Computer-based characterization of language alterations throughout the Alzheimer's disease continuum

Hernández Domínguez, Laura Elena (2019). Computer-based characterization of language alterations throughout the Alzheimer's disease continuum. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

According to the American and Canadian Alzheimer’s Associations, research into methods for the early detection of Alzheimer’s disease is imperative. Many studies have emphasized the numerous advantages for patients, family members and governments of detecting the disease at the pre-clinical stage of its continuum. However, at this stage, changes are very subtle, making their detection a challenging task.

Alterations in language functions have been found years before the dementia stage of the disease continuum. For this reason, many researchers have focused their efforts on investigating methods for identifying cues of the presence of the disease hidden in language.

One type of cognitive test commonly used in this type of research consists of standardized picture description tasks. These tasks elicit the speech of patients through a visual stimulus, and are usually part of cognitive assessment batteries used in clinical practice. The tasks have the advantage of presenting patients with a single constrained thematic, which limits the vocabulary and facilitates comparisons across patients and languages. However, they also limit the variety of syntactic structures, hindering some linguistic analyses, and being a part of usual clinical examinations, may increase nervousness in some patients.

The study of spontaneous conversations is an alternative to using picture description tasks for language analyses. Spontaneous conversations have the advantage of allowing the use of unconstrained idiosyncratic syntactic structures and vocabulary. They are also less stressful to patients and could be conducted with a nurse, a caregiver or a person familiar to the patient. Nevertheless, many factors, such as socio-demographic and cultural differences, may define the linguistic characteristics of individuals. Consequently, a characterization of the changes in language functions that occur during the continuum of the disease could be helpful in the monitoring of patient-specific changes.

This doctoral thesis presents a computer-based methodology for evaluating patients’ performance during standardized picture description tasks, and for assessing language functions in the context of these tasks and in spontaneous conversations. We believe that both evaluations can complement each other and provide an inexpensive and noninvasive method for monitoring language functions. In practice, picture description tasks could be realized routinely at the doctor’s office, while spontaneous conversations could be held at more regular intervals and at more convenient locations for the patient.

For our work, we compared the computed performance and language functions of patients during standardized picture description tasks against a population with similar socio-demographic characteristics. For this, our proposed method evaluated the informativeness and pertinence of the descriptions of patients, as well as their lexical richness. Using our metrics, we trained machine learning algorithms to estimate their adeptness at differentiating Alzheimer’s patients from healthy controls. We obtained an area under the curve of 0.83 in this task. We also achieved an area under the curve of 0.79 for classifying healthy controls and patients with mild cognitive impairment, which is often a pre-clinal precursor of Alzheimer’s disease.

In addition, we proposed an automated method for evaluating lexical richness, vocabulary distribution, speech fluidity and the use of specific syntactic structures among older French speakers during spontaneous conversations. We characterized the changes that four speakers underwent as they transitioned from a healthy state to some form of cognitive disease, including Alzheimer’s disease. We observed marked differences in our proposed metrics between those individuals that would develop a cognitive disease and healthy matched controls, even when analyzing transcriptions of conversations from up to ten years before the time of diagnosis.

As a concomitant contribution of this doctoral work, we designed the protocol and created the Spanish cohort of the Carolinas’ Conversations Collection. This cohort includes longitudinal video-recordings and transcriptions of spontaneous conversations of older Spanish speakers in Mexico and Ecuador. These recollections are the result of the combined efforts of six institutions from four different countries, and will be available for research purposes upon request. This undertaking is aimed at lessening the scarcity of data of this type, and at encouraging research on language and communication in the older population.

Titre traduit

Caractérisation assistée par ordinateur des altérations du langage tout au long du développement de la maladie d'Alzheimer

Résumé traduit

Selon la Société de l'Alzheimer du Canada, et l'Alzheimer Society des États-Unis, il est impératif de rechercher des méthodes de détection précoce de la maladie d’Alzheimer. Beaucoup d’études ont mis en évidence les nombreux avantages de la détection de la maladie au stade préclinique pour les patients, les membres de leurs familles et les gouvernements. Cependant, à ce stade, les changements sont très subtils, ce qui rend difficile leur détection.

Des altérations des fonctions langagières ont été constatées des années avant le stade de démence de la maladie d’Alzheimer. Pour cette raison, de nombreux chercheurs ont concenter leurs efforts sur la recherche de méthodes permettant d'identifier des indices de la présence de la maladie cachés dans le langage.

Les tâches standardisées de description d’images font partie de tests cognitifs couramment utilisés en pratique clinique. Ces tâches ont pour objectif d’encourager les patients à décrire un stimulus visuel. Ces tests présentent l’avantage de limiter le discours des patients à un thématique restreinte; cela a pour effet de circonscrire le vocabulaire et de faciliter les comparaisons inter-patients et inter-langues. Cependant, ils limitent également la diversité des structures syntaxiques en entravant certaines analyses linguistiques. De plus, comme ils font partie des examens cliniques habituels, ils peuvent augmenter la nervosité chez certains patients.

L'étude de conversations spontanées est une alternative à l'utilisation de tâches de description d'image pour l'analyse du langage. Les conversations spontanées ont l’avantage de permettre l’utilisation de structures syntaxiques sans contrainte et d’un vocabulaire idiosyncratique. Elles sont également moins stressantes pour les patients et pourraient être conduites avec une infirmière, un soignant ou une personne familière au patient. Néanmoins, de nombreux facteurs, tels que les différences sociodémographiques et culturelles, peuvent définir les caractéristiques linguistiques des individus. Par conséquent, une caractérisation des changements dans les fonctions du langage qui se produisent pendant le développement de la maladie pourrait être utile dans le monitoring des changements spécifiques du patient.

Cette thèse de doctorat présente une méthodologie assistée par ordinateur qui évalue les performances des patients durant les tâches standardisées de description d’images, et l’évaluation des fonctions linguistiques dans le contexte de ces tâches et dans des conversations spontanées. Nous pensons que les deux évaluations peuvent se complémenter mutuellement et constituer une méthode peu coûteuse et non invasive de monitoring des fonctions langagières.

Dans la pratique, les tâches de description d'images peuvent être tenus de manière routinière chez le médecin, tandis que les conversations spontanées peuvent avoir lieu à intervalles plus réguliers, aux endroits plus pratiques pour le patient.

Dans cette thèse, nous avons comparé les performances langagières et les fonctions linguistiques des patients durant l’exécution des tâches de description d'images à celles d’une population présentant des caractéristiques sociodémographiques similaires. Pour cela, notre méthode a évalué l’informativité et la pertinence des descriptions des patients, ainsi que leur richesse lexicale. Nous avons entraîné des algorithmes d’apprentissage automatique avec nos métriques pour estimer leur capacité à différencier les patients d’Alzheimer des témoins en santé. Nous avons obtenu une surface sous la courbe de 0,83 pour cette tâche. De plus, pour la classification des témoins en santé et des patients présentant une déficit cognitive légère, qui est souvent un précurseur préclinique de la maladie d’Alzheimer, nous avons atteint une surface sous la courbe de 0,79.

En outre, nous avons proposé une méthode automatisée d’évaluation de la richesse lexicale, de la distribution du vocabulaire, de la fluidité de la parole et de l’utilisation de structures syntaxiques spécifiques des personnes âgées francophones durant des conversations spontanées. Nous avons décrit les changements subis par quatre locuteurs lors du passage d’un état de santé à une forme de maladie cognitive, comprenant la maladie d’Alzheimer. Nous avons observé des différences marquées dans les mesures que nous proposons chez les individus susceptibles de développer une maladie cognitive et des témoins apparemment sains, et ce, même lors de l’analyse des transcriptions de conversations qui ont eu lieu dix ans avant le diagnostic.

En tant que contribution concomitante de ce travail de doctorat, nous avons conçu le protocole et créé la cohorte espagnole du Carolinas’ Conversations Collection. Cette cohorte comprend des enregistrements vidéo longitudinaux et des transcriptions de conversations spontanées avec des personnes âgées hispanophones au Mexique et en Équateur. Ces récoltes sont le résultat des efforts combinés de six institutions de quatre pays différents, et seront disponibles à des fins de recherche sur demande. Cette entreprise vise à réduire la rareté des données de ce type et à encourager la recherche sur la langue et la communication chez les personnes âgées.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 137-148).
Mots-clés libres:	maladie d’Alzheimer, détection précoce, traitement du langage naturel, apprentissage automatique, fonctions langagières, tâches de description d'images, conversations spontanées
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Ratté, Sylvie
Codirecteur:	Codirecteur Sierra Martinez, Gerardo Eugenio
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	26 mars 2019 18:58
Dernière modification:	26 mars 2019 18:58
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2239

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