Morpho-phonetics: A Framework for Studying Speech and Its Evolution

La diversité linguistique résulte d’une interaction complexe de forces biologiques, culturelles et environnementales qui façonnent les systèmes acoustiques, phonologiques, lexicaux et grammaticaux des langues du monde. Cette thèse explore la façon dont cette diversité se propage de la variation interindividuelle de la morphologie du conduit vocal aux différences acoustiques systématiques entre les populations et les langues.
En me concentrant sur les systèmes vocaliques, je développe et applique un nouveau modèle appelé morpho-phonétique – intégrant l’analyse morphométrique géométrique de l’articulation de la parole avec un IRM en temps réel et l’analyse acoustique synchronisée – pour examiner comment les différences anatomiques dans le conduit vocal donnent lieu à des stratégies articulatoires distinctes et à des signatures acoustiques cohérentes. Ces connaissances s’étendent à des phénomènes vocaux tels que la coarticulation, offrant de nouveaux outils pour étudier la variation continue dans la parole connectée et montrant que le contraste phonétique est maintenu par un positionnement articulatoire relatif plutôt qu’absolu.
En passant des individus aux populations, j’applique ensuite des modèles évolutifs à des ensembles de données vocales à grande échelle, découvrant des schémas d’isolement par la distance (IBD) dans l’acoustique des voyelles qui reflètent des processus de dérive semblables à une divergence phonétique graduelle. Ceci soutient un modèle d’évolution de type neutre de l’acoustique dans la langue parlée, où la distance géographique influence la différenciation acoustique. Il est important de noter que cette dynamique ne se limite pas à l’homme: des analyses parallèles du chant des oiseaux du pinson d’Eurasie révèlent des modèles IBD et neutres étonnamment similaires, ce qui suggère que la parole et le chant des oiseaux peuvent être façonnés par des processus comparables au niveau populationnel. Ces résultats fournissent un modèle nul biologiquement fondé de l’évolution des traits acoustiques, qui permet aux changements non neutres ou d’origine culturelle d’être testés.
Enfin, je démontre que les caractéristiques acoustiques peuvent conserver des signaux historiques sur des échelles de temps très longues, dépassant potentielle- ment la limite de 8,000 à 10,000 ans de la méthode comparative. Le regroupement de l’acoustique des voyelles basé sur la similarité permet de retrouver des relations généalogiques connues entre les familles de langues, ce qui indique que la divergence phonétique graduelle peut constituer un outil puissant et sous-utilisé en linguistique historique. Ce travail propose une nouvelle approche de la diversification des langues fondée sur l’analyse acoustique, qui permet de mieux comprendre à la fois l’évolution des langues et les mécanismes qui maintiennent leur diversité au fil du temps.
ABSTRACT
Linguistic diversity arises from a complex interplay of biological, cultural, and environmental forces that shape the acoustic, phonological, lexical, and grammatical systems of the world’s languages. In this dissertation I explore how acoustic diversity propagates from interindividual variation in vocal tract morphology to systematic acoustic differences across populations and languages. Focusing on vowel systems, I develop and apply a novel framework termed morpho-phonetics – which integrates geometric morphometric analysis of speech articulation with real-time MRI and synchronized acoustic analysis – to examine how anatomical differences in the vocal tract give rise to distinct articulatory strategies and consistent acoustic signatures. These insights extend to speech phenomena such as coarticulation, offering new tools to investigate continuous variation in connected speech and showing that phonetic contrast is maintained through relative, rather than absolute, articulatory positioning.
Scaling from individuals to populations, I then apply evolutionary models to large-scale speech datasets, uncovering isolation-by-distance (IBD) patterns in vowel acoustics that mirror drift-like processes of gradual divergence. This supports a model of neutral-like evolution of acoustics in spoken language, where geographic distance influences acoustic differentiation. Importantly, these dynamics are not limited to humans: parallel analyses of Eurasian chaffinch birdsong reveal strikingly similar IBD and neutral-like patterns, suggesting that both speech and birdsong may be shaped by comparable population-level processes. These findings provide a biologically grounded null model of acoustic trait evolution, against which non-neutral or culturally driven changes can be tested.
Finally, I demonstrate how acoustic features may retain historical signals over deep timescales, potentially exceeding the 8–10k-year limit of the comparative method. Similarity-based clustering of vowel acoustics recovers known genealog- ical relationships between language families, indicating that gradual phonetic divergence may serve as a powerful, underutilized tool in historical linguistics. This work proposes a new approach to language diversification rooted in acoustic analysis, offering insights into both the evolution of language and the mechanismsthat maintain its diversity over time.

Supervisor:
Prof. Dr. Steven MORAN
Co-Advisors:
Prof. Dr. Christoph ZOLLIKOFER
Dr. Marcia PONCE DE LEÓN
Jury:
Prof. Dr. Steven MORAN
Prof. Dr. Klaus ZUBERBÜHLER
Dr. François PELLEGRINO
Prof. Dr. Dan DEDIU

Date of defense: 04.07.2025

No de thèse : 3204