuels présentés simultanément, la stratégie « récence » est globalement privilégiée par rapport à la stratégie primauté. Chez les oiseaux de Gentner et al. (2006), en revanche, c’est la stratégie « primauté » qui semble prévaloir sur celle de « récence ».

Une deuxième critique émise par van Heijningen et al. (2009) à l'encontre de l'expérience de Gentner et al. (2006) concerne l'absence de test de généralisation des régularités apprises à de nouveaux éléments. Van Heijningen et al. (2009) ont donc conduit un test additionnel, dans lequel des séquences congruentes et non-congruentes étaient construites à partir de nouveaux stimuli (d'autres types de syllabes issues du répertoire vocal de cette espèce, notées C et D). Les oiseaux échouent à discriminer ces séquences, indiquant qu'ils ont appris à détecter des répétitions immédiates d'éléments particuliers (AA ou BB, selon les individus), et non à détecter la présence d'éléments immédiatement répétés, quels qu'ils soient. Ces résultats suggèrent que les animaux testés exploitent préférentiellement des informations locales de surface, plutôt que (1) les grammaires sous-jacentes, mais également que (2) des régularités structurelles plus simples (ici, la présence de répétitions dans les séquences générées par la grammaire $A^nB^n$, absentes de celles générées par la grammaire $(AB)^n$).
Grammaires indexées

L'emploi de grammaires indexées constitue une bonne alternative à l'utilisation de grammaires non-indexées, car ces grammaires empêchent l'utilisation de certaines stratégies locales que nous venons d'identifier. En effet, lorsqu'une grammaire non indexée est employée, les classes d'éléments A et B doivent nécessairement être marquées perceptivement, ce qui rend par exemple possible l'utilisation de stratégies consistant à repérer la présence/absence de répétitions immédiates d'éléments appartenant à une même classe perceptive. Les grammaires indexées reposent sur des appariements entre éléments arbitraires, sans que le marquage perceptif des classes soit nécessaire. Ce type de grammaire prévient donc l'utilisation de telles stratégies.

On recense à ce jour deux expériences menées avec une grammaire indexée centré-
emboîtée, l'une conduite chez une espèce d'oiseau, et l'autre chez une espèce de primate NH.
A notre connaissance, aucune étude examinant le traitement d'une grammaire indexée croisée
n'a été menée à ce jour.

Abe et Watanabe (2011) ont utilisé une procédure d'habituation-déshabituation chez le moineau du japon (Lonchura striata var. domestica). Les oiseaux ont tout d'abord été exposés durant une heure à des séquences acoustiques de la forme $A^nCB^n$ ($n = \{1,2\}$). Chaque élément correspondait à une « syllabe » provenant du répertoire vocal d'individus de leur espèce, arbitrairement attribué à l'une des trois classes A, B ou C (i.e., les éléments composant les classes A B et C n'appartaient pas à des classes de vocalisations différentes), avec quatre syllabes par classe (notées $A_{1-4}$). Lors de la construction du matériel expérimental, chaque élément A a été arbitrairement associé à un élément B, ce qui produit des dépendances centré-emboîtées entre ces éléments, organisées autour d'un élément central C (e.g. $A_1C_1B_1$, $A_2A_1C_1B_1A_2$, les indices signalant les éléments associés). Il y avait 52 séquences de familiarisation au total. Les oiseaux étaient ensuite exposés à une série de tests, au cours desquels le nombre de vocalisations émis par l'individu testé était mesuré.

Les séquences test grammaticales étaient de deux types : nouvelles séquences
n'excédant pas la longueur des séquences familières (n = 2), et nouvelles séquences de longueur
étendue (n = 3). Les oiseaux n'ont pas présenté d'augmentation significative de leurs réponses
à l'écoute de ces nouvelles séquences, par rapport à la période contrôle. Des séquences
agrammaticales étaient également présentées, pouvant être réparties en trois types, en fonction
des violations qu'elles comportaient : violation de position d'une classe (e.g. $A_1A_2B_2C_1B_1$, les
caractères en gras signalant la violation ; correspond aux tests ACF, *Random* et AES2), violation
de dépendance (e.g. A<sub>1</sub>A<sub>2</sub>C<sub>1</sub>B<sub>2</sub>B<sub>4</sub>, test AFP), et violation de l'emboîtement (i.e. séquences dans
lesquelles les bonnes syllabes étaient présentées, mais pas dans le bon ordre, e.g.
A<sub>1</sub>A<sub>2</sub>A<sub>3</sub>C<sub>2</sub>B<sub>1</sub>B<sub>3</sub>B<sub>2</sub>, test AES). Pour chacun de ces tests, les auteurs observent une augmentation
significative des vocalisations émises, par rapport à une période contrôle. Les auteurs en
concluent que ces oiseaux ont été capables de discriminer les séquences sur la base de la
grammaire supra-régulière sous-jacente.

Cette étude a fait l'objet d'une revue critique par Beckers, Bolhuis, Okanoya, et Berwick
(2012). Ces auteurs effectuent une analyse détaillée du matériel expérimental employé par Abe
et Watanabe, et observent que si l'on néglige une syllabe (la syllabe C), toutes les nouvelles
séquences grammaticales contiennent une séquence familière. En effet, les nouvelles séquences
ne sont pas construites à partir de nouvelles combinaisons de paires, mais en présentant des
combinaisons de paires déjà présentes dans les séquences familières, autour d'un nouvel
élément C. Par exemple, les séquences A₁A₂C₂B₂B₁, A₁A₂C₃B₂B₁ et A₁A₂C₄B₂B₁ étaient
présentées lors de la période de familiarisation, et les séquences A₁A₂C₁B₂B₁ et
A₃A₁A₂C₁B₂B₁B₃ étaient présentées dans le test de généralisation (nous soulignons les
fragments partagés). Les séquences non congruentes, elles, ne comportaient pas, ou
comportaient moins de fragments en commun avec les séquences familières (e.g. A₁A₂C₁B₂B₄).
Par conséquent, la présence de longs fragments de séquences acoustiques familières dans les
nouvelles séquences grammaticales, présents dans une moindre mesure dans les séquences
agrammaticales, pourrait expliquer le pattern de réponse des oiseaux, sans qu'ils aient traité la
grammaire sous-jacente<fnref n="16" />.

Une dernière étude, employant une procédure radicalement différente, a été menée dans
notre laboratoire (Rey, Perruchet, & Fagot, 2012). Cette étude ne visait pas à démontrer la
capacité d'une espèce NH à traiter des grammaires supra-régulières. Elle était davantage
destinée à étudier les mécanismes cognitifs impliqués dans la production de structures centré-
emboîtées chez une espèce de primates NH. Par conséquent, elle ne comporte pas les tests de
violations et généralisation classiquement présents dans cette littérature. Les participants, onze
babouins de guinée (*Papio papio*), étaient d'abord entraînés à associer six paires de stimuli
visuels, dans une tâche d'appariement réalisée sur un écran tactile, à travers une succession

<footnote n="16">16 Dans une publication ultérieure, Beckers, Berwick, Okanoya, et Bolhuis (2016) offrent un autre type d'analyse de ces similarités acoustiques entre les différents types de séquences. Ces nouvelles analyses laissent inchangées leurs conclusions.</footnote>
d'étapes de difficulté croissante. Lors de la phase test<fnref n="17" />, deux paires étaient présentées au cours d'un même essai (e.g. A₁B₁ et A₂B₂). Chaque essai de cette phase était divisé en trois affichages successifs, chacun requérant la sélection d'un stimulus par le babouin (cf. Figure 18a) : (1) le premier élément d'une paire (e.g. A₁) et un élément non apparié (distracteur), (2) A₂ et distracteur, et enfin, (3) B₁, B₂ et B₃. Lors du dernier affichage, les babouins devaient sélectionner deux éléments sur les trois disponibles, sans contrainte d'ordre.

<figure><img src="image_19.png" /></figure>

**Figure 18** Illustration de la procédure expérimentale employée par Rey et al. (2012). **a.** Exemple d'un essai de la phase test. **b.** Exemple d'un essai de la dernière phase d'entraînement précédent le test. Les caractères en bleu indiquent le type de stimuli (A₁-₆: premiers éléments des paires, B₁-₆: deuxièmes éléments des paires, D: distracteurs). Les flèches vertes indiquent la réponse correcte pour chaque affichage. Dans le dernier affichage de la phase test, le participant devait successivement sélectionner deux stimuli sur les trois disponibles, sans contrainte d'ordre. Noter que les types de stimuli et les flèches sont représentés ici pour illustrer le fonctionnement de la tâche, mais n'apparaissaient pas lors de l'expérience. L'emplacement des stimuli sur l'écran variait à chaque essai.

Le pattern de réponse des singes, en termes de proportion de séquences produites, est le suivant : A₁A₂B₂B₁ > A₁A₂B₂B₃ > A₁A₂B₁B₂ > autres. Les babouins auraient donc sélectionné en priorité l'élément apparié au dernier élément vu (B₂), et préféré ensuite sélectionner l'élément apparié au premier élément de la séquence (B₁), plutôt qu'un élément n'étant apparié à aucun des éléments de la séquence (B₃), produisant ainsi des séquences centré-emboîtées plus souvent que tout autre type de séquences. Les auteurs tirent deux conclusions de ces résultats.

<footnote n="17">¹⁷ Nous ne présentons ici que la procédure du test le plus complet, le Test 2.</footnote>
Premièrement, les babouins sont capables de maintenir en mémoire de travail le premier élément d'une paire et de traiter une autre paire, avant de compléter la première. En effet, la proportion plus importante de sélection de $B_1$ que de $B_3$ (après une sélection de $B_2$) indique que les babouins parviennent à maintenir en mémoire l'élément $A_1$, au cours du traitement de la paire intermédiaire $A_2B_2$. Deuxièmement, dans cette tâche les babouins auraient spontanément produit des séquences à dépendances centré-emboîtées. Cette dernière conclusion semble toutefois être sujette à caution. En effet, la dernière étape de l'entraînement précédant le test consistait à sélectionner, dans une série de deux affichages sur un écran tactile : (1), le premier élément d'une paire (e.g. $A_2$) en évitant le distracteur, puis (2) le deuxième élément de la paire ($B_2$) en évitant le deuxième élément d'une autre paire (e.g. $B_1$ ; cf. Figure 18b). Ainsi, la sélection préférentielle de l'élément de la paire venant d'être vue pourrait avoir été fortement induite par les contingences de renforcement appliquées dans cette dernière phase d'entraînement.<fnref n="18" /> La conduite d'un test supplémentaire impliquant de nouvelles paires d'éléments et de nouveaux distracteurs, non soumis au même entraînement, permettrait d'écarter cette hypothèse.

### II.2.3.4 Conclusions

Aucune des expériences menées à ce jour ne semble donc pourvoir de résultats non ambigus sur la capacité d'une espèce NH à traiter une grammaire supra-régulière. Nous avons vu que l'emploi de certains tests (extension, $A^nB^m$, violations du caractère centré-emboîté des dépendances) est indispensable pour répondre à cette question, mais la conduite de tests supplémentaires en cas d'échec est également informative. Couplés avec une analyse des stratégies individuelles, ces tests apportent ainsi des éléments cruciaux pour une meilleure compréhension du comportement adopté par les animaux testés dans ces expériences d'AGL (ainsi que par des participants humains, e.g. Zimmerer, Cowell, & Varley, 2011). Ils suggèrent notamment que si le traitement de la grammaire $A^nB^n$ ne semble pas constituer une stratégie adoptée par les différentes espèces NH testées, le traitement de la grammaire (AB)$^n$ ne correspond pas non plus à une stratégie privilégiée. Ces résultats poussent à revoir les conclusions de l'expérience fondatrice de Hauser et Fitch (2004) concernant les résultats positifs obtenus chez le tamarin avec cette dernière grammaire. Ces tests montrent également que les oiseaux testés ont été particulièrement enclins dans ces paradigmes AGL à se baser sur

<footnote n="18">¹⁸ Pour une critique complémentaire, voir Poletiek, Fitz, et Bocanegra (2016).</footnote>
un apprentissage de régularités locales (e.g. bigrammes), et de surface (i.e. non généralisables à de nouveaux éléments), plutôt que de traiter les régularités structurelles sous-jacentes.

Mais comme le soulignent van Heijningen et al. (2009), on peut considérer qu'il est effectivement pertinent d'utiliser une règle de décision simple lorsqu'elle suffit. Or, dans l'ensemble des tâches de conditionnement opérant passées en revue ici, l'utilisation de ces stratégies permettait effectivement de réussir la tâche dans une grande majorité des essais : la plupart des animaux testés montrent des niveaux de performance très élevés dans les essais d'entraînement (qui sont les seuls essais renforcés, voir la section II.2.1). Par conséquent, l'absence de résultats clairement positifs dans ces expériences ne nous permet ni de conclure à la capacité des espèces animales NH de traiter des grammaires supra-régulières, ni de conclure à une incapacité, du fait de la présence de régularités plus simples dans les matériels expérimentaux utilisés.

## Résumé

* Sous certaines conditions, les humains parviennent à traiter des grammaires supra-régulières dans des expériences d'AGL.

* Aucune donnée ne permet cette conclusion chez l'animal non-humain.

* En raison de nombreux problèmes méthodologiques, il est toutefois également difficile de conclure sur la base de ces travaux que ces animaux en sont incapables.

* Participants humains et non-humains ont tendance à exploiter des régularités plus simples (e.g. détection de répétitions) lorsqu'ils en ont la possibilité, plutôt que de traiter la grammaire sous-jacente.

## II.2.4 Corrélats neuronaux

### II.2.4.1 Chez l'humain

Un ensemble convergent de données indique que le traitement de la syntaxe chez l'humain implique un réseau temporo-frontal, ainsi que des régions pariétales et sous-corticales (pour une revue, voir Friederici, 2011). Ce réseau est principalement latéralisé à gauche, mais certaines de ces régions sont également impliquées dans l'hémisphère droit. Les deux régions clés de ce réseau sont l'aire de Broca, dans le lobe préfrontal, et les régions supérieures du lobe temporal (notamment le sillon temporal supérieur, ci-après STS ; voir Encadré 2 et Figure 19).
<figure><img src="image_20.png" /><figcaption>**Figure 19** Localisation des principales régions du cerveau humain impliquées dans les traitements de la syntaxe mentionnées dans cette section. Vue de l'hémisphère gauche. Les flèches illustrent les deux voies principales, ventrales et dorsales, connectant les régions frontales et temporales impliquées dans le réseau. Les numéros indiquent les aires de Brodmann. STG = gyrus temporal supérieur, FOP = opercule frontale, STS = sillon temporal supérieur. Voir également Encadré 2.</figcaption></figure>

Une première méthode employée pour étudier les corrélats neuronaux du traitement de la syntaxe est la manipulation orthogonale de l'information sémantique (e.g. mots *vs* pseudo-mots) et syntaxique (e.g. phrases *versus* listes). En prenant soin de manipuler séparément congruence sémantique (i.e. la possibilité de dériver un sens) et structure syntaxique, Humphries, Binder, Medler, & Liebenthal (2006) ont par exemple montré qu'une région du lobe temporal gauche (la partie antérieure du sulcus temporal supérieur, aSTS) s'active davantage en réponse au traitement d'une phrase grammaticalement correcte, par rapport au traitement d'une liste de mots. En faisant varier systématiquement la taille des syntagmes d'une séquence de longueur fixe (une phrase de 12 mots, deux phrases de 6 mots, etc., jusqu'à une liste de 12 mots isolés), Pallier, Devauchelle, et Dehaene (2011) montrent que la partie postérieure du STS, ainsi que le gyrus frontal inférieur (IFG) sont activés proportionnellement à la taille des syntagmes traités (i.e. le nombre de mots qu'ils contiennent). Les résultats de cette expérience indiquent également que pour ces deux régions les activations sont similaires. Cette
similarité s'observe que les participants aient à traiter
des phrases naturelles, ou des séquences construites en
« Jabberwocky »<fnref n="19" />, ce qui suggère que ces deux régions
sont impliquées dans le traitement syntaxique plutôt
que sémantique.

Une seconde étude de ce type montre que cette
augmentation paramétrique du niveau d'activation au
cours du traitement successif des mots composant le
syntagme s'accompagne d'une soudaine baisse de
l'activité lors de sa complétion (e.g. à la frontière entre
le syntagme nominal et le syntagme verbal ; Nelson et
al., 2017). On observe également un effet de la
complexité syntaxique sur le degré d'activation de ce
réseau. L'aire de Broca présente par exemple des
activations plus importantes lors du traitement d'une
phrase présentée dans un ordre non canonique (e.g.
Friederici, Fiebach, Schlesewsky, Bornkessel, & von
Cramon, 2006; Santi & Grodzinsky, 2007), ou
comportant une proposition relative (Makuuchi,
Bahlmann, Anwander, & Friederici, 2009), que lors du
traitement d'une phrase simple.

Des patterns d'activation similaires ont été
observés dans des paradigmes d'AGL, lors du
traitement d'une grammaire régulière complexe (Forkstam, Hagoort, Fernandez, Ingvar, &
Petersson, 2006; Petersson, Forkstam, & Ingvar, 2004; Petersson, Folia, & Hagoort, 2012). En
utilisant la stimulation magnétique transcrânienne (TMS), Uddén et al. (2008) ont confirmé le
rôle causal joué par l'aire de Broca dans ces traitements. Ces recherches indiquent également
que l'aire de Broca est impliquée dans le traitement de grammaires supra-régulières, impliquant
de compter et comparer un certain nombre de syllabes (e.g. Friederici, Bahlmann, et al., 2006),
ou de vérifier l'organisation centrée-emboîtée de dépendances non-adjacentes (e.g. Bahlmann

Encadré 2 Principales régions cérébrales impliquées dans le traitement de la syntaxe

**Aires auditives primaires** :
dans le lobe temporal,
comprend BA 41/42

**Aire de Broca** : Correspond aux
BA 44/45

**DLPFC** : Cortex préfrontal
dorso-latéral, comprend BA
9/46.

**FOP** : opercule frontale

**vFOC** : cortex frontaux et
operculaires ventraux

**IFG** : Gyrus frontal inférieur,
comprend l'aire de Broca, et
d'autres régions plus
antérieures (BA 47)

**STG** : Gyrus temporal supérieur

**STS** : Sillon temporal supérieur

**VLPFC** : Cortex préfrontal
ventro-latéral, comprend BA
47/45/44

BA = Aire de Brodmann.
Par souci de clarté, les
acronymes anglais sont utilisés.
Voir également la Figure 19.

<footnote n="19">¹⁹ Procédé expérimental consistant à remplacer dans une phrase les mots contenu (e.g. noms, verbes) par des pseudo-mots, tout en conservant les mots fonction (e.g. déterminants) et, généralement, les marqueurs morphologiques des différentes catégories syntaxiques (e.g. terminaisons et accords).</footnote>
et al., 2008). De plus, ce réseau, et notamment l'aire de Broca, ne sous-tendrait pas uniquement l'extraction de régularités linguistiques. Il est également impliqué dans des expériences AGL présentant (1) des séquences de stimuli visuels (e.g. Bahlmann, Schubotz, Mueller, Koester, & Friederici, 2009), (2) des séquences musicales (e.g. Maess, Koelsch, Gunter, & Friederici, 2001), ou encore (3) lors de la production de séquences d'actions hiérarchiquement organisées (Greenfield, 1991; Koechlin & Jubault, 2006; Roy & Arbib, 2005). L'ensemble de ces données suggère donc que l'aire de Broca soit impliquée dans le traitement de toute séquence d'événements hiérarchiquement organisés (Fiebach & Schubotz, 2006).

De nombreux auteurs s'accordent sur cette idée, mais les propositions divergent quant au rôle précis que jouerait l'aire de Broca dans ces traitements. Pour Fitch (2014), cette région supporterait la fonction de mémoire à « pile » (cf. section I.2.2). Cette aire serait donc le lieu de *stockage* temporaire des représentations intermédiaires des sous-unités ou syntagmes composant une séquence, en vue de leur intégration. D'autres auteurs proposent que le rôle joué par l'aire de Broca serait plutôt de supporter les mécanismes permettant *l'intégration* de ces sous-unités en une représentation unifiée de la séquence (e.g. Wilson, Marslen-Wilson, & Petkov, 2017). Un dernier ensemble de modèles théoriques avance que les différentes sous-régions de cette aire supporteraient différentes fonctions. Par exemple, Zaccarella et Friederici (2016) ont proposé qu'une région spécifique de l'aire de Brodmann 44 soit le siège de l'opération *merge* (cf. section I.3.2), leurs expériences ayant rapporté une augmentation de l'activité de cette sous-région lors de l'intégration de syntagmes minimaux composés de deux mots.

### II.2.4.2 Données anatomiques comparées

La question de l'existence d'un équivalent de l'aire de Broca chez le primate NH est sujette à controverse. Selon certains auteurs, certains primates NH auraient des régions comparables d'un point de vue architectonique aux aires de Brodmann 44 et 45 (e.g. chez le chimpanzé, Schenker et al., 2010 ; chez le macaque, Petrides & Pandya, 2002; Petrides, Cadoret, & Mackey, 2005).

Comme chez l'humain, ces régions présentent chez le chimpanzé une asymétrie, leur taille ayant tendance à être plus importante dans l'hémisphère gauche que dans l'hémisphère droit (Cantalupo & Hopkins, 2001). Cette asymétrie est corrélée avec les préférences manuelles de ces chimpanzés (mesurée pour des gestes de communication, Meguerditchian, Gardner,
Schapiro, & Hopkins, 2012 ; ainsi que pour des manipulations complexes d'outils impliquant
une planification motrice, Hopkins et al., 2017; Hopkins, Russell, & Cantalupo, 2007).

Toutefois, cette région aurait connu une expansion particulièrement importante au cours
de l'évolution de la lignée humaine. Des données comparatives suggèrent que sa taille serait
environ 32 fois plus importante chez l'humain que chez le macaque, tandis que la taille de la
plupart des autres régions du cortex cérébral ne seraient que deux à seize fois plus importante
(e.g. Chaplin, Yu, Soares, Gattass, & Rosa, 2013). Des différences importantes entre primates
humains et non-humains sont également observées en termes de connectivité structurelle. La
voie dorsale connectant les régions temporales et préfrontales impliquées dans le traitement de
la syntaxe (voir Figure 19) consiste en un réseau de fibres beaucoup plus important chez
l'humain que chez le chimpanzé (Rilling et al., 2008 ; mais voir également Petrides & Pandya,
2009; Romanski & Averbeck, 2009). Des différences de connectivité fonctionnelle entre ces
régions sont également observées avec le macaque (Neubert, Mars, Thomas, Sallet, &
Rushworth, 2014).

II.2.4.3 Données fonctionnelles comparées

Wilson et collaborateurs (2015) ont effectué une expérience recourant à l'imagerie
fonctionnelle (fMRI) chez des macaques rhésus et des humains pour observer les corrélats
neuronaux du traitement d'une grammaire régulière relativement complexe impliquant des
dépendances entre éléments adjacents (Figure 13). Après une exposition prolongée à des
séquences auditives générées à partir de cette grammaire, l'expérimentateur a diffusé des
séquences comportant des violations de cette grammaire. Ces violations ont suscité une activité
accrue dans des régions similaires chez les participants humains et macaques, dans les régions
les plus ventrales des cortex frontaux et operculaires (FOP, voir Figure 19). Les données sont
moins claires concernant l'aire de Broca. Chez la majorité des participants humains, aucune
augmentation significative de l'activité de la région en lien avec ces violations n'était observée.
De manière intéressante, une augmentation de cette activité était cependant observée chez les
macaques (mais celle-ci restait plus faible que l'augmentation enregistrée pour les régions
ventrales). Les auteurs en concluent que les régions les plus ventrales du cortex frontal jouent
un rôle clé dans le traitement des dépendances adjacentes, fonction qui serait évolutivement
conservée, tandis que l'implication de l'aire de Broca dans ces traitements est moins claire.
Ces données sont congruentes avec celles obtenues chez l'humain dans des expériences d'AGL examinant les corrélats neuronaux du traitement de la grammaire (AB)ⁿ, qui comporte elle aussi exclusivement des dépendances adjacentes. Une augmentation de l'activité du FOP est observée lors de la diffusion de séquences présentant des violations de cette grammaire (Friederici, Fiebach, et al., 2006). Ces différents résultats suggèrent donc que cette région joue un rôle central dans le traitement de régularités locales (Friederici, 2011). Plus largement, cette région serait également impliquée chez le primate NH dans le traitement de propriétés saillantes des séquences, telles que l'encodage des éléments situés à leurs extrémités (Amiez & Petrides, 2007), ou encore l'encodage et le maintien en mémoire pour une courte période de l'identité et de l'ordre d'apparition de stimuli présentés séquentiellement (Inoue & Mikami, 2006).

L'ensemble de ces données a conduit à l'hypothèse d'un gradient d'activation ventrodorsal. Le traitement des régularités séquentielles les plus élémentaires est sous-tendu par les régions les plus ventrales du cortex préfrontal ventro-latéral (VLPFC), tandis que le traitement de régularités plus complexes (dépendances non-adjacentes, organisation hiérarchique) serait supporté par les régions plus dorsales du VLPFC, dont l'aire de Broca (voir Figure 20 ; Friederici, 2011; Wilson et al., 2017). Les différents modèles de ce type postulent que le rôle joué par ces zones les plus ventrales du VLPFC dans les traitements séquentiels aurait été déjà présent *a minima* chez notre dernier ancêtre commun avec les macaques, et conservé au cours de l'évolution des primates. Mais leurs propositions divergent concernant l'histoire évolutive du rôle joué par les régions plus dorsales. Friederici et collaborateurs (e.g. Friederici, Bahlmann, et al., 2006) avancent que ces dernières régions sont impliquées dans le traitement de régularités plus complexes, mais seulement chez l'humain. De leur côté, Wilson et collaborateurs (2017) proposent que cette fonction soit également apparue précocement au cours de l'évolution des primates, et ait été conservée au cours de la phylogenèse. Leur modèle prédit donc que des activations plus dorsales devraient également être observées chez le primate NH lors du traitement de séquences comprenant des dépendances non-adjacentes et/ou organisées de manière hiérarchique. Ils font cependant l'hypothèse que cette homologie fonctionnelle pourrait être accompagnée de différences importantes entre les cerveaux des primates humains et NH, telles qu'un degré de latéralisation plus important ou une implication particulière des aires de Brodmann 44 et 45 pour les premiers, ou encore des différences de connectivité entre ces régions et le reste du réseau impliqué dans le traitement de régularités séquentielles.
<figure><img src="image_21.png" /><figcaption>**Figure 20** Illustration du modèle d'un gradient ventro-dorsal pour le traitement de régularités séquentielles de complexité croissante chez les primates. vFOC = cortex frontaux et operculaires ventraux. Modifié d'après Wilson et al. (2017).</figcaption></figure>

Aucune donnée expérimentale ne nous permet cependant de discuter ces deux hypothèses à l'heure actuelle. A notre connaissance, le traitement de dépendances non-adjacentes n'a fait l'objet d'aucun travail comparatif en imagerie cérébrale (cependant, voir la section V.2.2 pour une étude d'électroencéphalographie). Et comme nous l'avons vu dans la section II.2.3.3, les paradigmes expérimentaux élaborés jusqu'à présent pour étudier le traitement de grammaires supra-régulières chez l'animal NH ne sont pas satisfaisants. Répondre à ces questions nécessiterait donc comme préalable la conception de tâches plus adaptées.

Résumé

* Une homologie fonctionnelle chez les primates humains et NH est observée pour les régions ventrales du cortex préfrontal ventrolatéral, qui supporteraient le traitement de régularités séquentielles simples (e.g. dépendances adjacentes).

* Chez l'humain, l'aire de Broca joue un rôle clé dans l'extraction de régularités syntaxiques plus complexes.

* A ce jour, l'implication ou non d'une région équivalente dans ce type de traitement chez le primate NH n'est pas documentée.
### III. Conclusion : Proposition d'une Nouvelle Approche pour
Etudier le Traitement des Grammaires Supra-régulières

Un examen de la complexité syntaxique des langues naturelles, d'une part, et des systèmes de communication des autres espèces, d'autre part, révèle des différences fondamentales. Toutefois, les données passées en revue dans la section précédente mettent également en lumière un certain nombre de similarités entre les capacités syntaxiques des humains et des autres espèces étudiées :

(1) Concernant les aspects de production, humains et non-humains présentent une certaine diversité de comportements qui semblent impliquer des capacités syntaxiques relativement complexes, y compris en dehors du domaine de la communication, tel que pour la production de séquences complexes d'actions.

(2) Dans les paradigmes d'AGL, participants humains et non-humains manifestent une tendance à se baser sur des régularités plus élémentaires que le traitement d'une grammaire $A^nB^n$ lorsque le matériel expérimental employé le leur permet (détection de fragments d'exemplaires familiers, de répétitions d'éléments, etc.).

(3) On observe une homologie fonctionnelle chez les primates humains et non-humains pour certaines régions cérébrales impliquées dans le traitement de régularités séquentielles simples.

Ces similarités nous font suggérer qu'il existe, malgré les différences observées, un important recouvrement entre les systèmes de traitement des régularités séquentielles des humains et des NH.

De plus, nous avons vu que la principale différence qui émerge des données issues des expériences d'AGL, à savoir l'absence de données clairement positives sur le traitement de régularités supra-régulières chez une espèce NH, nous semble pouvoir être imputée à des défauts des procédures expérimentales employées. Enfin, dans ces mêmes expériences, le traitement de la grammaire régulière ($AB)^n$ ne constitue pas non plus une stratégie privilégiée par les différentes espèces NH testées. Ces données suggèrent que la distinction entre grammaires régulières et supra-régulières ne rend pas compte suffisamment finement des capacités syntaxiques des différentes espèces et de leurs limites (Petersson et al., 2012; Petkov
& Wilson, 2012; Rogers & Pullum, 2011). Le fait qu'une somme relativement importante de travaux comparatifs aient été menés sur la base de cette distinction sans qu'aucune conclusion claire n'en émerge suggère que cette méthodologie n'est pas adaptée.

Dans la présente thèse, nous avons par conséquent poursuivi une stratégie alternative, consistant à décomposer le traitement des grammaires supra-régulières en opérations élémentaires. Selon cette perspective, nous faisons l'hypothèse que les échecs obtenus jusqu'à présent dans les expériences cherchant à tester la capacité des animaux NH à traiter des grammaires supra-régulières pourraient davantage découler de difficultés à effectuer certaines des opérations cognitives impliquées dans le traitement de ce type de grammaires, plutôt que d'une incapacité à accéder à ce type de grammaires per se. La maîtrise d'une grammaire supra-régulière implique de traiter des dépendances non-adjacentes, entre deux ensemble d'éléments (dans le cas de la grammaire $A^nB^n$), ou entre des items multiples (dans le cas des grammaires centrée-emboîtée et croisée). Par ailleurs, cela implique d'être sensible à la structure sous-jacente des séquences, et d'être capable de généraliser cette structure à de nouveaux éléments.

<figure><img src="image_22.png" /><figcaption>**Figure 21** Illustration des deux prérequis cognitifs pour l'extraction de grammaires supra-régulières ($A^nB^n$, centrée-emboîtée et croisée) : la capacité à apprendre des relations non locales, et la sensibilité à la structure sous-jacente.</figcaption></figure>

Nous identifions donc deux prérequis cognitifs pour le traitement de grammaires supra-régulières : (1) la capacité à apprendre des dépendances non-adjacentes, et (2) la capacité à extraire les propriétés structurelles des séquences (Figure 21). Il existe une littérature comparative sur ces deux aspects, que nous présentons dans le chapitre suivant. Nous verrons qu'un examen complet de cette littérature révèle des manques importants dans la caractérisation de l'évolution de ces deux habiletés cognitives. Dans la partie expérimentale de cette thèse, nous avons donc cherché à combler les manques identifiés afin de tester notre hypothèse, à l'aide d'une série de quatre expériences menées chez le primate humain et non-humain.
# Chapitre II : Prérequis Cognitifs pour le Traitement de Grammaires Supra-régulières

## IV. Apprentissage d'Associations Non-adjacentes

Cette dénomination renvoie à des dépendances entre deux éléments étant séparés par un ou plusieurs autres éléments dans une séquence (également appelées dépendances « à longue distance », ou « disjointes »). On parle d'associations ou de « dépendances » car le premier élément prédit l'apparition du deuxième, avec une probabilité plus ou moins importante (e.g. une probabilité transitionnelle de 1, dans le cas d'une dépendance déterministe). Il y est souvent fait référence par la notation AXB, où A et B sont deux éléments associés tandis que X est un élément variable statistiquement indépendant à la fois de A et de B (i.e. l'élément X ne prédit pas l'apparition de B).

Dans les langues naturelles, on trouve de nombreuses dépendances non-adjacentes, à plusieurs niveaux. Au niveau morphosyntaxique tout d'abord, on retrouve par exemple des dépendances non-adjacentes pour l'accord en genre et en nombre du groupe nominal (e.g. _les babouins_), ainsi que pour l'accord du verbe (e.g. _nous mangeons_). Dans ces exemples, une modification de l'un des deux éléments dépendants donne une phrase agrammaticale (e.g. _nous mangez, vous mangeons_). Il existe également des dépendances non-adjacentes au niveau phonologique. L'harmonie vocalique par exemple, un phénomène observé dans certaines langues comme le turc, implique des dépendances non-adjacentes entre les voyelles d'une même unité (mot ou syntagme), celles-ci devant être « compatibles » entre-elles selon certaines règles spécifiques à chaque langue. On retrouve également des dépendances non-adjacentes entre consonnes. En français par exemple, les séquences consonne-voyelle-consonne au sein d'un mot consistent plus fréquemment en une consonne labiale (e.g. /p/, /b/) suivie d'une coronale (e.g. /d/, /t/), que l'inverse (Nespor, Peña, & Mehler, 2003). Enfin, des dépendances non-adjacentes sont bien entendu également entretenues entre des syntagmes, dans des phrases comportant par exemple des propositions relatives (voir Figure 5, p. 23).
La capacité à détecter des dépendances non-adjacentes est aussi probablement essentielle dans de nombreux autres domaines, comme le soulignent Turk-Browne, Jungé, et Scholl (2005): “*People are constantly bombarded with noise in space and time that needs to be segregated in order to extract a coherent representation of the world, and people rarely encounter a sequence of relevant stimuli without any interruptions.*”.

# IV.1 Données chez l'humain

## IV.1.1 Méthodes expérimentales

L'apprentissage de dépendances non-adjacentes chez l'humain est étudié de deux façons : en étudiant leur traitement dans les langues naturelles, et en effectuant des expériences d'apprentissage de langages artificiels (*Artificial Language Learning*, ou ALL). Ce paradigme a été initié par Saffran, Aslin, et Newport (1996), pour étudier la segmentation du flux de parole sur la base des probabilités transitionnelles entre éléments adjacents. Son principe est proche des tâches d'AGL : les participants sont exposés, le plus souvent de manière passive, à des séquences d'items dépourvus de sens (syllabes, sons, etc.). Ils sont ensuite testés sur de nouvelles séquences, congruentes ou non avec les séquences familières. Mais à la différence des paradigmes AGL, ici ce n'est pas la capacité des participants à extraire une grammaire sous-jacente qui est évaluée, mais leur sensibilité aux régularités distributionnelles (ou statistiques) présentes dans ces séquences. On peut distinguer deux façons d'étudier l'apprentissage de dépendances non-adjacentes dans des paradigmes ALL (Encadré 3). La première est d'évaluer la capacité des participants à segmenter un flux continu d'éléments (e.g. syllabes) sur la base des probabilités transitionnelles entre éléments non-adjacents (Newport & Aslin, 2004). La seconde consiste à présenter aux participants les dépendances non-adjacentes au sein de courtes séquences explicitement segmentées, et à tester leur capacité à détecter des violations de ces dépendances (Gómez, 2002).
<table><caption>**Encadré 3** Les deux principaux paradigmes d'apprentissage de langues artificielles (ALL) pour étudier l'apprentissage de dépendances non-adjacentes</caption><thead><tr><th rowspan="2"></th><th rowspan="2">Familiarisation</th><th colspan="2">Test</th></tr><tr><th>Congruent</th><th>Non-congruent</th></tr></thead><tbody><tr><th>Structure</th><td>A<sub>1</sub> X<sub>1</sub> B<sub>1</sub> A<sub>2</sub> X<sub>1</sub> B<sub>2</sub> A<sub>1</sub> X<sub>2</sub> B<sub>1</sub></td><td></td><td></td></tr><tr><th>Tâche de segmentation<sup>1</sup></th><td>di gu tae ke gu bu di ki tae</td><td>di gu tae</td><td>tae ke gu</td></tr><tr><th>Tâche de détection de violations<sup>2</sup></th><td>pel wadim rud -- vot wadim jic -- pel kicey rud</td><td>pel wadim rud</td><td>pel wadim jic</td></tr></tbody></table>

Les exemples de stimuli sont tirés de ¹ Newport, Hauser, Spaepen, & Aslin (2004), et ² Gómez (2002). Les segments soulignés illustrent la manière dont sont construites les séquences présentées congruentes (en vert) et non-congruentes (en rouge) lors du test, pour les deux types de tâches. Les tirets (--) signalent des pauses.

Le principe général de ces tâches est de présenter des séquences de stimuli, composées de triplets (appelés « mots ») de la forme AXB. A et B entretiennent une dépendance déterministe, tandis que les probabilités entre éléments adjacents ne sont pas informatives (i.e. A ne permet pas de prédire X, et X ne permet pas de prédire B). À la suite de cette période d'exposition, les participants sont testés sur des séquences congruentes et non congruentes.

Dans les tâches de segmentation, les éléments (ici, des syllabes) sont diffusés les uns à la suite des autres, sans que les frontières entre les triplets soient indiquées par des indices acoustiques (pas de pause, ni d'indication prosodique). Les probabilités transitionnelles intra- et inter-triplet entre éléments adjacents étant équilibrées, seules les probabilités transitionnelles entre éléments non-adjacents permettent d'effectuer la tâche de segmentation. Dans la phase de test, des triplets congruents et non-congruents sont présentés aux participants. Ces derniers sont constitués du dernier élément d'un mot, suivi des deux premiers d'un autre mot (e.g. B<sub>1</sub> A<sub>2</sub> X<sub>1</sub>). Si les participants ont été capables d'effectuer la tâche de segmentation, ils les identifient comme n'étant pas des mots du langage auquel ils ont été exposés.

Dans les tâches de détection de violation, des pauses indiquent explicitement les frontières entre les triplets. Les triplets non-congruents présentés lors du test ne comportent pas de violation des dépendances adjacentes, mais impliquent une violation des dépendances non-adjacentes (e.g. A<sub>1</sub> X<sub>1</sub> B<sub>2</sub>).

### IV.1.2 Ontogénie

La capacité de détecter les dépendances non-adjacentes présentes au niveau morphosyntaxique<fnref n="20" /> dans les langues naturelles n'apparaîtrait chez l'enfant qu'au cours de la

<footnote n="20">²⁰ La sensibilité aux dépendances non-adjacentes présentes au niveau phonologique, elle, apparaît plus tôt, au cours de la première année : des violations de l'harmonie vocalique sont détectées dès six mois par des enfants turcs (van Kampen, Parmaksiz, Van de Vijver, & Hoehle, 2008), et dès dix mois lorsque les violations concernent des consonnes (Gonzalez-Gomez & Nazzi, 2012).</footnote>
deuxième année (pour une revue, voir Sandoval & Gómez, 2013). Nazzi, Barrière, Goyet, Kresh, et Legendre (2011) ont montré, par exemple, que des enfants français de 17-18 mois réagissent à des violations de l'accord singulier/pluriel des verbes (voir également van Heugten & Shi, 2010). A 18 mois, des enfants anglais détectent des violations de la dépendance entre l'auxiliaire (is) et la terminaison du verbe (-ing) formant le présent continu, tandis qu'ils n'y réagissent pas à 15 mois (Santelmann & Jusczyk, 1998). Des enfants néerlandais reconnaissent une dépendance entre un article défini et un suffixe diminutif à 24, mais pas à 17 mois (van Heugten & Johnson, 2010). Ces études montrent également que plusieurs facteurs ont une incidence sur cette capacité : les violations sont détectées seulement si le nombre de syllabes séparant les éléments dépendants est relativement faible (Hohle, Schmitz, Santelmann, & Weissenborn, 2006; Santelmann & Jusczyk, 1998; Soderstrom, White, Conwell, & Morgan, 2007). De plus, toutes les dépendances non-adjacentes d'une langue ne sont pas acquises au même moment. Une analyse de corpus a par exemple montré que les dépendances acquises le plus tôt au cours du développement étaient celles apparaissant le plus fréquemment dans les phrases entendues par les enfants néerlandais (van Heugten & Johnson, 2010).

Ces données convergent avec celles issues d'expériences d'ALL : une étude de Gómez et Maye (2005) montre que la capacité à extraire des dépendances non-adjacentes implémentées dans un langage artificiel apparaissait entre 12 et 15 mois<fnref n="21" />. Pris dans leur ensemble, ces résultats révèlent une différence de trajectoire développementale entre la capacité à extraire des dépendances adjacentes et celle à extraire des dépendances non-adjacentes, cette première étant observée dès la première année (e.g. Saffran et al., 1996; Saffran, Johnson, Aslin, & Newport, 1999).

### IV.1.3 Apprentissage de dépendances non-adjacentes chez l'adulte

Un ensemble d'expériences d'ALL indique que chez l'adulte, l'extraction de dépendances non-adjacentes est également plus difficile que celui de dépendances adjacentes (e.g. Cleeremans & McClelland, 1991; Gebhart, Newport, & Aslin, 2009; Newport & Aslin, 2004; Pacton, Sobaco, & Perruchet, 2015; Wilson, Smith, & Petkov, 2015). En effet, tandis que l'extraction de dépendances adjacentes ne présente aucune difficulté particulière (e.g. Fiser & Aslin, 2002; Hunt & Aslin, 2001; Saffran et al., 1999; Saffran, Newport, & Aslin, 1996),

<footnote n="21">²¹ A noter toutefois que des données EEG suggèrent une sensibilité aux dépendances non-adjacentes beaucoup plus précoce (dès trois mois, Mueller, Friederici, & Männel, 2012).</footnote>
l'extraction de dépendances non-adjacentes ne s'observe que sous certaines conditions : (1) lorsque les éléments dépendants ont des caractéristiques perceptives communes tandis que l'élément intermédiaire diffère (e.g. dépendances entre consonnes présentées avec une voyelle intermédiaire, et *vice-versa*, Newport & Aslin, 2004 ; voir également Creel, Newport, & Aslin, 2004; Gebhart et al., 2009; Onnis, Monaghan, Richmond, & Chater, 2005), (2) lorsque l'élément intermédiaire est très variable (chez l'adulte comme chez l'enfant : Gómez, 2002; voir également Onnis, Monaghan, Christiansen, & Chater, 2005) ou qu'il est invariable (Onnis et al., 2005), ou encore (3) lorsque les éléments dépendants sont d'abord présentés de manière adjacente (chez l'adulte : Lai & Poletiek, 2011 ; et chez l'enfant : Lany & Gómez, 2008).

Un autre type d'étude s'est penché sur la dynamique temporelle de cet apprentissage, en employant des paradigmes adaptés à partir de la tâche de pointage sériel (SRT, Nissen & Bullemer, 1987) permettant un enregistrement continu de l'apprentissage des participants au cours de l'exposition aux régularités. Ces travaux ont notamment cherché à savoir si lorsqu'un matériel comprenant à la fois des dépendances adjacentes et non-adjacentes était présenté aux participants, ceux-ci pouvaient les apprendre simultanément. Leur résultats apportent une réponse positive à cette question, du moins lorsque ces deux types de régularités sont instanciées par des vocabulaires différents (i.e. les éléments entretenant des dépendances non-adjacentes n'entretiennent pas de dépendances adjacentes, et *vice-versa* (Romberg & Saffran, 2013a; Vuong, Meyer, & Christiansen, 2016). Il est toutefois observé une différence intéressante dans le pattern de résultats obtenu : tandis que l'ensemble des participants parviennent à traiter les dépendances adjacentes présentes dans le matériel expérimental, leurs performances avec les dépendances non-adjacentes suivent une distribution bimodale : seule une partie des participants parviennent à extraire ces dernières (voir également Misyak & Christiansen, 2012; Mueller, Friederici, & Männel, 2012; Romberg & Saffran, 2013; Wilson, Smith, et al., 2015).

L'ensemble de ces données suggère que l'apprentissage de dépendances non-adjacentes est plus difficile chez l'humain que l'extraction de dépendances adjacentes : il est observé plus tardivement au cours du développement, et seulement sous certaines conditions.
## IV.2 Données comparatives

### IV.2.1 Apprentissage de dépendances adjacentes

De nombreuses espèces sont sensibles aux dépendances adjacentes (pour une revue : ten Cate & Okanoya, 2012; Conway & Christiansen, 2001; Wilson, Marslen-Wilson, & Petkov, 2017). Cette capacité a été observée chez le tamarin pinché (*Saguinus oedipus*, Hauser, Newport, & Aslin, 2001), le macaque rhésus (*Macaca Mulatta*, Wilson, Smith, et al., 2015), le babouin de Guinée (*Papio papio*, Minier, Fagot, & Rey, 2016), le rat (*Rattus norvegicus*, Toro & Trobalón, 2005), le pigeon (*Columba livia domestica* Froehlich, Herbranson, Loper, Wood, & Shimp, 2004), et deux espèces d'oiseaux chanteurs (*Lonchura striata* var. domestica, Takahasi, Yamada, & Okanoya, 2010 ; *Taeniopygia guttata*, Chen & ten Cate, 2015). Les patterns de résultats obtenus chez ces différentes espèces sont très similaires à ceux obtenus chez l'humains<fnref n="22" />. Par exemple, testés dans une tâche de pointage sériel, pigeons (Froehlich et al., 2004) et humains (Hunt & Aslin, 2001) présentent une corrélation comparable entre leurs temps de réponse et le degré de prédictibilité de l'élément à venir dans la séquence : leurs réponses étaient d'autant plus rapides que les probabilités transitionnelles entre éléments adjacents étaient importantes (Figure 22).

<footnote n="22">²² Mais des différences peuvent également être observées. Par exemple, Toro & Trobalón (2005) ont montré que les rats se basaient sur des computations statistiques plus simples (fréquence des co-occurrences) que celles effectuées par des enfants de huit mois (probabilités transitionnelles) testés dans une tâche similaire (Aslin, Saffran, & Newport, 1998).</footnote>
<figure><img src="image_23.png" /></figure>

**Figure 22** Temps de réponse obtenus chez le pigeon (Froehlich et al., 2004) et l'humain (Hunt & Aslin, 2001) en fonction des probabilités transitionnelles entre éléments adjacents, dans une tâche de pointage sériel. Les pigeons répondent globalement plus lentement que les humains, mais leur pente de régression est comparable. Modifié d'après Froehlich et al. (2004).

La tâche de pointage sériel a également été utilisée pour une étude menée chez le babouin et l'humain au sein de notre laboratoire (Minier et al., 2016 ; Rey et al., 2018). Les participants devaient suivre une cible se déplaçant sur un écran tactile. Une séquence de neuf cibles était présentée à chaque essai, en réalité constituée de trois triplets présentés dans un ordre aléatoire. Aucun indice ne signalait toutefois les frontières entre ces triplets, mis à part les probabilités transitionnelles (qui étaient égales à 1 au sein des triplets). Non seulement les participants des deux espèces sont parvenus à segmenter les séquences, mais ils présentaient également les mêmes dynamiques temporelles. Leurs temps de réponse sur le dernier élément des triplets décroissaient plus rapidement au cours du temps que leurs temps de réponse sur le second élément. Ces résultats suggèrent un effet cumulatif de l'information contextuelle des éléments précédents pour la prédiction de l'élément à venir dans la séquence, chez ces deux espèces.

L'ensemble de ces données suggère que la sensibilité aux dépendances adjacentes est largement répandue au sein de la phylogénèse, et que cette capacité est sous-tendue par des mécanismes communs aux humains et aux autres espèces étudiées.
IV.2.2 **Apprentissage de dépendances non-adjacentes**

IV.2.2.1 Données comportementales

Un premier type d'expériences menées chez l'animal NH implique des dépendances entre éléments non-adjacents étant perceptivement plus proches l'un de l'autre que de l'élément intermédiaire (sur le même modèle que Creel et al., 2004, et Newport & Aslin, 2004, chez l'humain). Des résultats positifs ont été obtenus en utilisant ce type de matériel chez deux espèces de primates (*Saguinus oedipus*, Newport, Hauser, Spaepen, & Aslin, 2004 ; *Saimiri sciureus*, Ravignani, Sonnweber, Stobbe, & Fitch, 2013). De plus, les rats parviennent à détecter des dépendances entre des consonnes présentées avec une voyelle intermédiaire, et *vice-versa* (de la Mora & Toro, 2013), tandis qu'ils échouent lorsqu'éléments non-adjacents et intermédiaires appartiennent à la même catégorie perceptive (Toro & Trobalón, 2005). Ces données suggèrent que comme chez l'humain, la similarité perceptive entre éléments non-adjacents faciliterait leur association<fnref n="23" />.

Un second type d'expériences étudie l'apprentissage de dépendances non-adjacentes en l'absence d'indices perceptifs. Newport et al. (2004) ont étudié la capacité du tamarin (*Saguinus oedipus*) à segmenter un flux continu de syllabes sur la base des probabilités transitionnelles entre syllabes non-adjacentes, dans un paradigme d'habituation-déshabituation (voir Figure 14). Six « mots » de trois syllabes de la forme AXB (avec trois paires de syllabes A-B différentes, et deux syllabes X) étaient diffusés dans un ordre pseudo-aléatoire pendant plusieurs minutes via un haut-parleur. À la suite de cette phase d'habituation, les triplets de syllabes correspondant à ces « mots » (e.g. A₁XB₁) et des triplets non-congruents (e.g. B₁A₂X ; voir Encadré 2), étaient diffusés un par un, et les réactions des tamarins mesurées. Les tamarins ont davantage réagi (i.e. ils se sont plus fréquemment tournés vers le haut-parleur) lors de la diffusion de ce dernier type de triplets. Ces résultats suggèrent donc que les tamarins ont bien été capables de segmenter un flux continu de syllabes en triplets, sur la seule base des relations déterministes entretenues par les syllabes non-adjacentes.

Sonnweber, Ravignani, et Fitch (2015) ont testé la capacité du chimpanzé à généraliser des dépendances non-adjacentes à de nouveaux éléments intermédiaires. Dans une tâche à choix-forcé, les singes étaient d'abord entraînés à reconnaître cinq paires de stimuli visuels

<footnote n="23">²³ Voir toutefois de la Mora et Toro (2013), et Toro, Nespor, Mehler, et Bonatti (2008), pour une théorie proposant l'existence de contraintes spécifiques pesant sur l'extraction de régularités linguistiques chez l'humain.</footnote>
(Figure 23a). Ils devaient ensuite discriminer ces paires de stimuli présentées autour d'un ou deux stimuli intermédiaires (i.e. de la forme AXB ou AXXB), de chaînes de distracteurs de même longueur (XXX ou XXXX). Ils participaient ensuite à une série de tests de généralisation variés, impliquant notamment la présentation de séquences de longueur étendue (e.g. AXXXB ; Test 2), et l'introduction de nouveaux stimuli X (Test 3). L'un des chimpanzés testés a passé avec succès ces deux tests cruciaux. Ces résultats indiquent que cet individu n'a pas appris par cœur chacune des séquences vues au cours de l'entraînement, mais est capable de reconnaître les associations apprises malgré l'introduction de nouveaux éléments intermédiaires. La tâche utilisée avait toutefois pour particularité d'impliquer la présentation simultanée des stimuli à l'écran (voir Figure 23b). Cette étude ne portait donc pas sur l'apprentissage de dépendances non-adjacentes dans le temps, mais dans l'espace. Or il est possible que ce type d'apprentissage engage des processus cognitifs différant au moins partiellement de ceux impliqués dans l'apprentissage de régularités séquentielles. L'apprentissage de dépendances non-adjacentes présentées séquentiellement est notamment susceptible d'impliquer un stockage temporaire en mémoire de travail du premier élément de l'association (e.g. Wilson et al., 2017). Tandis que dans la tâche utilisée par Sonnweber et al. (2015), une fois que les chimpanzés ont appris que seuls les éléments situés aux extrémités des chaînes étaient pertinents pour effectuer la discrimination, il leur est possible d'effectuer de rapides mouvements oculaires de l'un à l'autre, les traitant comme s'ils étaient adjacents malgré la distance spatiale.

La généralisation de ce type de dépendances non-adjacentes à de nouveaux éléments intermédiaires a toutefois été récemment montrée chez le diamant mandarin, dans une expérience impliquant cette fois-ci la présentation séquentielle de stimuli auditifs (Chen & ten Cate, 2017). Comme dans l'étude de Sonnweber et al. (2015), les oiseaux étaient d'abord entraînés à apprendre deux dépendances adjacentes. Mais à la différence de Sonnweber et al. (2015), les participants étaient ensuite directement testés (i.e. sans feedback) sur des séquences congruentes dans lesquelles un élément intermédiaire avait été injecté. L'un des trois oiseaux testés a passé avec succès ce test.
<figure><img src="image_24.png" /><figcaption>**Figure 23** a. Les cinq paires de stimuli que les chimpanzés de l'étude de Sonnweber et al. (2015) devaient apprendre à associer. b. Illustration de la tâche. Les deux chaînes de stimuli étaient présentées simultanément sur un écran tactile, et les chimpanzés devaient sélectionner le stimulus positif pour recevoir une récompense.</figcaption></figure>

Enfin, une étude de Wilson, Smith, et al. (2015) nous renseigne sur l'extraction de dépendances non-adjacentes présentées dans une grammaire régulière plus complexe, comprenant plusieurs dépendances adjacentes et des dépendances non-adjacentes optionnelles (certains éléments pouvant être présentés de manière adjacente ou non ; voir la Figure 13, p. 43, qui représente un diagramme de la grammaire utilisée dans cette étude). Deux macaques et des participants humains ont été exposés à des séquences générées par cette grammaire, puis exposés à deux types de séquences : des séquences impliquant uniquement des violations de relations locales, et des séquences impliquant également des violations de dépendances non-adjacentes. Les résultats obtenus chez les macaques suggèrent que ceux-ci ont bien détecté les violations des transitions entre éléments adjacents, mais sont restés insensibles aux violations des relations non-adjacentes. Un pattern de résultats intéressant est obtenu chez les humains : seule une petite proportion des participants a détecté les violations des dépendances non-adjacentes. Ces résultats concordent avec ceux rapportés dans la section IV.1, et suggèrent que les dépendances adjacentes sont plus faciles à extraire que les dépendances non-adjacentes pour le macaque également.
IV.2.2.2 Corrélats neuronaux

Une seule étude a été consacrée à l'examen des corrélats neuronaux du traitement de
dépendances non-adjacentes chez le macaque rhésus (Milne et al., 2016), en répliquant
partiellement une étude effectuée chez des participants humains (Mueller et al., 2012). Après
une exposition passive à des séquences auditives de la forme AXB, les potentiels évoqués
enregistrés par électroencéphalographie (EEG) montrent que le pattern de réponse neuronal des
macaques à des séquences violant la dépendance (e.g. A<sub>1</sub>XB<sub>2</sub>) présente des similarités avec
celui observé chez des enfants testés dans des conditions similaires. Chez l'adulte humain, ces
violations ne sont pas accompagnées de modifications significatives de l'activité neuronale,
dans les mêmes conditions d'exposition passive aux régularités (Mueller et al., 2012). Ces
résultats suggèrent que le traitement des dépendances non-adjacentes par le primate non-
humain pourrait présenter davantage de similarités avec celui du bébé humain qu'avec celui de
l'adulte. Les auteurs de cette étude proposent notamment que chez ces deux premiers types de
participants, l'apprentissage de dépendances non-adjacentes pourrait reposer sur un
apprentissage implicite des régularités statistiques présentes dans l'entrée sensorielle, tandis
que chez l'adulte humain des mécanismes supportant un apprentissage explicite de ces
régularités seraient recrutés. Nous reviendrons sur cette discussion dans la section suivante.

IV.3 Mécanismes

IV.3.1 Théories sur l’apprentissage statistique

L'un des postulats de la linguistique générative est que les propriétés distributionnelles des langues naturelles ne peuvent constituer la source des connaissances syntaxiques. On retrouve également cette idée dans les premiers travaux sur l'AGL, qui ont interprété les performances des participants dans des tâches de jugement de grammaticalité comme reflétant l'extraction et l'encodage de règles abstraites des grammaires sous-tendant les séquences présentées (Reber, 1967).

Dans une approche très différente, Skinner (1991) avait proposé que l'acquisition du
langage dépend de l'apprentissage de contingences via des mécanismes généraux de
conditionnement opérant, comme dans tout autre domaine de la cognition et chez toute espèce.
Les théories de l’apprentissage statistique ont réactualisé ce débat (Bates & Elman, 1996; Seidenberg, MacDonald, & Saffran, 2002).

La notion d’apprentissage statistique fait référence à un ensemble de mécanismes, ou de principes computationnels, permettant l’extraction de régularités distributionnelles par simple exposition à celles-ci. Ces mécanismes sont sensibles aux propriétés redondantes de l’environnement, et permettent par exemple de former des prédictions sur les évènements à venir dans une séquence (e.g. Saffran, 2001). Plusieurs approches théoriques peuvent être distinguées au sein de ce courant. Saffran et collaborateurs (1996 ; voir également Aslin, Saffran, & Newport, 1998; Saffran, 2001) ont proposé que l’extraction de régularités distributionnelles soit basée sur l’apprentissage des co-occurrences d’éléments les plus fréquentes dans l’entrée sensorielle, et la computation des probabilités transitionnelles entre ces éléments. L’approche exemplariste propose que les participants mémorisent les exemplaires de séquences auxquels ils sont exposés, et effectuent leurs jugements de grammaticalité en comparant les nouveaux exemplaires rencontrés avec ceux-ci (Vokey & Brooks, 1992). L’approche fragmentariste enfin propose que seuls des fragments (chunks) d’éléments présents dans les séquences de familiarisation soient mémorisés (Perruchet & Pacteau, 1990; Servan-Schreiber & Anderson, 1990).

### IV.3.2 Apprentissage statistique des dépendances non-adjacentes

Les dépendances non-adjacentes posent en principe un problème pour les théories sur l’apprentissage statistique. Les premiers travaux sur l’apprentissage implicite de régularités statistiques se sont largement concentrés sur l’apprentissage de relations entre éléments adjacents (Stadler & Frensch, 1998). Par ailleurs, supposer que les probabilités transitionnelles entre les éléments adjacents d’une séquence ne seraient pas seulement calculées entre des éléments adjacents, mais également entre éléments plus distants, mène à un problème d’explosion combinatoire (e.g. Levelt, 2008). Les dépendances non-adjacentes posent également un problème pour les approches exemplaristes et fragmentaristes. Selon cette dernière, par exemple, seuls des fragments d’éléments adjacents seraient mémorisés du moins dans les versions initiales de ces théories (Perruchet & Pacteau, 1990; Servan-Schreiber & Anderson, 1990). En effet, ces fragments ne comportent pas d’interruption ou de « blanc ».

Mais l’ensemble des données expérimentales que nous venons de passer en revue indiquent que les dépendances non-adjacentes peuvent être apprises par les humains, enfants et
adultes, ainsi que par des participants appartenant à d'autres espèces, sur la base de régularités distributionnelles implémentés dans des langages artificiels. Ces données indiquent également que l'apprentissage de ce type de dépendances est toutefois plus difficile que l'apprentissage de dépendances adjacentes. Plusieurs théories ont été proposées pour expliquer les contraintes semblant peser sur l'extraction des dépendances non-adjacentes.

Une première théorie propose que l'extraction de dépendances non-adjacentes, à la différence de celle des dépendances adjacentes, reposerait en partie sur des mécanismes non statistiques. Peña et al. (2002) ont observé qu'après une courte familiarisation de 10 min à un flux continu de syllabes organisées en triplets de la forme AXB (tâche de segmentation, voir l'Encadré 2), les participants échouent à généraliser les dépendances non-adjacentes à de nouveaux items intermédiaires (ces derniers étant des syllabes A ou B d'une autre paire, e.g. AᵢAⱼBᵢ). En effet, ils ne présentent pas de préférence pour ce type de triplet par rapport à des triplets non-congruents (e.g. CⱼAᵢX). Ils y parviennent cependant lorsque de courtes pauses, dites « subliminales », de 25 ms sont introduites entre les triplets présentés lors de la phase d'exposition. Selon les auteurs, ces résultats indiquent que (1) la segmentation d'un flux de syllabes peut s'effectuer sur la base de mécanismes d'apprentissage statistique calculant des probabilités transitionnelles non-adjacentes, mais que (2) la généralisation de dépendances non-adjacentes à de nouveaux éléments intermédiaires nécessiterait l'extraction de régularités structurelles (A_B) sur la base de mécanismes non statistiques (rule-based). Toujours selon les auteurs, l'extraction de ces régularités ne s'observerait que dans la condition où le flux de syllabes est explicitement segmenté par de courtes pauses, car l'extraction rapide de régularités structurelles ne peut se faire qu'une fois que les mots de l'entrée sensorielle ont été identifiés. Cependant, une série de revues critiques accompagnées de réplications partielles des expériences effectuées par Peña et al. (2002) suggère que leurs résultats reflètent un apprentissage des positions des éléments dans les triplets (e.g. les éléments A apparaissent en début de triplet), plutôt qu'un apprentissage des dépendances entre les éléments A et B (Endress & Bonatti, 2007; Perruchet, Tyler, Galland, & Peereman, 2004a). De manière plus générale, le matériel expérimental employé par Peña et al. (2002) rend difficile l'interprétation de leurs résultats. Seidenberg et al. (2002) recensent ainsi dix régularités statistiques différentes dans les séquences de familiarisation qui pourraient avoir été exploitées par les participants. Une étude de Frost et Monaghan (2016), effectuée sur le même modèle que celle de Peña et al. (2002) en
y apportant des ajustements méthodologiques<fnref n="24" />, montre que dans ces conditions les participants humains peuvent simultanément segmenter un flux de syllabes sur la base des probabilités transitionnelles non-adjacentes, et généraliser ces dépendances non-adjacentes à de nouveaux éléments intermédiaires. La proposition théorique avancée par Peña et al. (2002) n'a donc pas été corroborée par cet ensemble de données.

Un deuxième ensemble de théories avance que l'apprentissage de dépendances adjacentes et non-adjacentes reposent sur les mêmes mécanismes d'apprentissage statistique. Gómez (2002) propose que les contraintes semblant peser sur l'apprentissage de ces dernières découle d'une priorité donnée aux items étant situés à proximité dans l'espace ou le temps. Ce n'est que lorsque les probabilités transitionnelles entre éléments adjacents sont trop faibles, par rapport à celles entre les éléments non-adjacents, que ces dernières seraient exploitées par les participants. Pour tester son hypothèse, elle a exposé différents groupes de participants à un langage artificiel composé de séquences séparées par des silences, chacune de la forme AXB (voir Encadré 2). Le nombre de mots correspondant à l'élément intermédiaire X différait selon les groupes (e.g. 2, 6, 12 ou 24 dans son Expérience 1). Les participants étaient ensuite testés avec une tâche de jugement de grammaticalité, dans laquelle leur étaient présentées ces mêmes séquences *versus* des séquences violant les dépendances non-adjacentes. Seuls les participants du groupe ayant été exposés au langage artificiel impliquant 24 éléments X différents ont correctement rejeté les séquences non-congruentes. Gómez (2002) explique ces résultats de la manière suivante : les participants des autres groupes n'ont pas rejeté les séquences non-congruentes, car ils se seraient basés sur les dépendances adjacentes pour répondre à la tâche. Or, ces dépendances adjacentes étaient bien respectées dans les deux types de séquences test. Les participants exposés au langage comportant la plus grande variabilité d'éléments intermédiaires, eux, sont les seuls à avoir été sensibles aux dépendances non-adjacentes. Les participants se seraient donc focalisés par défaut sur les relations entretenues entre les éléments adjacents, et n'auraient exploité les dépendances non-adjacentes que lorsque ces premières s'avéraient peu informatives (voir également Onnis et al., 2005).

Une théorie explicative complémentaire a été tirée des travaux démontrant le rôle joué
par la similarité perceptive des éléments non-adjacents (par rapport aux éléments
intermédiaires). Newport et Aslin (2004 ; voir également Creel et al., 2004) proposent que les

<footnote n="24">²⁴ Cette étude montre notamment que la généralisation à de nouveaux éléments est bien observée lorsque ces éléments sont réellement nouveaux (i.e. des syllabes non présentées au cours de la phase de familiarisation), et non des syllabes A ou B d'une autre paire (e.g. AᵢAⱼBᵢ), comme dans Peña et al. (2002).</footnote>
mécanismes d'apprentissage statistique sous-tendant l'extraction de dépendances non-adjacentes seraient contraints par une loi de similarité, telle que celle proposée par la théorie gestaltiste : des éléments se ressemblant physiquement auraient tendance à être davantage regroupés, ou associés, même s'ils sont relativement distants l'un de l'autre dans le temps ou l'espace.

(Pacton & Perruchet, 2008; Pacton et al., 2015) ont offert une théorie unificatrice, compatible avec l'ensemble des conditions facilitatrices identifiées pour l'extraction des dépendances non-adjacentes, et qui permettrait d'expliquer la priorité donnée aux dépendances adjacentes. Ils proposent que l'extraction de dépendances adjacentes et non-adjacentes est sous-tendue par un seul et même système/mécanisme associatif, soumises à la même contrainte : le traitement attentionnel conjoint de deux éléments serait une condition nécessaire, et suffisante, pour l'apprentissage d'une association. La contiguïté temporelle permettrait ainsi que deux stimuli soient simultanément (ou presque) dans le focus attentionnel. La variabilité de l'élément intermédiaire comme la similarité perceptive augmenteraient la saillance des stimuli non-adjacents, ce qui aurait également pour effet d'augmenter la probabilité qu'ils soient traités simultanément.

Un dernier type de proposition, complémentaire de la précédente, met l'accent sur le rôle de la mémoire de travail dans l'extraction des dépendances non-adjacentes. Celle-ci nécessiterait le maintien en mémoire de travail de l'élément prédictif, afin que sa relation avec l'élément prédit soit apprise (Conway, Deocampo, & Smith, 2016; Wilson, Marslen-Wilson, & Petkov, 2017). Les dépendances adjacentes et non-adjacentes seraient extraites par le même type de mécanismes statistiques, mais des limitations particulières (directement corrélées aux limitations de la WM), et des corrélats neuronaux particuliers (cf section II.2.4.3), devraient être observés spécifiquement lors de l'extraction de ces dernières.

Enfin, des données expérimentales suggèrent l'implication de processus de nature différente chez l'adulte et l'enfant. Dans une étude mesurant les potentiels évoqués enregistrés par électroencéphalographie (EEG), Mueller et al. (2012) ont en effet observé que les conditions d'apprentissage permettant l'apprentissage de dépendances non-adjacentes, ainsi que les corrélats neuronaux de cet apprentissage, différaient entre des participants adultes et des enfants. La tâche consistait en une écoute passive de la majorité des séquences comportant des dépendances non-adjacentes (e.g. $A_1XB_1$), mêlées à une minorité de séquences violant ces dépendances (e.g. $A_1XB_2$). Chez les enfants, une réponse de discordance (MMR) est observée
lors de la diffusion des violations, alors qu'aucune réponse différentielle n'est observée chez les adultes. Ce résultat ne refléterait pas une inattention portée à la tâche par ce groupe de participants, car une MMR est bien observée dans une condition contrôle (diffusion de séquences comprenant un élément de hauteur plus élevée, *pitch deviant*). Un deuxième groupe d'adultes a été testé avec un matériel similaire, mais dans une tâche où ils étaient explicitement informés de l'existence de séquences présentant des violations concernant la hauteur ou l'ordre des syllabes. Ces violations devaient être signalées par le sujet en pressant un bouton. Les adultes ayant appris les dépendances non-adjacentes dans ces conditions « d'exposition active », présentent bien une MMR, ainsi qu'une onde négative plus tardive (N2, ou N200). Selon les auteurs, cette dernière pourrait refléter l'engagement de processus de traitements moins automatiques chez l'adulte que chez l'enfant (ainsi que chez le singe, voir section IV.2.2.2), cette composante tardive ayant été reliée dans des études précédentes à un apprentissage explicite de régularités séquentielles (Eimer, Goschke, Schlaghecken, & Stürmer, 1996; Ferdinand, Mecklinger, & Kray, 2008)<fnref n="25" />.

## IV.4 Conclusions

L'ensemble de ces données suggère que l'apprentissage de dépendances non-adjacentes est sous tendu par des mécanismes d'apprentissage statistique, présents chez un large ensemble d'espèces. Cet apprentissage est sujet à certaines contraintes en partie similaires chez l'humain et les autres espèces : l'exploitation des dépendances adjacentes tend à être privilégiée si celles-ci sont suffisamment informatives, la similarité perceptive entre des éléments distants dans le temps ou l'espace facilite leur association, etc. Plusieurs de ces aspects nécessiteraient cependant des recherches supplémentaires.

Un premier aspect concerne le type de représentations des dépendances non-adjacentes que forment les participants. Apprennent-ils une collection de séquences individuelles (e.g. A₁X₁B₁, A₁X₂B₁, etc.), ou forment-ils une représentation unifiée de chacune des dépendances non-adjacentes, indépendante des éléments intermédiaires (e.g. A₁_B₁)? Dans les langues naturelles, cette indépendance est centrale, puisque l'accord en genre et en nombre, par

<footnote n="25">²⁵ Ces résultats font écho avec d'autres données obtenues chez l'adulte : l'application de TMS dans le cortex frontal dorso-latéral (DLPFC) s'accompagne d'une amélioration des performances dans une tâche d'apprentissage statistique (Ambrus, Janacsek, Trimborn, Kovacs, & Nemeth, 2017).</footnote>
exemple, ou encore la formation du présent continu, implique d'extraire et de reconnaître les
dépendances impliquées autour de noms ou de verbes très divers, qui n'auront éventuellement
jamais été entendus, ou produits, dans ce contexte. Une manière d'étudier expérimentalement
cette question est de tester si les participants continuent à reconnaître la dépendance non-
adjacente apprise, malgré l'introduction de nouveaux éléments intermédiaires. La capacité de
généraliser des dépendances non-adjacentes à de nouveaux éléments intermédiaires a été
confirmée chez l'humain dans des expériences d'ALL (e.g. Frost & Monaghan, 2016).
Toutefois, la question de la généralisation n'a fait l'objet que de deux expériences chez l'animal
NH et, de plus, dans des conditions expérimentales particulières (Chen & ten Cate, 2017;
Sonnweber et al., 2015). En effet, dans ces deux études, les participants ont été préalablement
entraînés à associer les éléments en les présentant de manière adjacente<fnref n="26" />. Cette procédure
expérimentale a donc permis de mettre en évidence qu'à la suite d'un entraînement très
progressif, deux individus appartenant à des espèces très différentes, le chimpanzé et le diamant
mandarin, ont été capables de reconnaître de manière flexible les dépendances apprises, malgré
des manipulations des éléments intermédiaires. Ces données suggèrent donc que, dans ces
conditions, des animaux NH peuvent former des représentations des dépendances
indépendantes de l'élément intermédiaire. Mais dans les langues naturelles par exemple, de
nombreuses dépendances sont systématiquement non-adjacentes (comme dans le cas de
l'accord en genre et en nombre en français, où les marqueurs sont systématiquement séparés
par la racine du nom). Il reste donc à savoir si des animaux seraient capables de former ces
représentations de la forme A_B, sans présentation préalable des éléments A et B de manière
adjacente.

Par ailleurs, les travaux comparatifs se sont jusqu'à présent essentiellement concentrés
sur une mise en évidence de la capacité d'autres espèces à apprendre des dépendances non-
adjacentes, avec des résultats essentiellement positifs. Mais il pourrait exister certaines
différences entre l'humain et les autres animaux sur des aspects plus fins de cet apprentissage.
Notamment car l'apprentissage de dépendances non-adjacentes est susceptible d'engager la
mémoire de travail (e.g. Wilson et al., 2017). Or, on sait que ces ressources sont plus limitées
chez un certain nombre d'espèces que chez l'humain. Par exemple, une étude a été réalisée au
sein de notre laboratoire pour évaluer la taille de l'empan mnésique du babouin de Guinée et de

<footnote n="26">²⁶ Sonnweber, Ravignani, et Fitch (2015) ne rapportent pas le nombre d'essais qui a été nécessaire pour que cet apprentissage se mette en place, mais Chen et ten Cate (2017) ont fait effectuer à leurs participants plus de 4000 essais pour apprendre deux associations.</footnote>
l'humain (Joël Fagot & De Lillo, 2011a), à l'aide d'une tâche de rappel spatial immédiat (tâche de Corsi, 1972). Les babouins obtenaient de très bonnes performances lors de la reproduction de séquences de 3 items, mais celles-ci chutaient très fortement dès que des séquences de quatre items étaient présentées. Les humains, eux conservaient de très bonnes performances jusqu'à la longueur maximale testée (6 items). Ces limitations pourraient avoir pour conséquences de contraindre plus strictement le nombre d'éléments intermédiaires pouvant être insérés entre deux éléments non-adjacents, ou encore de nécessiter une durée d'exposition plus importante aux dépendances non-adjacentes (tandis qu'aucune différence, ou une différence moindre, serait observée entre l'humain et une autre espèce pour l'apprentissage de dépendances adjacentes). A ce jour, aucune expérience ne nous renseigne sur ces hypothèses. En effet, le nombre d'études comparatives testant dans des conditions expérimentales similaires des participants humains et NH sur l'apprentissage de dépendances non-adjacentes est très faible. Les quelques études de ce type révèlent pourtant des données intéressantes : elles montrent que les participants des différentes espèces testées parviennent bien à apprendre ces dépendances, mais également que des différences sont observées entre ces espèces. Elles suggèrent notamment : (1) l'existence de contraintes perceptives différentes selon les espèces (de la Mora & Toro, 2013; Newport et al., 2004), (2) qu'en présence de régularités plus locales, l'exploitation des dépendances non-adjacentes est moins privilégiée encore chez le primate non-humain que chez l'humain (Wilson et al., 2013), et que (3) les mécanismes recrutés chez le primate non-humain pour le traitement des dépendances non-adjacentes pourraient différer de ceux engagés chez l'adulte humain (Milne et al., 2016; Mueller et al., 2012).

Résumé

* Chez l'humain, la capacité à apprendre des dépendances non-adjacentes apparaît plus tardivement au cours du développement que celle à apprendre des dépendances adjacentes, et ne se manifeste chez l'adulte que sous certaines conditions.

* Un certain nombre d'expériences d'apprentissage de langages artificiels (ALL) révèlent que l'animal NH est également capable d'apprendre ce type de dépendances.

* Des différences se dessinent toutefois dans les quelques expériences comparatives testant dans les mêmes conditions expérimentales des participants humains et NH.
* Davantage d'expériences comparatives sont nécessaires pour évaluer plus finement les similarités et différences dans les traitements de dépendances non-adjacentes chez différentes espèces.
# V. Extraction de Propriétés Structurelles

L'extraction de propriétés structurelles communes à un jeu de séquences permet la généralisation de la réponse comportementale à de nouvelles séquences isomorphes, qu'elles soient constituées d'éléments familiers ou nouveaux. Elle implique l'encodage de propriétés relativement abstraites, puisque ce sont les relations entretenues entre les différents éléments de la séquence qui sont à prendre en compte, et non l'identité spécifique de ces éléments. Cette capacité est davantage étudiée comme constituant un prérequis pour l'extraction de régularités structurelles dans les langues naturelles, plutôt que comme ayant des correspondances directes avec des phénomènes linguistiques existants (Corballis, 2009; Marcus, Vijayan, Rao, & Vishton, 1999).

L'apprentissage de ce type de régularités a été essentiellement étudié via l'utilisation de deux types de patterns<fnref n="27" /> basés sur des répétitions. Un premier type de pattern comporte une répétition immédiate d'un item, tandis que le troisième élément diffère (i.e. les séquences sont de la forme ABB ou AAB). Dans un deuxième type de pattern, le premier et le dernier élément sont identiques et l'élément intermédiaire diffère (i.e. les séquences comportent une répétition non-adjacente, et sont de la forme ABA<fnref n="28" />). Ces patterns ont pour avantage de correspondre à des séquences relativement courtes, et d'être basés sur des relations de similitude/différence entre des éléments, qui peuvent être reconnues par de nombreuses espèces (e.g. par l'abeille, Giurfa, Zhang, Jenett, Menzel, & Srinivasan, 2001). Ils sont donc particulièrement appropriés pour étudier l'apprentissage de propriétés structurelles de manière comparative chez l'adulte, l'enfant, et les animaux NH. De plus, discriminer ces différents patterns ne peut s'effectuer en adoptant une stratégie de comptage : ils contiennent tous deux éléments différents, l'un n'apparaissant qu'une fois et l'autre étant répété (Marcus et al., 1999). Cette tâche ne peut donc

<footnote n="27">²⁷ Les auteurs utilisent souvent le terme de « pattern algébrique » (Marcus, Vijayan, Rao, & Vishton, 1999). L'utilisation de ce terme implique cependant un postulat fort sur la nature des mécanismes en jeu (cf. section V.3). A ce terme, nous préférerons dans cette thèse celui de « pattern », plus neutre.</footnote>

<footnote n="28">²⁸ Dans cette littérature, on trouve également la notation XXY/XXY/XYX pour faire référence à ces différents types de patterns. Cette notation est généralement utilisée pour souligner que les éléments constituants le pattern sont tirés du même lot d'éléments (e.g. que les éléments X et Y n'appartiennent pas à deux classes perceptives distinctes). Par souci de simplification, nous employons invariablement ici la notation AAB/ABB/ABA, et précisons lorsque c'est le cas que « A » et « B » référent à deux classes de stimuli distinctes.</footnote>