Rhythms of speech

Franke, Mona (2025): Rhythms of speech: exploring timing mechanisms in stuttering. Dissertation, LMU München: Fakultät für Sprach- und Literaturwissenschaften

Abstract

Smooth articulatory coordination is central to fluent speech, a quality often disrupted in stuttering. Stuttering is a neurodevelopmental speech fluency disorder marked by repetitions, prolongations, and blocks. Interestingly, these disfluencies are reduced when people who stutter (PWS) speak in time with an external rhythm, such as a metronome. However, the role of rhythm in fluent speech production and its effect on speech motor control remains unclear. This cumulative dissertation explores speech timing mechanisms in PWS and persons who do not stutter (PWNS) across different age groups and rhythmic contexts in perceptually fluent speech. It specifically focuses on articulatory timing at word onsets under paced and unpaced conditions. The work comprises three empirical studies that use acoustic and articulatory data to examine the interaction between rhythmic cues and speech motor control. Chapter 2 investigates acoustic correlates of a c-center effect—an indicator of onset-vowel timing—in German-speaking children and adolescents with and without stuttering. Participants read monosyllabic words under an unpaced and a metronome-paced condition. Both groups exhibited cues of a c-center effect, but PWS showed greater consonant compression, suggesting differences in the coupling of onsets and vowels. These differences remained in the paced condition, indicating that metronome pacing does not fully normalize articulatory timing in young PWS. Chapter 3 examines the articulatory timing of verbal and non-verbal gestures in adults who stutter and adults who do not stutter using electromagnetic articulographu (EMA) across three rhythmic conditions: speaking while tapping (Tapping), speaking to a metronome (Metronome), and speaking to a metronome while tapping (Metronome+Tapping). While both groups showed that speech onset preceded rhythmic events (i.e. finger tap, metronome beat), PWS aligned more closely with the metronome, indicating delayed initiation. Interestingly, in the Metronome+Tapping condition, only PWS adjusted their finger tapping to align more closely with speech, suggesting altered integration of auditory and motor cues. Chapter 4 explores consonant-vowel (CV) timing and predictive timing in adult PWS and adult PWNS via EMA. CV-timing was assessed using both static and dynamic articulatory measures. PWS generally showed greater overlap between CV gestures. Analyses based on the dynamic approach revealed group differences in the unpaced but not rhythmic conditions (Tapping, Metronome, Metronome+Tapping). Moreover, tapping behavior in the Metronome+Tapping condition diverged between groups: PWS tapped closer to speech onset, while PWNS shifted taps toward the metronome beat. These findings support the idea that PWS rely more on internal motor cues (e.g., tapping) than external auditory cues (e.g., metronome) and that their CV-timing aligns more closely with that of PWNS when speaking in rhythmic contexts. In sum, this dissertation reveals developmental and rhythmic-context-dependent differences in speech motor control between PWS and PWNS. While rhythmic pacing improves CV-timing in adults who stutter, it does not normalize timing in children, pointing to developmental constraints. Furthermore, PWS exhibit altered auditory-motor integration and predictive timing, with a tendency to rely on internally generated cues. These results offer novel insights into articulatory timing in stuttering and contribute to broader models of speech motor control.

Abstract

Une coordination articulatoire fluide est essentielle à la production de parole fluente, une qualité souvent altérée dans le cas du bégaiement. Le bégaiement est un trouble développemental de la fluidité de la parole d’origine neurologique, caractérisé par des répétitions, des prolongations et des blocages. Fait intéressant, ces disfluences diminuent lorsque les personnes qui bégaient (PWS) parlent en synchronie avec un rythme externe, tel qu’un métronome. Cependant, le rôle du rythme dans la production de parole fluide et son influence sur le contrôle moteur de la parole reste mal compris. Cette thèse cumulative explore les mécanismes du timing de la parole chez les PWS et les personnes qui ne bégaient pas (PWNS) à différents âges et dans divers contextes rythmiques, lors de la production de parole en apparence fluide. Elle porte spécifiquement sur le timing articulatoire au début des mots, dans des conditions avec et sans rythme. Le travail comprend trois études empiriques qui s’appuient sur des données acoustiques et articulatoires pour examiner l’interaction entre les indices rythmiques et le contrôle moteur de la parole. Le chapitre 2 s’intéresse aux indices acoustiques d’un effet « c-center » – un indicateur du timing entre l’attaque du mot et la voyelle – chez des enfants et adolescents germanophones qui bégaient ou non. Les participants ont lu des mots monosyllabiques avec et sans métronome. Les deux groupes ont présenté des signes d’un effet c-center, mais les PWS ont montré une compression consonantique plus marquée, suggérant des différences dans le couplage entre attaque et voyelle. Ces différences persistent en condition rythmée, ce qui indique que parler avec un métronome ne normalise pas totalement le timing articulatoire chez les jeunes PWS. Le chapitre 3 examine le timing articulatoire des gestes verbaux et non verbaux chez des adultes PWS et PWNS à l’aide de l’articulographie électromagnétique (EMA), dans trois conditions rythmiques : parler et taper avec le doigt (condition Tapping), parler avec un métronome (condition Metronome), et parler et taper avec un métronome (condition Metronome+Tapping). Dans l’ensemble, le début de la parole précédait les événements rythmiques (tapement de doigt, battement du métronome), mais les PWS alignaient leur parole plus près du métronome, indiquant une initiation plus tardive. Notamment, dans la condition Metronome+Tapping, seuls les PWS ajustaient leurs tapements de doigt pour les aligner davantage avec le début de la parole, ce qui suggère une intégration modifiée des indices auditifs et moteurs. Le chapitre 4 explore le timing consonne-voyelle (CV) ainsi que le timing prédictif chez des adultes PWS et PWNS, toujours via l’EMA. Le timing CV a été analysé à l’aide de mesures articulatoires statiques et dynamiques. Les PWS montraient globalement davantage de chevauchement entre les gestes consonne et voyelle. L’analyse dynamique a révélé des différences significatives entre les groupes dans la condition Unpaced (parler seulement), mais pas dans les conditions rythmiques (Tapping, Metronome, Metronome+Tapping). En outre, les comportements de tapement divergeaient dans la condition Metronome+Tapping : les PWS tapaient plus près du début de la parole, alors que les PWNS alignaient davantage leurs tapements sur le battement du métronome. Ces résultats soutiennent l’idée selon laquelle les PWS s’appuient davantage sur des indices moteurs internes (comme le tapement de doigt) que sur des indices auditifs externes (comme le métronome), et que leur timing CV devient plus proche de celui des PWNS lorsqu’ils parlent dans un contexte rythmique. En résumé, cette thèse met en lumière des différences développementales et dépendantes du contexte rythmique dans le contrôle moteur de la parole entre PWS et PWNS. Bien que le rythme améliore le timing CV chez les adultes qui bégaient, il ne suffit pas à normaliser ce timing chez les enfants, ce qui suggère des contraintes développementales. Par ailleurs, les PWS présentent une intégration auditivo-motrice et un timing prédictif altérés, avec une tendance à se fier davantage à des indices internes. Ces résultats offrent un nouvel éclairage sur le timing articulatoire dans le bégaiement et enrichissent les modèles théoriques du contrôle moteur de la parole.

Abstract

Eine reibungslose artikulatorische Koordination bildet die Grundlage für eine flüssige Sprachproduktion – eine Fähigkeit, die beim Stottern häufig beeinträchtigt ist. Stottern ist eine neuroentwicklungsbedingte Störung der Sprechflüssigkeit, die durch Wiederholungen, Dehnungen und Blockaden gekennzeichnet ist. Interessanterweise verringern sich diese Unflüssigkeiten, wenn Personen, die stottern (PWS), im Takt mit einem externen Rhythmus, wie einem Metronom, sprechen. Dennoch ist die Rolle des Rhythmus bei der flüssigen Sprachproduktion und seine Auswirkung auf die motorische Sprachsteuerung bislang nicht vollständig geklärt. Diese kumulative Dissertation untersucht Mechanismen des Sprech-Timings bei PWS und Personen, die nicht stottern (PWNS), in unterschiedlichen Altersgruppen und rhythmischen Kontexten in perzeptiv flüssiger Sprache. Im Fokus steht dabei insbesondere das artikulatorische Timing an Wortanfängen in rhythmischen Kontexten und beim einfachen Sprechen. Die Arbeit umfasst drei empirische Studien, in denen akustische und artikulatorische Daten genutzt werden, um die Wechselwirkung zwischen rhythmischen Kontexten und der motorischen Sprachsteuerung zu analysieren. Kapitel 2 untersucht akustische Korrelate eines sogenannten c-center Effekts – eines Indikators für das Timing zwischen Konsonantenbeginn und Vokal – bei deutschsprachigen Kindern und Jugendlichen mit und ohne Stottern. Die Teilnehmenden lasen einsilbige Wörter sowohl in einer Bedingung mit und ohne Metronom. Beide Gruppen zeigten Hinweise auf einen c-center Effekt, jedoch wiesen PWS eine stärkere Konsonantenkompression auf, was auf Unterschiede in der Kopplung von Wortanfängen und Vokalen hinweist. Diese Unterschiede blieben auch in der Metronom Bedingung bestehen, was darauf hindeutet, dass metronombegleitetes Sprechen das artikulatorische Timing bei jungen PWS nicht vollständig normalisiert. Kapitel 3 analysiert das artikulatorische Timing verbaler und nonverbaler Gesten bei Erwachsenen, die stottern und nicht stottern mittels elektromagnetischer Artikulographie (EMA) in drei rhythmischen Bedingungen: Sprechen bei gleichzeitigem Fingertappen (Tapping), Sprechen im Takt eines Metronoms (Metronome) sowie Sprechen im Metronomtakt mit gleichzeitigem Fingertappen (Metronome+Tapping). Beide Gruppen zeigten, dass der Sprachbeginn den rhythmischen Ereignissen (z. B. Tap, Metronomschlag) vorausging, jedoch orientierten sich PWS stärker am Metronom, was auf eine verzögerte Initiation hinweist. Bemerkenswert ist, dass in der Metronome+Tapping Bedingung nur PWS ihre Fingertaps an den Sprachbeginn anpassten, was auf eine veränderte Integration auditiver und motorischer Hinweise schließen lässt. Kapitel 4 untersucht das Timing von Konsonant-Vokal-Sequenzen (CV-Timing) sowie prädiktives Timing bei erwachsenen PWS und PWNS mithilfe von EMA. Das CV-Timing wurde anhand statischer und dynamischer artikulatorischer Maße erfasst. PWS zeigten insgesamt eine stärkere Überlappung der CV-Gesten. Die auf dynamischen Analysen basierenden Ergebnisse ergaben Gruppenunterschiede beim einfachen Sprechen, jedoch nicht in den rhythmischen Bedingungen (Tapping, Metronome, Metronome+Tapping). Darüber hinaus unterschied sich das Tapping-Verhalten in der Metronome+Tapping Bedingung zwischen den Gruppen: PWS tappten näher am Sprachbeginn, während PWNS ihre Fingertaps eher zum Metronomschlag verschoben. Diese Ergebnisse stützen die Annahme, dass PWS stärker auf intern generierte motorische Hinweise (z. B. Tapping) als auf externe auditive Hinweise (z. B. Metronom) zurückgreifen, und dass ihr CV-Timing in rhythmischen Kontexten dem von PWNS ähnelt. Zusammenfassend zeigt diese Dissertation entwicklungs- und kontextabhängige Unterschiede in der motorischen Sprachsteuerung zwischen PWS und PWNS auf. Während rhythmische Vorgaben das CV-Timing bei Erwachsenen, die stottern verbessern, reicht dies bei Kindern nicht aus, um das Timing zu normalisieren – was auf entwicklungsbedingte Faktoren hinweist. Darüber hinaus zeigen PWS eine veränderte Integration auditiver und motorischer Informationen sowie ein abweichendes prädiktives Timing, mit einer Tendenz zur stärkeren Nutzung interner Steuerungssignale. Die Ergebnisse liefern neue Erkenntnisse zum artikulatorischen Timing beim Stottern und tragen zu umfassenderen Modellen der Sprechmotorik bei.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Stuttering, articulatory timing, speech motor control, predictive timing, rhythmic cues
• Themengebiete: 400 Sprache ; 400 Sprache > 410 Linguistik
• Fakultäten: Fakultät für Sprach- und Literaturwissenschaften
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 6. Februar 2025
• 1. Bericht­erstatter:in: Hoole, Philip