Édition : Pascaline Citron, Stéphanie Dizel-Doumenge

Création et mise en page : Richard Takvorian

Illustrations : Claire Thibon (p. 21 et 96), Richard Takvorian

Fabrication : Camille Friquet

Compositeur epub : Kepler Systèmes d’Informations, Roumanie

© Editions Nathan - Lea.fr 2022

ISBN : 9782091247106

Code éditeur : 124710

Sommaire

Introduction
Olivier Houdé et Grégoire Borst

Le cerveau au cœur du programme : lire, écrire, compter et penser

1 Apprendre avec ses neurones Jean-Pierre Changeux

I. Les briques élémentaires du cerveau

II. Comment se construit un cerveau

III. Épigenèse neuronale et évolution culturelle

IV. De la matière à la pensée consciente

Focus Au début était l’action Alain Berthoz

Focus Le point de vue d’un inspecteur général de l’Éducation nationale Jean-Pierre Bellier

2 Lire Johannes Ziegler et Anaïs Deleuze

I. Les mécanismes d’apprentissage de la lecture

II. Pratiques d’enseignement de la lecture basées sur les données probantes

III. Les « troubles dys »

Focus La lecture : au-delà de la querelle des méthodes Roland Goigoux

3 Écrire Michel Fayol

I. Un bilan des données issues de la neuropsychologie et de l’étude des adultes

II. L’évolution des productions à l’école élémentaire

4 Compter et penser-raisonner Olivier Houdé

I. Compter ou la genèse des mathématiques

II. Penser-raisonner ou la genèse de la logique

Focus Du sens des quantités au raisonnement mathématique Jérôme Prado

Les fonctions cognitives transversales du cerveau

5 L’attention Jean-Philippe Lachaux

I. Qu’est-ce que l’attention ?

II. Le contrôle volontaire de l’attention

III. L’attention et la concentration

Focus La méditation pour les enfants Christophe André

6 La mémoire Bérengère Guillery-Girard et Francis Eustache

I. La mémoire ou les mémoires ?

II. Développement de la mémoire chez l’enfant

III. Soutien aux apprentissages

Focus Le sommeil et les apprentissages Philippe Peigneux

7 Les fonctions exécutives Grégoire Borst

I. Les fonctions exécutives et leur développement

II. Le rôle des fonctions exécutives dans le développement cognitif et les apprentissages scolaires

III. Les fonctions exécutives : comment les entrainer ?

Focus Facteurs socioéconomiques et cerveau Teresa Iuculano

8 La métacognition et l’auto-évaluation Joëlle Proust

I. Qu’est-ce que la métacognition ?

II. La métacognition à l’école : les controverses

III. Métacognition procédurale et pédagogie

IV. Métacognition conceptuelle et pédagogie

Focus Les émotions, les sentiments et l’éducation Antonio Damasio et Hanna Damasio

Les applications en neurosciences et sciences cognitives : quelques exemples

9 Les cogni’classes Jean-Luc Berthier

I. Les grands principes des cogni’classes

II. Les axes de l’apprentissage sur lesquels s’engagent les cogni’classes

III. Les conditions de mise en œuvre des cogni’classes

IV. Les pistes pédagogiques

Focus Le cerveau et les sciences cognitives à l’INSPÉ Alain Frugière

10 Du labo à l’école : Une recherche collaborative en neurosciences, LaPsyDÉ – Lea.fr Pascaline Citron et Marie Létang

I. Pourquoi faire de la recherche collaborative ?

II. Comment passer du laboratoire à l’école ?

III. Comment s’est passée la première année de recherche collaborative ?

Focus Le point de vue d’une professeure des écoles sur la communauté pédagogique Lea.fr Laure Argouet-Stol

11 Sciences, sciences cognitives et éducation : l’expérience de La main à la pâte Elena Pasquinelli

I. Le dispositif La main à la pâte

II. Sciences cognitives et sciences de l’éducation

III. Les sciences cognitives et la Fondation La main à la pâte

Focus Des groupes de formation-action sur la créativité Mathieu Cassotti, Anaëlle Camarda et Lison Bouhours

12 Troubles d’apprentissage et difficultés scolaires : l’apport des sciences cognitives Hervé Glasel

I. De la difficulté scolaire aux troubles des apprentissages

II. Le primat du bilan neuropsychologique dans la prise en charge des troubles des apprentissages

III. La mise en place d’une feuille de route pour l’enfant, les enseignants et les parents

IV. Stimulation des fragilités, contournement des difficultés

V. Pédagogie renouvelée et différenciée : le travail de l’enseignant

VI. Règles générales des apprentissages et spécificités issues des troubles

Focus Mais QI sont vraiment les enfants surdoués ? Jeanne Siaud-Facchin

Annexes

Petit lexique du cerveau

Bibliographie

Sitographie

Les auteurs

Ont contribué à cet ouvrage (dans l’ordre des chapitres et des focus)

Pour les chapitres

Jean-Pierre Changeux

Professeur honoraire au Collège de France, Institut Pasteur et Académie des sciences.

Johannes Ziegler

Directeur de recherches au CNRS, Université d’Aix-Marseille, Directeur du Laboratoire de Psychologie Cognitive, Directeur adjoint de l’Institut de Convergences « Langage, Communication et Cerveau ». Membre du Conseil Scientifique auprès du Ministre de l’Éducation nationale.

Anaïs Deleuze

Orthophoniste et Formatrice, Montréal, Canada.

Michel Fayol

Instituteur puis Inspecteur stagiaire. Professeur émérite en Psychologie, Université Clermont Auvergne & CNRS.

Olivier Houdé

Instituteur de formation initiale. Professeur de psychologie du développement à l’Université de Paris. Directeur honoraire du Laboratoire de Psychologie du Développement et de l’Éducation de l’enfant (LaPsyDÉ, CNRS), La Sorbonne, et Administrateur de l’Institut Universitaire de France (IUF). Membre de l’Académie des sciences morales et politiques.

Jean-Philippe Lachaux

Directeur de recherches à l’INSERM, membre du Centre de Recherches en Neurosciences de Lyon, Université Lyon 1.

Bérengère Guillery-Girard

Neuropsychologue, Maitre de Conférences HDR à l’EPHE, Université de Caen, membre du Laboratoire de Neuropsychologie et Imagerie de la Mémoire Humaine (NIMH, INSERM, EPHE).

Francis Eustache

Directeur d’études à l’EPHE, Université de Caen, Directeur du Laboratoire de Neuropsychologie et Imagerie de la Mémoire Humaine (NIMH, INSERM, EPHE), Pôle des Formations et de Recherche en Santé (PFRS).

Grégoire Borst

Professeur de psychologie du développement et de neurosciences cognitives de l’éducation à l’Université de Paris. Directeur du Laboratoire de Psychologie du Développement et de l’Éducation de l’enfant (LaPsyDÉ, CNRS), La Sorbonne, et Membre Junior de l’Institut Universitaire de France (IUF).

Joëlle Proust

Directrice de recherches émérite au CNRS, Institut Jean-Nicod, École Normale Supérieure, Paris. Membre du Conseil Scientifique auprès du Ministre de l’Éducation nationale.

Jean-Luc Berthier

Proviseur honoraire et ancien ingénieur de formation à l’École supérieure de l’Éducation nationale, de l’enseignement supérieur et de la recherche (ESENESR, Ministère de l’Éducation nationale, Poitiers), créateur des Cogni’classes et animateur du site « Sciences cognitives, comment changer l’école », http://sciences-cognitives.fr/.

Pascaline Citron

Directrice du département Pédagogie Lea.fr, Éditions Nathan.

Marie Létang

Doctorante en psychologie au LaPsyDÉ (CNRS) de l’Université Paris Descartes, bénéficiaire d’une bourse CIFRE Nathan - LaPsyDÉ.

Elena Pasquinelli

Membre de La Fondation La Main à la Pâte, membre associée de l’Institut Jean-Nicod, École Normale Supérieure, Paris. Membre du Conseil Scientifique auprès du Ministre de l’Éducation nationale.

Hervé Glasel

Neuropsychologue, spécialiste du développement de l’enfant et de l’adolescent. Fondateur et directeur du CERENE, Centre de Référence pour l’Évaluation Neuropsychologique de l’enfant et des écoles du CERENE, accueillant des enfants présentant des troubles des apprentissages.

Pour les focus

Alain Berthoz

Professeur honoraire au Collège de France, Membre de l’Académie des sciences et de l’Académie des technologies.

Jean-Pierre Bellier

Inspecteur général honoraire de l’Éducation nationale, spécialisé en psychologie scolaire et en sciences cognitives.

Roland Goigoux

Professeur de sciences de l’éducation, Université Clermont-Auvergne.

Jérôme Prado

Chargé de recherches au CNRS, membre de l’Institut des Sciences Cognitives Marc Jeannerod, Université de Lyon 1.

Christophe André

Médecin psychiatre à l’hôpital Sainte-Anne à Paris.

Philippe Peigneux

Professeur de neuropsychologie clinique à l’Université Libre de Bruxelles (ULB), Directeur de l’Unité de Recherches en Neuropsychologie et Neuroimagerie Fonctionnelle (UR2NF) au Centre de Recherches Cognition et Neurosciences.

Teresa Iuculano

Chargée de recherches au CNRS, membre du Laboratoire de Psychologie du Développement et de l’Éducation de l’enfant (LaPsyDÉ, CNRS), Université de Paris, La Sorbonne.

Antonio Damasio

Professeur de neurosciences et Directeur du Brain and Creativity Institute à l’Université de Californie du Sud à Los Angeles.

Hanna Damasio

Professeur de neurosciences et membre du Brain and Creativity Institute à l’Université de Californie du Sud à Los Angeles.

Alain Frugière

Professeur des universités en physiologie, Directeur de l’INSPÉ de l’Académie de Paris.

Laure Argouet-Stol

Professeure des écoles à Paris.

Mathieu Cassotti

Professeur de psychologie du développement à l’Université de Paris, membre du Laboratoire de Psychologie du Développement et de l’Éducation de l’enfant (LaPsyDÉ, CNRS), La Sorbonne, et Membre Junior de l’Institut Universitaire de France (IUF).

Anaëlle Camarda

Post-doctorante au Laboratoire de Psychologie du Développement et de l’Éducation de l’enfant (LaPsyDÉ, CNRS), La Sorbonne, et au Centre de Gestion Scientifique de l’École des Mines de Paris.

Lison Bouhours

Doctorante au Laboratoire de Psychologie du Développement et de l’Éducation de l’enfant (LaPsyDÉ, CNRS), La Sorbonne.

Jeanne Siaud-Facchin

Psychologue, psychothérapeute, fondatrice de Cogito’Z, Centre Européen de Psychologie intégrative.

Introduction

Ces dernières années ont été celles d’une mise en avant des neurosciences et de leur héros, le cerveau humain, par le Ministre français de l’Éducation nationale, Jean-Michel Blanquer. C’était une première dans l’histoire de l’école depuis Jules Ferry. Mieux comprendre ce qui se passe dans la tête des élèves n’était plus seulement une question de psychologie scolaire au sens classique du terme depuis Alfred Binet (1857-1911), mais aussi une question de science plus « dure », biologique : celle des neurones et du cerveau. En particulier « le cerveau qui apprend ».

Les éditions Nathan ont voulu au plus vite offrir aux professeurs des écoles un état de l’art ou plutôt de la science en la matière dans leur collection « Les repères pédagogiques ». Nous réalisions déjà avec notre laboratoire du CNRS, le LaPsyDÉ1, à la Sorbonne (qui fut d’ailleurs le laboratoire de Binet jadis), depuis la rentrée 2017, via Lea.fr (le réseau collaboratif des enseignants du primaire) une grande expérience de recherche participative en sciences cognitives, à propos du cerveau, de ses heuristiques ou automatismes, de ses algorithmes, des fonctions exécutives du cortex préfrontal (inhibition, flexibilité, mémoire de travail) avec des professeurs des écoles de France et de toute la francophonie. Ce fut un succès et beaucoup de professeurs intéressés par le cerveau des élèves étaient au rendez-vous ! Les élèves aussi d’ailleurs. En parallèle, nous avons rédigé pour eux un album jeunesse (dès 7 ans) intitulé Mon cerveau chez le même éditeur2 à lire en famille ou à l’école. Son succès d’édition confirme que le « gout des neurosciences cognitives » existe bel et bien chez les enfants, leurs parents et les professeurs. C’est une réelle curiosité. Un désir de science pour l’école ; un désir aussi de connaissance de soi.

C’est donc tout naturellement que nous avons accepté la proposition de Pascaline Citron, créatrice et responsable de Lea.fr, ainsi que directrice de cette collection, de réunir ici parmi les meilleurs spécialistes français et internationaux de la question du cerveau et des apprentissages. C’est ce que l’on peut appeler le nouveau domaine de la neuroéducation ou de la neuropédagogie3.

La naissance de la neuropédagogie ou neuroéducation

Rien n’est plus amusant et instructif pour comprendre la biologie réellement humaine que d’observer un enfant qui apprend à l’école ou ailleurs. Qu’est-ce que la connaissance ? Comment l’acquiert-on ? Voilà deux questions essentielles que se posent les sciences dites « cognitives » (de « cognition » ou fonction de connaissance : perception, apprentissage, mémoire, langage, raisonnement, intelligence, etc.). Comme le disait déjà le psychologue suisse Jean Piaget (1896-1980), le développement de l’intelligence chez l’enfant est la forme optimale de l’adaptation biologique. Mais il lui manquait toutefois, à l’époque, les moyens technologiques pour l’observer in vivo.

Aujourd’hui, avec les progrès fulgurants et combinés de l’informatique, des sciences cognitives et de l’imagerie cérébrale, on peut produire sur ordinateur des images numériques tridimensionnelles reliées à l’activité des neurones en tout point du cerveau de l’adulte ou de l’enfant. En particulier, au cours des apprentissages cognitifs. C’est l’une des plus importantes révolutions scientifiques survenues au tournant des xxe et xxie siècles.

En France, dès les années 1980, c’est au neurobiologiste Jean-Pierre Changeux que l’on doit d’avoir anticipé avec L’Homme neuronal ce nouveau champ des sciences humaines « neurocognitives », en relation avec l’imagerie cérébrale4. L’ambition était grande : celle d’une science naturelle et cognitive de l’humain (le cerveau dans son corps et en contexte social). Nous en sommes encore aujourd’hui aux tout premiers pas de cette science de la pensée et des apprentissages, en particulier en matière d’éducation scolaire.

En 2005, la revue américaine Science publiait un éditorial d’Elsbeth Stern intitulé « La pédagogie rencontre les neurosciences » et en 2014, la revue Nature Neuroscience publiait un article de Mariano Sigman et collègues intitulé « Neurosciences et éducation : Le meilleur moment pour construire le pont » !5

Il ne faut pas se méprendre sur le caractère matérialiste et prétendument réductionniste qu’incarnerait cette approche neuroscientifique – ainsi dénoncée, souvent, par les sciences de l’éducation traditionnelles ou par la psychanalyse, toutes griffes dehors, qui « occupent la place » en France (et peut-être ailleurs aussi) dans les Instituts Nationaux Supérieurs du Professorat et de l’Éducation (INSPÉ). Au contraire, singularité (liberté, citoyenneté, etc.) et cerveau ne s’opposent pas, ni cerveau et histoire, sociologie, administration, organisation ou politique de l’éducation, ni même encore cerveau et didactique ou enseignement spécialisé. Le cerveau humain est social et culturel ! C’est celui de l’enfant dans son corps et en contexte, c’est-à-dire dans son environnement6.

Comme l’a très bien écrit Antonio Damasio : « en découvrant les secrets de l’esprit, nous le percevons comme l’ensemble des phénomènes biologiques le plus élaboré de la nature, et non plus comme un mystère insondable. L’esprit survivra à l’explication de sa nature [et l’éducation aussi], tout comme le parfum de la rose continue d’embaumer, même si l’on en connait la structure moléculaire »7. Il faut toujours se rappeler cela en matière d’éducation et ne pas craindre le prétendu réductionnisme des neurosciences : (1) elles n’enlèvent rien mais, au contraire, ajoutent des informations à l’explication des phénomènes, à la compréhension de l’enfant et des apprentissages, (2) l’éducation n’est pas un processus insondable. Rappelons-nous Maria Montessori8 à propos de l’enfant : quel étonnement qu’on ait laissé dans la plus profonde obscurité le fonctionnement normal de l’âme de l’enfant !

Sans céder à une vision trop scientiste et naïve, voire idéologiquement dangereuse, d’une technoscience de l’éducation parfaitement contrôlée et contrôlable, on ne peut refuser l’idée qu’une recherche pédagogique nouvelle, exploitant les ressources actuelles de l’imagerie cérébrale et de la psychologie expérimentale, puisse éclairer certains mécanismes neurocognitifs élémentaires d’apprentissage dont dépendent des phénomènes éducatifs, sociaux et culturels plus complexes.

Le cerveau, angle mort de l’Éducation nationale

Avec l’imagerie cérébrale, ce que l’on découvre est la structure et le fonctionnement du cerveau qui apprend. Or ce cerveau, « théâtre de l’éducation », lieu de toute synthèse individuelle ou collective, est l’angle mort de l’Éducation nationale. On éduque encore trop souvent aujourd’hui « en aveugle » des millions de cerveaux, c’est-à-dire en manipulant les entrées (rythmes scolaires, nombre d’élèves par classe, etc.) et en mesurant les sorties (résultats aux évaluations : contrôles, PISA9), sans bien connaitre les mécanismes internes du cerveau humain qui apprend.

Toutefois, la neuroéducation ou neuropédagogie suscite déjà des réserves. En 2011, le neuropsychologue Xavier Seron10 a rédigé un texte critique sur la neuropédagogie à propos de son champ d’expertise : les mathématiques. Il y montre, de façon très documentée, que la complexité des interprétations cognitives et comportementales des activations cérébrales, ainsi que les contradictions entre chercheurs sur ces mêmes interprétations, rendent encore difficiles, voire risquées, les transpositions pédagogiques.

Le psychologue cognitiviste Michel Fayol a émis des réserves comparables, soulignant que l’analyse classique des comportements des élèves et des performances réalisées, en suivi transversal (par groupes d’âge) et (ou) longitudinal (les mêmes enfants à travers les âges) reste actuellement plus efficace que le passage, encore trop hypothétique, par le cerveau. Ces objections sont résumées, avec d’autres, dans une très bonne Enquête sur la neuropédagogie réalisée par la journaliste de sciences humaines, Martine Fournier11.

Mais (et c’est son point de vue d’instituteur qu’un de nous prend ici), les professeurs des écoles, doués eux-mêmes d’esprit critique, ne prenant pas la (neuro)science pour « argent comptant », décelant les contradictions par rapport à leurs expériences de terrain (ou leurs lectures croisées), mais avides de formation, ont déjà le désir légitime d’éclairer leurs pratiques, de les améliorer, par les connaissances et théories scientifiques (c’est-à-dire validées, publiées) nouvelles sur le cerveau des élèves. Et cela en relation étroite avec l’analyse classique des comportements et des performances.

Nous, psychologues et neuroscientifiques, avons dès lors le devoir de les éclairer en cette matière (en accord avec Ansari et Sigman12), tout en reconnaissant (1) la part d’incertitude de ces données nouvelles, (2) la nécessité d’une évaluation scientifique des dispositifs pédagogiques qui en seraient déduits et, surtout, (3) en les mettant en perspective avec les connaissances et théories classiques que les professeurs ont déjà acquises (parfois, ici, confortées, nuancées ou au contraire invalidées) notamment en psychologie du développement de l’enfant, de l’apprentissage et de l’éducation. Il ne s’agit pas de tout réinventer ou révolutionner, mais de compléter l’édifice historique des sciences de l’éducation, au sens le plus solide du terme, c’est-à-dire aujourd’hui neuroscientifique.

Présentation de l’ouvrage

Comme le disait Maurice Merleau-Ponty au Collège de France au milieu du xxe siècle, il s’agit « d’enseigner la science en train de se faire » (c’est devenu la devise de cette prestigieuse institution). Adoptons, en ce début de xxie siècle, la même démarche pour les sciences cognitives et du cerveau auprès des enseignants.

C’est l’objet de cet ouvrage que nous avons structuré en trois parties. Après un chapitre fondateur sur l’Homme neuronal qui apprend, intitulé Apprendre avec ses neurones, que Jean-Pierre Changeux nous a fait l’amitié d’écrire à propos des briques élémentaires du cerveau, de son organisation, de l’épigenèse neuronale et de l’évolution culturelle, se succèdent trois chapitres directement ciblés sur le cœur du programme scolaire : lire (Johannes Ziegler), écrire (Michel Fayol), compter et penser-raisonner (Olivier Houdé).

Ensuite, une deuxième partie porte sur les grandes fonctions du cerveau qui sont transversales à tous les apprentissages : l’attention (Jean-Philippe Lachaux), la mémoire (Francis Eustache), les fonctions exécutives (Grégoire Borst), la métacognition et l’auto-évaluation (Joëlle Proust).

Enfin, une dernière partie est consacrée à quelques exemples d’applications pédagogiques, déjà existantes, qui utilisent les apports des neurosciences et sciences cognitives à l’école, du primaire au secondaire : les cogni’-classes (Jean-Luc Berthier), la Main à la Pâte (Éléna Pasquinelli), la communauté pédagogique Lea.fr (Pascaline Citron et Marie Létang), le centre de référence pour l’évaluation de l’enfant en difficulté (Hervé Glasel).

Pour rendre cet ouvrage de référence très dynamique et qu’il reflète au mieux – sans toutefois être exhaustif – les multiples facettes de la riche thématique du cerveau et des apprentissages, tant du point de vue de la recherche que du monde de l’éducation, nous avons commandé une série de focus d’une double page à des chercheurs, certains les plus renommés au monde dans leur domaine, d’autres juniors et abordant des thématiques très nouvelles, émergentes, mais aussi à une professeure des écoles, un directeur d’INSPÉ et un inspecteur général. Tous ont joué le jeu de la concision et nous les en remercions vivement. Ces focus sont distribués sur l’ensemble de l’ouvrage aux endroits que nous avons jugés les plus opportuns, émaillant les thématiques d’un éclairage original, souvent complémentaire. Nous les citons ici dans l’ordre de leur apparition.

Au début était l’action d’Alain Berthoz, où sont déclinés cinq principes qui président au fonctionnement du cerveau et qui sont essentiels à la pédagogie : le sens du mouvement, la simplexité, la vicariance, l’empathie et la décision. Ensuite, au gré des chapitres et parties, se succèdent :

Le point de vue d’un inspecteur général (Jean-Pierre Bellier), La lecture : au-delà de la querelle des méthodes (Roland Goigoux), Du sens du nombre au raisonnement mathématique (Jérôme Prado), La méditation pour les enfants (Christophe André), Le sommeil et les apprentissages (Philippe Peigneux), Facteurs socioéconomiques et cerveau (Teresa Iuculano), Les émotions, les sentiments et l’éducation (Antonio et Hanna Damasio), Le cerveau et les sciences cognitives à l’INSPÉ (Alain Frugière), Le point de vue d’une professeure des écoles sur la communauté pédagogique Lea.fr (Laure Argouet-Stol), Des groupes de formation-action en créativité (Mathieu Cassotti) et, enfin, Mais QI sont vraiment les enfants surdoués ? (Jeanne Siaud-Facchin).

Voilà de quoi alimenter, avec douze chapitres très développés et des focus rapides, sur le cerveau et les apprentissages sous toutes leurs facettes, ou presque, votre curiosité à propos des neurosciences cognitives et de ce qu’elles peuvent apporter pour l’école et les élèves. Il y a aussi des planches du cerveau en début d’ouvrage et un lexique à la fin. Mais cela ne suffit pas ; ce n’est même que le tout début ! Car la pédagogie est un Art qui doit, certes, s’appuyer sur ces connaissances scientifiques actualisées, mais elle reste un Art. À vous d’inventer la suite…

Olivier Houdé et Grégoire Borst

1. Laboratoire de Psychologie du Développement et de l’Éducation de l’enfant (UMR CNRS 8240), Sorbonne, Paris.

2. Houdé O., Borst G., Mon cerveau, coll. « Questions? /Réponses! », Nathan, 2018. Voir aussi, des mêmes auteurs, Explore ton cerveau, coll. « Kididoc », Nathan, 2019.

3. Houdé O., L’école du cerveau. De Montessori, Freinet et Piaget aux sciences cognitives, Le livre de poche, 2021.

4. Changeux J.-P., L’homme neuronal, Fayard, 1983 ; Changeux J.-P. et al., L’homme neuronal, trente ans après, Éditions Rue d’Ulm, 2016.

5. Stern E. (2005). Pedagogy meets neuroscience. Science, 310, 745 ; Sigman M. et al. (2014). Neuroscience and education: Prime time to build the bridge. Nature Neuroscience, 17, 497-502.

6. Berthoz A, Le sens du mouvement, Odile Jacob, 1997 ; La simplexité, Odile Jacob, 2009.

7. Damasio A. (2000). Le cerveau et l’esprit, In La science en 2050, Pour la Science, 267, 76-81.

8. Montessori M., L’enfant, Desclée de Brouwer, 2018 (Éd. originale, 1936).

9. Program for International Student Assessment (PISA), enquête d’évaluation d’acquis scolaires menée tous les trois ans auprès de jeunes de 15 ans dans les 34 pays membres de l’Organisation de Coopération et de Développement Économiques (OCDE) et dans de nombreux pays partenaires.

10. Seron X. (2011). Can teachers count on mathematical neurosciences?. In M. Della Sala and M. Anderson (Eds.), Neuroscience in Education: The Good, the Bad and the Ugly, Oxford University Press, p. 84-110.

11. Fournier M., Enquête sur la neuropédagogie. In M. Fournier (Ed.), Éduquer et former, Sciences Humaines Édition, 2016, p. 173-177.

12. Ansari D. et al. (2012). Neuroeducation: A critical overview of an emerging field. Neuroethics, 5, 105-117 ; Ibid., Sigman et al. (2014).

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Apprendre avec ses neurones

par Jean-Pierre Changeux

Nous vivons aujourd’hui à l’ère d’une neuroscience – que j’ai appelée celle de L’Homme neuronal – qui vise à étudier l’organisation du cerveau en tant qu’objet physique1. Une première approche consiste à le découper en territoires, qu’il s’agisse « d’organes »2, d’aires3, de modules4 ou d’ensembles fonctionnels, ou encore d’espaces de travail5. Reste que le passage du niveau de l’atome aux structures cognitives n’est ni simple, ni direct.

Or, ce qui est essentiel dans l’organisation du cerveau humain et qui pourrait donc expliquer la genèse des structures cognitives, ainsi que le vécu de ce que nous appelons penser, mais aussi percevoir, ou encore éprouver des sentiments et des émotions, c’est l’architecture hiérarchique du réseau cellulaire et moléculaire, et les activités qui l’investissent6, notamment les apprentissages. Cette architecture neuronale s’est développée progressivement, durant des millions d’années, au cours de l’évolution des espèces animales jusqu’à l’Homme et se met en place au cours de l’embryogenèse et du développement postnatal chez l’enfant. C’est sur elle, en effet, que reposent les traits propres à l’espèce qui signent l’humanité du cerveau.

I. Les briques élémentaires du cerveau

1 Neurones et cellules gliales

Depuis Santiago Ramon y Cajal, lauréat du Prix Nobel de Physiologie en 1906 et auteur de L’Histologie du système nerveux de l’Homme et des vertébrés (1909), nous savons que le cerveau se compose de cellules d’une organisation unique dans l’organisme, le neurone, qui présente à la fois unité et indépendance jusque dans l’ensemble de ses multiples appendices : axone, dendrites et leurs nombreuses ramifications. Les neurones diffèrent des autres types de cellules de l’organisme par leur capacité à former des réseaux discontinus au niveau de points d’articulation bien définis : les synapses. Ces structures synaptiques permettent d’établir des connexions fixes et stables avec un grand nombre d’autres cellules.

Dans le cerveau humain, on rencontre environ 80 milliards de neurones (entre 86 et 100 milliards selon les estimations) et 1 million de milliards de synapses ou connexions. Sur la base de leur aspect morphologique, on distingue également chez les vertébrés supérieurs plus d’un millier de types de cellules nerveuses. On peut même aller jusqu’à dire que chaque neurone présente une connectivité et des propriétés physiologiques particulières qui définissent son individualité. Il existe donc une grande variabilité parmi les cellules nerveuses de notre cerveau aussi bien qu’entre les cerveaux d’individus différents. En outre, le réseau neuronal du cerveau est inséré dans un tissu compact formé de cellules de soutien ou cellules gliales indispensables à son bon fonctionnement et à sa protection – c’est L’Homme glial7.

Figure 1. L’embryogenèse du cerveau humain.

De 25 jours (après la fécondation) à la naissance.

Figure 2. Schéma en gros plan du neurone.

On distingue le neurone, son corps cellulaire (soma) et ses multiples appendices : axone, dendrites et leurs nombreuses ramifications.

Face à une organisation anatomique aussi complexe, il ne faut pas oublier un trait essentiel du cerveau : son activité physiologique. Neurones et fibres nerveuses possèdent la propriété exceptionnelle de produire des signaux électriques et chimiques et de réagir à ces signaux. Les physiologistes se sont d’abord intéressés aux signaux électriques. On sait que le cerveau produit une activité globale couramment enregistrée sous forme d’électroencéphalogramme (EEG). Celle-ci résulte en fait de la somme de signaux microscopiques qui ont lieu au niveau du neurone et de ses synapses. L’impulsion de base – ou influx nerveux – est une onde électrique qui dure environ 1 millième de seconde et qui se propage à des vitesses de 0.1 à 100 mètres par seconde (soit, la vitesse d’un TGV). Ces courants électriques résultent du passage transitoire d’ions répartis de manière inégale de part et d’autre de la membrane cellulaire. Des protéines-canaux interviennent, qui s’ouvrent ou se ferment et créent de ce fait des courants excitateurs ou inhibiteurs à l’origine du départ ou du blocage du signal nerveux.

« Dans le cerveau humain, on rencontre environ 80 milliards de neurones (entre 86 et 100 milliards selon les estimations) et 1 million de milliards de synapses ou connexions. »

Les performances des systèmes d’information dépendent toujours de celles de leurs maillons les plus faibles, c’est-à-dire les plus lents. La « pensée », en dépit de la vivacité qu’on lui attribue, n’échappe pas à cette règle : le traitement de l’information, depuis le niveau des neurones et des réseaux élémentaires de neurones jusqu’au niveau cognitif, se développe dans des échelles de temps qui vont de la milliseconde à quelques centaines de millisecondes et que l’on appelle les « temps psychologiques », bien loin de la vitesse de la lumière ! Cela vous parait très court, mais pour un physicien ces temps sont longs. Notre cerveau n’utilise donc pas de façon optimale l’ensemble des forces disponibles dans le monde physique ; il se débrouille avec des composants hérités d’organismes biologiques aussi primitifs que les bactéries – les protéines-canaux – qui ont perduré au travers de l’évolution biologique et qui lui imposent une lenteur irrémédiable.

Les millisecondes ou centaines de millisecondes sont toutefois à l’échelle de ce qu’un professeur peut observer de l’élève en classe des temps extrêmement rapides. Ce sont ceux que mesure le psychologue au laboratoire dans des dispositifs informatisés de chronométrie mentale.

2 Signaux chimiques et récepteurs

Les signaux électriques peuvent passer d’une cellule nerveuse à l’autre au niveau de structures spécialisées appelées parfois « synapses électriques », dont les membranes sont juxtaposées de manière suffisamment étroite pour qu’elles transmettent les signaux de manière rapide, pouvant par exemple contribuer à la synchronisation à grande échelle des activités neuronales.

Toutefois, dans beaucoup de synapses, la chimie prend le relais de l’électricité. Des substances chimiques simples, les neurotransmetteurs, sont employées comme signaux capables de franchir la fente synaptique. Le cerveau fonctionne donc à la fois comme une machine électrique et comme une machine chimique. Les découvertes récentes ont révélé l’importante diversité des molécules impliquées dans la communication chimique entre neurones. On peut ainsi dénombrer plusieurs dizaines de neurotransmetteurs classiques. Le nombre des peptides jouant un rôle de messagers chimiques est encore plus élevé. Une même cellule nerveuse peut même synthétiser et libérer plusieurs neurotransmetteurs.

« Le cerveau se comporte naturellement comme un système autonome qui projette en permanence de l’information en direction du monde extérieur – c’est le cas du cerveau de l’élève – au lieu d’en recevoir passivement son empreinte. »

Le neurotransmetteur est synthétisé et stocké dans les terminaisons nerveuses. Libéré dans l’espace synaptique, il atteint la cellule suivante en une fraction de milliseconde. Là, il déclenche un processus de conversion du signal chimique en un nouveau signal électrique (ou chimique), dans un intervalle de temps qui varie entre quelques millisecondes et quelques secondes. Parfois, le neurotransmetteur déborde de la synapse : il diffuse à des distances plus grandes et atteint de vastes populations de neurones. Ce processus peut concourir à des régulations de grande ampleur telles que celles qui se produisent à l’échelle du cerveau dans les phénomènes d’éveil ou de sommeil, dans l’effort mental ou les émotions.

C’est tout cela la chimie du cerveau ! Chaque jour, en classe, cette chimie opère, au cours des apprentissages, dans le cerveau de chaque élève.

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Les neurotransmetteurs et les récepteurs moléculaires du cerveau

Au niveau de leurs cellules cibles, les neurotransmetteurs sont reconnus par des molécules spécialisées appelées, dès 1905, par John Newport Langley « substances réceptives » ou récepteurs. Toutefois, ces derniers sont restés mystérieux pendant plus d’un demi-siècle, jusqu’à ce que le premier de ceux-ci soit isolé : le récepteur de l’acétylcholine. Ces récepteurs sont des protéines de la membrane cellulaire, qui fonctionnent comme des commutateurs moléculaires. 5 % de nos gènes codent pour des récepteurs. Ces molécules ont la capacité de reconnaitre sélectivement les neurotransmetteurs, les neuropeptides, des substances odorantes ou toutes substances telles que des médicaments et drogues qui viennent se loger dans des sites de fixation spécialisés. L’image devenue courante est celle de la serrure qui « reconnait » la bonne clé et pas une autre. De plus, ces récepteurs convertissent la liaison du neurotransmetteur en activité biologique : ouverture d’un canal ionique ou activation d’une réaction enzymatique. Ces « serrures moléculaires » peuvent basculer d’un état moléculaire à l’autre, « actif » ou « inactif », de façon réversible, sur le mode du « tout ou rien ». En fonction de la nature de la « clé », la réponse de certains récepteurs est excitatrice (elle favorise l’émission d’un signal électrique ou chimique) ou au contraire inhibitrice (elle bloque alors l’excitation).

3 L’activité spontanée du cerveau et la plasticité neuronale

Curieusement, la neuroscience a été imprégnée pendant des dizaines d’années par une philosophie empiriste tacite (du monde extérieur vers son impression dans le cerveau ; pour la situation d’une classe, on dirait « de la leçon du professeur vers le cerveau passif de l’élève »). Cette conception empiriste était déjà présente dans les premières recherches sur l’arc réflexe qui ont conduit à l’identification des trajets nerveux qui relient un stimulus sensoriel à la réponse motrice de l’organisme.

« La plasticité, cette propriété fondamentale va à l’encontre de l’impression naïve selon laquelle le cerveau serait une sorte d’automate rigide, constitué exclusivement de « roues et engrenages », fixés d’avance ; un automate que déclencherait le professeur en classe. »

Ce modèle semble aujourd’hui bien insuffisant et certainement trop simple. En réalité, le cerveau se comporte naturellement comme un système autonome qui projette en permanence de l’information en direction du monde extérieur – c’est le cas du cerveau de l’élève – au lieu d’en recevoir passivement son empreinte8. L’activité intrinsèque spontanée du cerveau est l’une de ses composantes majeures9. Elle se manifeste par des potentiels d’action produits spontanément par les cellules nerveuses. On connait les mécanismes moléculaires impliqués dans leur genèse. Ces potentiels d’action spontanés sont produits par des dispositifs spéciaux qu’on appelle des oscillateurs moléculaires et qui se composent au minimum de deux protéines-canaux antagonistes, mais étroitement couplées. Ces oscillateurs sont responsables de fluctuations lentes du potentiel électrique de la membrane neuronale qui, au-delà d’un certain seuil, déclenchent des décharges spontanées. Les neurones se comportent ainsi comme des générateurs spontanés d’influx, et, une fois de plus, on peut rendre compte intégralement de cette activité intrinsèque par des mécanismes physico-chimiques relativement simples au niveau moléculaire.

L’activité électrique spontanée apparait tôt au cours du développement embryonnaire du système nerveux. Elle est responsable de mouvements de l’embryon qui s’observent dans l’œuf après trois jours et demi d’incubation, par exemple chez le poulet, et elle persiste dans les neurones embryonnaires en culture. Chez le fœtus humain, le cœur commence à battre trois à quatre semaines après la fécondation. Aux environs de la dixième semaine, le fœtus commence à bouger, mais la mère ne perçoit ses mouvements que sept semaines plus tard. L’activité électrique du cerveau peut être enregistrée chez le fœtus avant deux mois10. Classiquement, on l’enregistre chez l’adulte sous la forme d’ondes Électro-encéphalographiques (EEG) complexes, différentes à l’état de veille et pendant le sommeil11. Comme nous allons le voir, une telle activité spontanée joue un rôle central dans plusieurs mécanismes cognitifs essentiels comme l’acquisition des connaissances ainsi que la mise à l’épreuve de leur vérité, cela chez l’adulte comme au cours du développement de l’enfant.

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La plasticité du cerveau

Cette plasticité intervient dès les stades précoces du développement embryonnaire. Par exemple, de nombreuses cellules nerveuses issues des divisions cellulaires embryonnaires meurent avant de devenir des neurones adultes, et cette mort cellulaire peut être retardée ou même accélérée par l’activité nerveuse. Cette sélection est active, dynamique, donc plastique. De même, les synapses croissent et se divisent pendant le développement. Mais elles peuvent aussi être éliminées et même, par la suite, se régénérer par bourgeonnement ; ces phénomènes persistent d’ailleurs mais avec une moindre ampleur chez l’adulte. Parmi les mécanismes contribuant à cette stabilisation par l’activité, des signaux chimiques stimulant la croissance nerveuse peuvent par exemple être libérés sous l’influence de l’activité nerveuse. De plus, l’efficacité des contacts synaptiques à transmettre des signaux peut varier tant au niveau de la libération des neurotransmetteurs qu’à celui des récepteurs. Par exemple, lorsqu’un neurotransmetteur est brièvement mis en contact avec son récepteur, il déclenche d’abord l’évolution vers un état moléculaire actif, celui qui intervient dans la transmission du signal. Si ce contact se prolonge, le récepteur bascule spontanément vers une forme inactive, « désensibilisée ». Le contraire peut également se produire. Cette capacité d’adaptation est déterminée par une propriété physico-chimique intrinsèque de la molécule du récepteur. L’assemblage supra-macromoléculaire de récepteurs que nous avons évoqué ainsi que leur relation avec le cytosquelette (squelette de la cellule) peuvent également connaitre des variations en fonction de l’état d’activité de la cellule.

Une autre caractéristique fondamentale du cerveau est sa plasticité12. Ce terme désigne la capacité générale du neurone et de ses synapses à changer de propriétés en fonction de leur état d’activité. Cette propriété fondamentale va à l’encontre de l’impression naïve selon laquelle le cerveau serait une sorte d’automate rigide, constitué exclusivement de « roues et engrenages », fixés d’avance ; un automate que déclencherait le professeur en classe.

La plasticité normale résulte donc du fait que les divers mécanismes de transmission de l’information dans le système nerveux sont eux-mêmes réglés par l’activité spontanée et/ou évoquée (en réaction à une stimulation extérieure), dont ils sont les médiateurs. C’est cette propriété qui confère aux réseaux de neurones à la fois leur flexibilité fonctionnelle, leur propriété de stockage des informations et leur capacité d’auto-organisation. Toute tentative pour modéliser les fonctions du cerveau doit prendre en compte ces processus élémentaires de plasticité.

II. Comment se construit un cerveau

En premier lieu, le neurone se caractérise par la propriété de conserver une forme stable avec une topologie définie du soma (corps cellulaire), des dendrites, de l’axone et des synapses. Cette forme est due essentiellement à un ensemble de tubules (structures en forme de petits tubes) et de filaments relativement rigide appelé « cytosquelette ». Les microtubules sont eux-mêmes issus de l’assemblage supra-macromoléculaire d’une protéine, la tubuline, et d’un ensemble de protéines associées. Ces tubules rigides servent également de voie de circulation à des « moteurs moléculaires » qui assurent des déplacements rapides entre le corps du neurone et les extrémités de ses prolongements.

Si l’on explore la surface de la cellule nerveuse, on y observe la distribution des récepteurs des neurotransmetteurs. Ainsi, des récepteurs spécifiques sont regroupés sous les sites où sont libérés les neurotransmetteurs correspondants. La structure de ces assemblages peut varier considérablement selon les dendrites, le soma ou l’axone, et selon la répartition des canaux ioniques et des sites de libération. Le cytosquelette joue un rôle essentiel dans le positionnement et le maintien de ces molécules membranaires en des points spécifiques de la surface neuronale. Les assemblages supra-macromoléculaires ont ainsi une fonction importante dans l’acquisition et le maintien de l’« organisation chimique » de la cellule nerveuse, et par là de sa capacité à établir et maintenir la structure des réseaux de neurones définis. Des composants chimiques élémentaires aux assemblées supra-macromoléculaires, la cellule nerveuse se construit ! De proche en proche et d’un niveau à l’autre, la matière s’organise, du niveau moléculaire au niveau cellulaire, puis à celui des ensembles neuronaux qui contribuent aux niveaux cognitifs supérieurs.

1 Des règles d’organisation verticale et horizontale

Pour tenter de « construire » une fonction cognitive ou psychologique et, en fin de compte, un comportement, à partir des constituants élémentaires du cerveau qui viennent d’être décrits, il nous faut comprendre les règles d’organisation qui déterminent l’architecture générale des réseaux de neurones caractéristiques du cerveau humain. Le cerveau de l’élève par exemple.

La propriété la plus remarquable qui distingue le neurone d’une cellule du foie ou de la peau, c’est sa capacité à établir un grand nombre de contacts stables et bien définis avec de multiples autres neurones. Or les relations que les cellules nerveuses établissent entre elles ne sont ni simplement aléatoires, ni déterminées comme les circuits imprimés d’un ordinateur. Deux catégories principales d’organisation, verticale et horizontale, se trouvent imbriquées l’une dans l’autre. Des structures organisées hiérarchiquement se développent progressivement en réseaux emboités verticalement. Parallèlement, cartes et voies se multiplient de manière horizontale conjointement avec des systèmes d’interconnexion plus globaux, de grande échelle.

La notion d’organisation hiérarchique remonte à Aristote, mais sa formulation moderne appliquée aux « facultés de l’esprit » est due à Kant. Le grand philosophe allemand distinguait premièrement la sensibilité, définie par la capacité des organes des sens à recevoir des « impressions sensibles » du monde extérieur ; deuxièmement, l’entendement, faculté du concept qui permet la synthèse des éléments sensibles ; troisièmement, la raison, qui contient les principes grâce auxquels nous connaissons les choses et gouvernons les concepts produits spontanément par l’entendement.

Ces niveaux fonctionnels ne correspondent pas à ceux qu’on invoque de façon courante pour décrire les machines qui traitent de l’information : on distingue en effet l’équipement matériel (hardware), le logiciel (software) et les algorithmes qui définissent la relation entre les entrées et les sorties (ou l’activité continue), ainsi que la théorie computationnelle (le plan ou l’intention de l’organisme). Ils ne coïncident pas non plus avec l’échelle des dimensions qui va de la molécule aux réseaux neuronaux complexes. En effet, les niveaux d’organisation qu’il nous faut aborder pour comprendre ce qu’est un cerveau sont à la fois anatomiques et fonctionnels : ils doivent permettre d’établir un lien causal entre anatomie et fonction. L’organisation fonctionnelle du système visuel représente à cet égard un excellent exemple : elle s’appuie sur quatorze niveaux superposés, de la rétine au cortex préfrontal ; six au moins sont situés parmi les trente-deux aires visuelles du cortex cérébral (dans le cas du singe) et contribuent au traitement à la fois de la forme, de la couleur et du mouvement des objets à trois dimensions, depuis leur capture dans le monde extérieur jusqu’à la perception et la manipulation consciente13. Plus remarquable encore est le fait que le système peut fonctionner de bas en haut (bottom up), par exemple lors de la perception d’un objet visuel, mais aussi de haut en bas (top down), comme lors du rappel en mémoire de l’image de cet objet.

En plus de cette stratification verticale en niveaux hiérarchiques imbriqués, des organisations parallèles se développent horizontalement. Nous devons à Franz Josef Gall, au xixe siècle, l’idée que le cortex cérébral n’est pas un manteau uniforme, mais une mosaïque de territoires qu’il appelait « organes » et qui seraient chacun le siège de facultés innées, essentielles et irréductibles.

Figure 3. Expansion du cortex cérébral chez l’Homme.

On observe l’expansion du cortex préfrontal (en bleu) chez l’Homme comparé à d’autres espèces animales.14

Même si cette conception parait aujourd’hui simpliste, un examen attentif de l’anatomie du cortex cérébral des vertébrés révèle qu’il existe bel et bien une distribution des aires corticales propre à chaque espèce et possédant des fonctions très spécialisées. Comme le nombre de niveaux hiérarchiques augmente au cours de l’évolution des vertébrés, le nombre de cartes parallèles à chaque niveau s’accroit lui aussi, et de ce fait le nombre total de représentations neurales. Dans le cas de la vision, par exemple, le nombre de représentations de la rétine ne dépasse pas 3 ou 4 chez les mammifères primitifs ; il est situé entre 15 et 20 chez les primates et les carnivores ; il atteint 32 chez le macaque et pourrait être plus élevé encore chez l’Homme. L’évolution du lobe frontal suit la même tendance chez les ancêtres de l’Homme15. Il joue un rôle essentiel dans les fonctions cognitives supérieures telles le raisonnement et l’abstraction logique16.

Il existe des composants architecturaux qui interviennent dans des processus intégrateurs à grande échelle et permettent de regrouper des traitements locaux à l’échelle du cerveau tout entier. L’hypothèse proposée avec Stanislas Dehaene est que des connexions horizontales entre aires corticales distinctes du même hémisphère ou d’hémisphères différents interviennent dans l’accès conscient au sein d’un espace neuronal de travail global17. La diffusion de signaux chimiques à longue distance peut également jouer un rôle central.

Figure 4. Le modèle de l’espace de travail neuronal global.

De nombreux processeurs spécialisés y convergent ; les systèmes attentionnels contribuent à la focalisation du cerveau sur un « objet de conscience ».17

Au total, des règles simples d’architecture du réseau permettent de créer à la fois une grande diversité de structures de traitement des signaux et la capacité d’intégrer et de globaliser les activités locales du cerveau de haut en bas (top down) et de bas en haut (bottom up). Ces composantes intégratrices de l’architecture neuronale du cerveau doivent donc être prises en considération si l’on veut comprendre comment se construisent les fonctions supérieures de notre cerveau.

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Au-delà de la conception localisationniste de Gall

La conception localisationniste et innéiste de Gall a été remise au gout du jour par la psychologie cognitive – Jerry Fodor, par exemple, parle de « modules » – et par l’imagerie cérébrale. Toutefois, contrairement à ce que pensait Gall, les différentes aires cérébrales n’ont pas une autonomie fonctionnelle stricte. De même, les niveaux hiérarchiques de Kant (sensibilité, entendement, raison) ne correspondent pas à des entités entièrement indépendantes d’un point de vue anatomique ou fonctionnel. Au contraire, comme l’affirmait déjà Auguste Comte dans son Cours de philosophie positive, des mécanismes intégrateurs doivent relier ces différents « territoires » pour que soient assurées les « fonctions sociales supérieures » du cerveau. Certains dispositifs spécialisés de l’architecture neuronale pourraient rendre compte de cette intégration fonctionnelle. Parmi les interactions entre cellules nerveuses, outre les connexions latérales avec les proches voisines, on a observé dès les années 1930 des connexions réciproques de plus longue distance ; certains auteurs ont mentionné à ce propos des circuits réverbérants et plus récemment des boucles de rétroaction ou des connexions réentrantes. Ces connexions jouent verticalement entre niveaux superposés, mais aussi horizontalement, entre les cartes.

2 Un système nerveux « ouvert » et « motivé »

On dit rarement des systèmes neuronaux artificiels ou d’un quelconque ordinateur aussi puissant soit-il – y compris aujourd’hui en Intelligence Artificielle – qu’ils sont « ouverts » et « motivés ». Le mot « ouvert » doit être entendu ici dans une double acception, à la fois psychologique et thermodynamique. Tout d’abord, le cerveau ne peut plus être conçu aujourd’hui comme une boite noire dont on néglige les états internes. Ensuite, il est le siège d’une importante activité spontanée et se trouve continuellement en train d’échanger de l’énergie et de l’information avec le monde extérieur. L’échange réciproque de signaux avec l’environnement par les organes des sens et via des actions motrices peut contribuer à la mise en place d’états physiques internes stables qui relèvent de ce que Prigogine, Prix Nobel de chimie en 1977, définit comme des « structures dissipatives » (celles d’un système qui évolue dans un environnement avec lequel il échange de l’énergie ou de la matière18), structures ouvertes sur le monde extérieur. L’ouverture constante du cerveau à son environnement pourrait même lui permettre d’accéder à ces états globaux exigés par la perception consciente, établissant de ce fait un lien naturel avec la « phénoménologie de la conscience »19.

Outre « l’ouverture » du système nerveux, le cerveau se caractérise par ce que j’ai appelé sa « motivation ». Il opère comme un producteur de représentations qu’il projette sur le monde extérieur. L’activité spontanée d’ensembles spécialisés de neurones pousse l’organisme à continuellement explorer et tester l’environnement physique, social et culturel, à se saisir des réponses et à les confronter à ce qu’il possède en mémoire. En conséquence, le cerveau développe d’étonnantes capacités d’« auto-activation » et, par-là, d’auto-organisation, d’où le terme de « motivation » – on pourrait même dire de curiosité. Système ouvert et motivé, le cerveau fonctionne en permanence sur le mode de l’exploration organisée.

« L’activité spontanée d’ensembles spécialisés de neurones pousse l’organisme à continuellement explorer et tester l’environnement physique, social et culturel, à se saisir des réponses et à les confronter à ce qu’il possède en mémoire. »

Ces propriétés d’ouverture et de motivation relèvent sans ambiguïté de l’organisation matérielle et du fonctionnement spontané du réseau neuronal. Or celui-ci n’est pas apparu un beau jour sur notre planète mais s’est construit progressivement au cours d’une longue évolution. Parmi les philosophes de la Grèce antique, Empédocle d’Agrigente avait imaginé une « genèse » des espèces vivantes qui préfigurait de façon étonnante, bien que sous une forme encore métaphorique, nos conceptions actuelles de l’évolution biologique. Pour Empédocle, les « éléments » qui, selon lui, composaient le monde se mêlaient et s’échangeaient au hasard des forces attractives et répulsives. Des monstres se forment par assemblage de membres  « au hasard des rencontres ». Certains résistaient, les autres disparaissaient. Ainsi « se produisit la race des Hommes ». En termes contemporains, on parlerait d’une genèse par variation et sélection. Diderot reprit l’idée.

Il a fallu cependant près de deux millénaires pour que cette théorie de l’évolution par sélection puisse être formulée en termes biologiquement acceptables par Charles Darwin. L’un des fondements de la théorie darwinienne de l’évolution est le concept de variations qui apparaissent de façon spontanée et aléatoire – aveugle – au niveau des individus composant une population et se transmettent d’emblée par la descendance. L’autre fondement est celui de la sélection naturelle. Ne peuvent se multiplier et pérenniser l’espèce que les individus dont la composition héréditaire est telle qu’ils parviennent à survivre et à se reproduire dans un environnement particulier.

Ces notions de variation et de sélection peuvent aussi s’appliquer, à l’intérieur même du cerveau humain, aux populations de neurones dans une forme de darwinisme que j’ai appelé neuronal ou neural-mental20.

III. Épigenèse neuronale et évolution culturelle

Notre équipement génétique, avec ses 20 000 gènes, confère à notre cerveau les traits universels qui font de nous des êtres humains (en 2002 ont été publiées les premières données sur la séquence complète du génome humain). Les grandes lignes de l’architecture du cerveau se trouvent encadrées par une « enveloppe génétique » qui inclut les gènes de développement. L’analyse comparée des génomes d’hominidés révèle qu’un très petit nombre de déterminants génétiques, vraisemblablement localisés dans des séquences régulatrices ou des facteurs de transcription, ont conduit au développement du cerveau d’Homo sapiens au cours des derniers millions d’années. Une non-linéarité remarquable s’est produite dans la morphogenèse et le développement de la complexité connexionnelle du phénotype cérébral sur un fond génétique dont l’évolution reste modeste. Elle a conduit pour une part au développement fulgurant de l’espace de travail conscient. Ce développement a rendu possible l’accès à un nouvel « univers » intérieur de représentations mentales, à leur enchainement, à leur combinatoire sans limite et surtout à l’examen critique de leur pertinence à représenter le monde avec vérité. L’espèce humaine se caractérise en outre par la capacité à apprendre et à conserver des traces stables de l’expérience passée – à l’école en particulier. Au cours de l’évolution, cette aptitude a connu un développement considérable, unique dans le monde vivant. Du reste, certaines traces de ce passé évolutif sont encore perceptibles aux premiers stades du développement du cerveau.

1 L’hypothèse épigénétique : variabilité, essais-erreurs et sélection

Mon hypothèse est la suivante21 : la formation d’un million de milliards de synapses que comprend le cerveau adulte échappe dans une certaine mesure au contrôle absolu des gènes. Elle peut être considérée comme un processus évolutif épigénétique avec variation aléatoire et sélection qui se produit pendant le développement embryonnaire et se poursuit après la naissance chez l’enfant. Le mot « épigénétique » est composé de deux racines grecques : epi, qui signifie « sur, au-dessus de », et genesis, qui veut dire « naissance ». « Epigénétique », au sens où je l’emploie, combine deux significations : l’idée de superposition à l’action des gènes, suite notamment à l’apprentissage et à l’expérience, et celle de développement coordonné et organisé. De fait, je le répète parce que c’est un point important, le réseau cérébral ne s’assemble pas comme on construit un ordinateur avec des pièces détachées suivant un plan prédéterminé qui définirait exactement la nature et la disposition de chaque circuit et de chaque commutateur. Si tel était le cas, une erreur de détail même minime dans la réalisation de ce programme pourrait avoir des conséquences catastrophiques.

À la différence de ce schéma du « tout génétique » – le cerveau comme réalisation d’un patrimoine génétique strictement prédéterminé –, le modèle épigénétique postule que les connexions entre neurones se mettent en place progressivement avec une importante marge de variabilité et sont sujettes à une sélection par le jeu d’essais et d’erreurs. D’où le grand rôle de l’éducation et de l’expérience, en famille, puis à l’école. À certains moments critiques du développement, une « mise au point » de la connectivité du réseau aurait lieu qui exploiterait les propriétés élémentaires de plasticité décrites plus haut. Qu’elle soit spontanée ou évoquée (en réaction à une stimulation extérieure), l’activité nerveuse qui investit le réseau au cours du développement réglerait ce processus.

Les variations de taille, de forme et de poids du cerveau humain représentent un fait bien établi, même si la signification fonctionnelle et comportementale de cette diversité n’est pas évidente22. Des études anatomiques et fonctionnelles minutieuses menées sur les aires de Brodman (du nom du neurologue et physiologiste qui a délimité toutes les aires du cortex sur une base cytoarchitectonique ou de composition cellulaire) montrent que, d’un individu à l’autre, la topologie du cortex cérébral n’est pas strictement identique. Par exemple, les dimensions de l’aire visuelle primaire mesurées par imagerie fonctionnelle révèlent des variations de l’ordre de 5 mm23. On attribue souvent cette variabilité individuelle à l’hérédité.

« Le réseau cérébral ne s’assemble pas comme on construit un ordinateur avec des pièces détachées suivant un plan prédéterminé qui définirait exactement la nature et la disposition de chaque circuit et de chaque commutateur. »

Pour s’en assurer, des études ont été réalisées sur des individus génétiquement identiques : des jumeaux monozygotes, ou « vrais jumeaux » (issus du même œuf fécondé, appelé « zygote »). Or ces études, qu’elles soient anatomiques ou comportementales24, mettent clairement en évidence le fait que les cerveaux de deux vrais jumeaux ne sont pas identiques. On a découvert d’abord qu’il existe des différences de préférence manuelle (droitiers ou gauchers) entre jumeaux monozygotes, ce qui constitue déjà un signe de variance comportementale. Par ailleurs, deux méthodes d’investigation qui donnent des résultats convergents ont été employées pour mettre en évidence cette variance de manière plus précise : d’une part, les mesures in vivo, par résonance magnétique, de la surface de l’aire du langage nommée planum temporale et, d’autre part, des tâches manuelles spécifiques chez des jumeaux monozygotes droitiers et gauchers. On constate que les droitiers présentent une asymétrie hémisphérique avec dominance à gauche qui n’existe pas chez les gauchers. D’une manière plus générale, une variabilité « épigénétique » s’observe d’un vrai jumeau à l’autre, même si celle-ci est parfois moindre que d’une paire de jumeaux à l’autre.

À l’échelle des neurones et des synapses, chez le petit crustacé Daphnia magna, la puce d’eau que tous les aquariophiles connaissent, le nombre de cellules sensorielles de l’œil (175) et de neurones compris dans le ganglion optique (110) sont conservés, ainsi que les principales catégories de contacts synaptiques, d’un animal isogénique (même patrimoine génétique) à l’autre. Cependant, le nombre exact de synapses et la forme précise des branches axonales varient entre de vrais jumeaux. Une composante aléatoire s’introduit donc dans le détail des connexions au cours du développement du réseau adulte.

« Les variations de taille, de forme et de poids du cerveau humain représentent un fait bien établi, même si la signification fonctionnelle et comportementale de cette diversité n’est pas évidente. »

Il existe ainsi une variabilité significative de l’anatomie du cerveau, de la topologie des aires corticales et du détail des connexions qui échappe au pouvoir des gènes. C’est très important à dire ici, scientifiquement, dans un ouvrage qui porte sur le cerveau, les apprentissages et l’éducation.

2 Le développement

De la formation du tube neural (système nerveux primitif) aux premiers stades du développement embryonnaire jusqu’à la maturation du cerveau adulte, de nombreuses transformations morphologiques et fonctionnelles se produisent, principalement sous le contrôle de gènes de développement. Initialement, la paroi du tube neural est constituée d’une seule couche de cellules. Rapidement, les cellules se divisent et, en quelques mois, elles produisent plusieurs dizaines de milliards de cellules. À certains moments, il se forme jusqu’à 250 000 cellules nouvelles par minute. Cette séquence très organisée du développement des couches corticales et des synapses qui s’y forment pourrait coïncider avec la mise en place des niveaux hiérarchiques (aspect vertical) et des organisations parallèles (aspect horizontal) du réseau cérébral.

Plusieurs études quantitatives menées au microscope électronique montrent que chez l’Homme, près de 50 % des synapses de l’adulte se forment après la naissance, et leur nombre continue d’évoluer en plus, ou en moins, jusqu’à la mort. Si la durée de la gestation est à peu près comparable chez le chimpanzé et chez l’Homme (respectivement 224 et 270 jours), celle du développement postnatal du cerveau est considérablement plus longue chez l’Homme. La capacité crânienne augmente 4,3 fois après la naissance, contre 1,6 fois chez le chimpanzé. Ce trait caractéristique du développement cérébral de l’Homme est d’une grande importance dans la mesure où l’apprentissage du langage ainsi que l’imprégnation par les conventions sociales et les règles morales ont lieu pendant les premières années qui suivent la naissance. Il prédispose notre cerveau à l’acquisition de connaissances et à leur mise à l’épreuve, bref, il « humanise » notre cerveau.

L’évolution globale de la densité totale de synapses dans le cortex cérébral du singe et dans celui de l’Homme inclut une phase « rapide » : 90 % des synapses se forment alors au rythme de l’ordre du million par seconde. De plus, toutes les synapses ne se forment pas en même temps mais par de multiples vagues successives et emboitées de synapses qui diffèrent avec les couches du cortex et mettent à la disposition de l’enfant un nombre considérable de combinaisons synaptiques possibles qui peuvent être modelées par les interactions « épigénétiques » avec son environnement social et culturel. Voilà qui peut expliquer l’imbrication de multiples périodes sensibles en relation avec les divers aspects de l’environnement physique, social et culturel que le nourrisson et le jeune enfant rencontrent au cours du développement jusqu’à l’âge adulte. Voilà aussi qui peut contribuer à la « non-linéarité » entre l’organisation du génome et la complexité du cerveau.

« Plusieurs études quantitatives menées au microscope électronique montrent que chez l’Homme, près de 50 % des synapses de l’adulte se forment après la naissance, et leur nombre continue d’évoluer en plus, ou en moins, jusqu’à la mort. »

Au cours de périodes sensibles du développement, on assiste temporairement à une diversification exubérante de contacts synaptiques, suivie de la stabilisation sélective de certains de ces contacts labiles et de l’élimination (ou de la rétraction) des autres. Concurremment, des phénomènes de croissance et de régénération des connexions peuvent se poursuivre à l’échelon local. Ces « allées et venues » des contacts synaptiques se maintiennent chez l’adulte. Mais l’équilibre se déplace au cours du vieillissement, et la régression finit par l’emporter avant la mort.

Le modèle simple que Philippe Courrège, Antoine Danchin et moi-même avons proposé dans les années 197025 décrit l’évolution synaptique au stade de la diversité maximale des contacts synaptiques sous au moins trois états formels : labile, stable et dégénéré. L’hypothèse cruciale ici est que l’évolution de l’état de chaque contact synaptique est contrôlée globalement et à l’intérieur d’une fenêtre temporelle précise par la totalité du message de signaux – activités spontanée et évoquée incluses – présents dans la cellule sur laquelle il se termine. En d’autres termes, l’activité de la cellule postsynaptique règle la stabilité, la régression et l’éventuelle repousse de la terminaison nerveuse par un « signal trophique » (pour la nutrition des tissus) qui se propage dans une direction opposée à celle de l’influx nerveux, c’est-à-dire de manière rétrograde. La connectivité particulière et la composition biochimique propre à chaque cellule nerveuse – ce que j’ai appelé sa « singularité » ou son individualité26 – seraient ainsi le résultat de la stabilisation sélective par l’activité d’une distribution particulière de contacts synaptiques parmi ceux qui sont présents au stade où la diversité est maximale.

Figure 5. Développement épigénétique des contacts entre neurones via les synapses.

Dessin d’une synapse et en dessous les trois lignes du schéma représentent, de haut en bas, la croissance, quelque peu au hasard des contacts entre neurones, l’exubérance transitoire et la sélection de distributions (ou géométries) particulières de contacts synaptiques (d’après Changeux, 1983).

En parallèle, des règles microscopiques d’apprentissage ont été formulées, en termes mathématiques et biochimiques, pour spécifier davantage les changements élémentaires intervenant dans l’efficacité synaptique en fonction de l’expérience. C’est à l’origine le psychologue canadien Donald Hebb qui a introduit la plus classique de ces règles en 1949. Elle stipule que la « force » d’une connexion augmente quand il y a coïncidence temporelle des activités pré- et postsynaptique. C’est une manière de remettre au gout du jour un des principes avancés dès le milieu du xviiie siècle par le philosophe écossais David Hume, dans un contexte empiriste, comme mécanisme de l’association des idées. Pour lui, la gentle force qui combine ou associe les idées repose sur « la qualité de la contiguïté dans le temps et dans l’espace » des stimuli : ce n’est rien de moins que la règle de Hebb.

À une plus grande échelle, des tentatives de modélisation concernent la formation de cartes fonctionnelles, en particulier la spécification des traits d’architecture qui caractérisent les aires visuelles. Nous savons que dans le cerveau, d’une manière générale, les neurones inhibiteurs coexistent avec les neurones excitateurs. Les neurones inhibiteurs équilibrent par leur nombre et leur importance physique les neurones excitateurs dont on pense souvent, à tort, qu’ils sont dominants dans le cerveau (de même que l’inhibition cognitive est aussi importante que l’activation-excitation des représentations ou stratégies dans le développement logique et conceptuel de l’enfant27). Les modèles informatiques de populations mixtes de neurones excitateurs et inhibiteurs, dont la connectivité est fixée au départ de façon largement stochastique (par l’effet du hasard), peuvent développer des changements de forme remarquables en fonction de l’excitation qu’ils reçoivent. Autrement dit, les règles de la morphogenèse formulées par le mathématicien britannique Alan Turing28 et appliquées initialement au développement embryonnaire peuvent légitimement être étendues à la formation d’ensembles organisés de connexions neuronales.

« Nous savons que dans le cerveau, d’une manière générale, les neurones inhibiteurs coexistent avec les neurones excitateurs. Les neurones inhibiteurs équilibrent par leur nombre et leur importance physique les neurones excitateurs dont on pense souvent, à tort, qu’ils sont dominants dans le cerveau. »

Les conséquences théoriques des modèles formels, un peu techniques, que je viens de présenter me semblent importantes à spécifier et à développer plus en détail dans la perspective très générale de la compréhension du développement du système nerveux central et tout spécialement de ses fonctions cognitives et d’apprentissage.

3 L’exemple de l’apprentissage du langage

Pour mieux étayer cette réflexion théorique, encore bien incomplète, j’ai choisi quelques exemples se rapportant principalement à l’apprentissage du langage. Ils montrent clairement comment peuvent se mettre en place, et même être sélectionnées, des traces neuronales de manière épigénétique. Le premier exemple est classique : il s’agit de l’apprentissage du chant chez certaines espèces d’oiseaux. Peter Marler et ses collègues avaient démontré chez le moineau des marais (Melospiza gregaria) que la fixation du chant adulte, laquelle comporte environ deux syllabes, s’accompagne de la perte de plus des trois quarts des syllabes produites par le « babillage » initial du jeune oiseau29. À cette attrition ou perte syllabique s’ajoute la variabilité du chant définitif de l’adulte. Les moineaux peuvent en outre apprendre à « imiter » des chants « artificiels » synthétisés par ordinateur.

On note un phénomène similaire d’attrition dans le cas de l’apprentissage du langage chez l’humain. Sur le plan perceptif par exemple, il y a le cas des phonèmes « ra » et « la » qui n’existent pas en japonais. Les bébés japonais de deux ou trois mois sont toutefois parfaitement capables de les distinguer, mais les Japonais adultes ont de grandes difficultés à y parvenir. L’acquisition du langage adulte s’accompagne donc d’une perte de capacités perceptives au cours du développement. La psychologue américaine Patricia Kuhl et ses collègues ont montré que ce phénomène s’étendait à la discrimination des voyelles chez les bébés américains et suédois30. Selon eux, avant six mois, l’espace auditif des bébés est découpé selon des critères psycho-acoustiques universels. Après six mois, cet espace se réorganise et se simplifie pour s’accommoder aux langues particulières auxquelles les bébés sont exposés. Au moyen d’un processus de « stabilisation sélective », un tri s’effectue en fonction de l’environnement linguistique entre des structures cérébrales engendrées de manière endogène. Apprendre, c’est éliminer, thèse que j’ai défendue dans L’Homme neuronal31.

Le babillage des enfants commence entre six et dix mois. Le babillage dit « canonique » est caractérisé par des syllabes simples produites par la plupart des enfants. Mais, même à l’intérieur d’une communauté linguistique, on remarque des différences individuelles. L’écoute attentive du babillage d’enfants de sept ou huit mois originaires de pays différents met déjà en lumière, en plus des ressemblances évidentes, certaines différences liées à l’environnement linguistique : attaques dures et syllabes accentuées chez les enfants arabes, modulations plus douces en français, nombreuses variations de hauteur en cantonais32. Ces évolutions suivent celle de la perception des sons. L’interaction entre la performance motrice (production) et la perception contribuerait à l’organisation du babillage par sélection jusqu’à douze mois.

« L’écoute attentive du babillage d’enfants de sept ou huit mois originaires de pays différents met déjà en lumière, en plus des ressemblances évidentes, certaines différences liées à l’environnement linguistique : attaques dures et syllabes accentuées chez les enfants arabes, modulations plus douces en français, nombreuses variations de hauteur en cantonais. »

Le second exemple est celui de l’illettrisme, handicap désastreux qui sévit toujours et à des niveaux étonnamment élevés dans les populations occidentales, auxquelles nous nous cantonnerons ici. Sur le plan comportemental, l’usage du langage parlé est très semblable chez les sujets illettrés et chez les sujets sachant lire et écrire. Pourtant, les illettrés présentent une particularité étonnante, qui concerne une tâche spécifique de traitement phonologique de la parole. S’ils répètent avec facilité des mots ayant un sens, ils éprouvent des difficultés considérables à le faire face à des mots qui en sont dépourvus, ou pseudomots. La Tomographie par Émission de Positrons (TEP) révèle des différences très nettes entre les cerveaux de personnes alphabétisées et de personnes illettrées à qui l’on demande de répéter des pseudomots, alors que les différences ne sont pas significatives lorsqu’on leur fait répéter des mots ayant un sens33. Parmi les territoires corticaux plus fortement activés par des mots réels que par des pseudomots chez les sujets alphabétisés par rapport aux illettrés, on compte notamment l’opercule frontal droit et l’insula antérieure, le cortex cingulaire antérieur gauche, le putamen/pallidum gauche, le thalamus antérieur et l’hypothalamus, ainsi que le cervelet médian. De même, le corps calleux, région de passage des fibres reliant un hémisphère à l’autre, parait à certains niveaux plus mince chez les sujets illettrés34. Le fait d’apprendre ou non à lire et à écrire au cours de l’enfance a donc un impact considérable sur l’organisation fonctionnelle du cerveau adulte.

L’acquisition de la lecture et de l’écriture par l’enfant exploite les capacités épigénétiques du cerveau à mémoriser de nouvelles compétences au cours de son développement. L’étude des lésions, notamment, a permis de mettre en évidence une interaction forte entre le traitement, par l’adulte, du langage oral et du langage écrit35. Tout se passe comme si l’acte d’écrire mobilisait de façon tacite les voies du langage oral. De même, la lecture mobilise les voies de traitement du langage oral et, parmi elles, celles qui sont concernées par le traitement phonologique de mots nouveaux. Fait intéressant, l’absence d’expérience de la lecture altère la « stabilisation sélective » de cette voie phonologique spécifique aux mots nouveaux (tels les pseudomots dans l’expérience ci-dessus). Apprendre à lire et à écrire laisse donc dans le cerveau de l’enfant des traces épigénétiques profondes qui persisteront jusqu’à l’âge adulte.

Zoom sur…

L’apprentissage de la lecture : recyclage neuronal ou épigenèse synaptique ?

L’imagerie cérébrale a permis de découvrir que l’apprentissage de la lecture à l’école est rendu possible grâce à une région occipito-temporale gauche du cerveau, dite « aire de la forme visuelle des lettres et des mots » (ou « boite aux lettres » du cerveau), initialement spécialisée dans la reconnaissance des objets. Il s’agit d’une région spécifique de la voie visuelle dite « ventrale » ou occipito-temporale, confirmée dans une méta-analyse d’IRMf (Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle) du réseau multi-aires de la lecture portant sur plusieurs centaines d’enfants36. Selon Dehaene37, dans l’histoire de l’humanité, avant l’apparition de l’écriture et de la lecture, comme au début du développement de l’enfant (avant 5-6 ans), les neurones de cette région étaient d’abord dédiés exclusivement à la reconnaissance visuelle des objets (domaine 1), puis sous l’effet de l’éducation, de l’école notamment, et de la pratique intense de la lecture, ces mêmes neurones se sont recyclés pour identifier les lettres et les mots de la langue de l’enfant (domaine 2). Ce serait l’un des plus élégants phénomènes de plasticité cérébrale provoqué par un apprentissage culturel selon Dehaene38.

Mais en fait, il suffit de se référer, plutôt qu’au recyclage, à l’épigenèse synaptique39, c’est-à-dire à la stabilisation et à la sélection des contacts entre neurones après la naissance. En effet, pendant l’apprentissage de la lecture et de l’écriture chez l’enfant, le rythme de formation des synapses est de l’ordre de 10 millions par seconde ! Ce serait donc, par ces contacts foisonnants, une nouvelle empreinte neuronale, un « circuit neuro-culturel » qui se formerait (se stabiliserait) lors de l’apprentissage de l’écriture et de la lecture40, plutôt qu’un réel recyclage des neurones eux-mêmes. L’idée d’une telle empreinte culturelle dans le cerveau humain avait déjà été avancée, concernant l’écriture, par le neurologue Jules Dejerine en 1902 et démontrée pour la première fois en imagerie cérébrale chez l’adulte, à propos de la lecture, un siècle plus tard41. Quoi qu’il en soit, empreinte nouvelle (Dejerine, Changeux) ou recyclage neuronal (Dehaene), la lecture provoque, de façon certaine, la signature d’un apprentissage culturel intense, en l’occurrence scolaire, dans le cerveau.

« La Tomographie par Émission de Positrons (TEP) révèle des différences très nettes entre les cerveaux de personnes alphabétisées et de personnes illettrées à qui l’on demande de répéter des pseudomots, alors que les différences ne sont pas significatives lorsqu’on leur fait répéter des mots ayant un sens. »

Un autre problème social important, soulevé notamment par l’Abbé de l’Épée à l’époque de la Révolution française, est celui de la communication avec les aveugles ou les sourds au moyen de nouvelles formes de langage utilisant les mains. La stratégie de lecture inventée en France par Louis Braille pose un problème difficile dans la mesure où elle exige une sensibilité et une précision extrêmes du bout des doigts pour distinguer la répartition de points en relief et transformer un code spatial en informations douées de sens. Dans certains cas de cécité précoce, les techniques d’imagerie cérébrale révèlent une extension significative du cortex pariétal somato-sensoriel de l’hémisphère gauche, après un an d’entrainement intensif au braille42. Cette aire est concernée en particulier par la perception tactile de l’espace. La trace est stable et persiste pendant plusieurs années. Mais l’imagerie cérébrale fonctionnelle révèle également un phénomène très inattendu : une forte activation des aires visuelles primaires et secondaires du cortex occipital, dont on sait qu’elles sont spécialisées dans la vision chez les sujets voyants. C’est un bel exemple de plasticité cérébrale. À la suite de l’acquisition du braille, les aires visuelles des sujets aveugles deviennent donc capables de recevoir et de traiter des informations tactiles ! De plus, la Stimulation Magnétique Transcrânienne (SMT), nouvelle technique utilisée pour inactiver de façon réversible des aires délimitées du cortex, perturbe considérablement la lecture en braille quand on l’applique au niveau du cortex somato-sensoriel et aussi au niveau du cortex visuel strié chez le malvoyant43. Le modèle le plus plausible, sinon le seul, pour rendre compte de ces résultats remarquables, pose qu’à la naissance des connexions fonctionnelles existent déjà entre les cortex somato-sensoriel et visuel ainsi qu’entre le thalamus non visuel et le thalamus visuel. L’apprentissage du braille aurait pour effet de sélectionner mais aussi d’amplifier par bourgeonnement les branchements terminaux des axones de ces voies préexistantes au bénéfice de la lecture tactile.

« À la suite de l’acquisition du braille, les aires visuelles des sujets aveugles deviennent capables de recevoir et de traiter des informations tactiles ! »

Cette analyse ne met pas fin au débat entre nature et culture ou inné/acquis, mais elle le replace dans une perspective nouvelle. On ne peut plus désormais parler d’inné et d’acquis sans prendre en compte à la fois les données du génome, leur mode d’expression au cours du développement, l’évolution épigénétique de la connectivité sous ses aspects anatomiques, physiologiques et comportementaux. Cela remet en cause (a) des formulations excessives qui ont un impact social très fort : comme les « gènes de telle ou telle capacité, aptitude ou trait de personnalité » ou (b) au contraire, la conception erronée, incomplète, de « la nature strictement constructive du développement mental ». Dans le premier cas, on omet l’épigenèse, dans le second, la génétique.

4 Cerveau, culture, environnement social et éducation

Le développement du cerveau humain se caractérise fondamentalement par cette « ouverture de l’enveloppe génétique » à la variabilité épigénétique et à l’évolution par sélection, celles-ci étant rendues possibles par l’incorporation dans le développement synaptique d’une composante aléatoire au sein des enchainements de croissance synaptique en cascade qui vont des débuts de l’embryogenèse jusqu’à la puberté. De plus, l’épigenèse rend possible le développement de la culture, sa diversification, sa transmission et son évolution.

Une bonne éducation devrait tendre à accorder ces schémas de développement avec le matériel pédagogique approprié que l’enfant doit apprendre et expérimenter. Petit à petit se met en place ce que le sociologue Pierre Bourdieu appelait l’« habitus » de chaque individu, qui varie avec l’environnement social et culturel, mais aussi avec l’histoire particulière de chacun. Le caractère unique de chaque personne se construit ainsi comme une synthèse singulière de son héritage génétique, des conditions de son développement et de son expérience personnelle dans l’environnement social et culturel qui lui est propre. La durée exceptionnellement longue de l’évolution épigénétique dont dispose le cerveau humain a permis une « incorporation » dans le cerveau de caractéristiques du monde extérieur sous forme de « savoirs épigénétiques », dont les savoirs scolaires. Inversement, c’est aussi ce qui a rendu possible la production d’une mémoire culturelle qui ne dépende pas directement des limites intrinsèques du cerveau humain et qui puisse être transmise de manière épigénétique au niveau du groupe social. Reste à comprendre comment il est possible qu’une recherche de « vérités universelles » ait pu voir le jour en dépit de la multiplicité des expériences et de la diversité des cultures. Cela renvoie aux invariants cognitifs du cerveau.

L’épigenèse connexionnelle crée un « medium » de stabilité intermédiaire entre (a) les gènes, dont la mutabilité s’exprime à travers les générations et (b) l’espace conscient du cerveau dont la fugacité et la versatilité se manifestent dans les temps psychologiques. L’évolution jointe de ces deux dispositions a conduit à l’apparition de la pensée consciente et des transformations qu’elle suscite tant sur les conduites humaines que sur l’environnement terrestre dans lequel nos ancêtres ont évolué et nous évoluons. Un va-et-vient entre inné et acquis, une coévolution entre les gènes et les produits de l’activité cérébrale, a sans doute dû être sélectionné du fait du pouvoir d’exploration-expansion considérable qu’elle confère à l’espèce humaine tant par la démultiplication des fonctions cérébrales à connaitre le monde que par sa capacité à agir sur celui-ci. Les mécanismes mis en jeu par cette évolution sociogénétique sont encore mal connus. Reste que la différenciation des aires et voies du langage, de l’espace de travail neuronal conscient et des réseaux de la théorie de l’esprit (comprendre et imaginer le point de vue d’autrui) a enrichi les fonctions cérébrales de dimensions nouvelles en apportant une « solidarité » de la réflexion et de l’action au niveau du groupe social. Somme toute, quelques changements essentiellement quantitatifs dans le génome et le phénotype connexionnel cérébral ont pu suffire pour déterminer une évolution que l’on peut juger comme qualitativement nouvelle des fonctions du cerveau de l’Homme.

IV. De la matière à la pensée consciente

Les éléments constitutifs du cerveau, les neurones, leurs connexions, les signaux qu’ils produisent et propagent, leur plasticité, de même que l’architecture et la dynamique évolutive de ces composants dans un système ouvert et motivé, devraient pouvoir être décrits, en dernière analyse, en termes moléculaires44. Autrement dit, le langage de la physique et de la chimie, dans lequel le philosophe des sciences allemand Rudolf Carnap voyait « le langage universel de la science » pourrait suffire pour décrire les fonctions supérieures du cerveau et en particulier celles qui permettent de rendre compte de l’acquisition des connaissances. À la condition, comme le soulignait déjà Diderot, que leur organisation soit prise en compte explicitement dans cette description. C’est peut-être une des propriétés les plus caractéristiques de la matière que de s’organiser de façon spontanée en assemblages à la fois multiples et définis, pour devenir, étape après étape, une « matière pensante », selon le terme de Voltaire.

La théorie de l’évolution permet, me semble-t-il, de répondre au paradoxe souvent soulevé par la capacité que possède notre cerveau de pouvoir comprendre le monde. Einstein, comme encore nombre de physiciens, trouvait « mystérieux » le simple fait que le monde soit compréhensible par l’Homme, que celui-ci soit capable d’en connaitre les lois. En fait, la problématique doit être posée en sens inverse. Il s’agit de comprendre la dynamique bien terre à terre qui, au cours de l’évolution des espèces, a permis au cerveau des espèces qui nous ont précédés d’explorer le monde de manière à la fois plus vaste et plus précise jusqu’à l’exploration du cerveau de l’Homme lui-même. Au niveau le plus élémentaire, l’organisme unicellulaire, comme la bactérie ou la paramécie, est une « structure dissipative » (système qui évolue dans un environnement avec lequel il échange de l’énergie ou de la matière) qui maintient sa forme et se reproduit. L’éminent zoologiste anglais John Zachary Young (1964), poursuivant la réflexion du physiologiste français Claude Bernard, avait déjà suggéré que les organismes vivants sont des « homéostats » (l’homéostasie étant le maintien subtil de l’équilibre interne pour la survie de l’organisme45). Pour cela, selon Young, les organismes vivants doivent contenir une « représentation » de l’environnement, appropriée à leur survie. Au niveau de la cellule, il s’agira des structures moléculaires nécessaires à la capture et au métabolisme des substances chimiques élémentaires présentes dans l’environnement. Avec les organismes supérieurs, multicellulaires, se différencie un organe spécialisé dans la régulation des fonctions internes de l’organisme, dans la représentation du monde extérieur et dans leur « accord » mutuel : c’est le système nerveux.

Avec l’évolution, l’organisation du système nerveux devient de plus en plus complexe, sur les modes à la fois hiérarchique et parallèle. Ses capacités d’exploration et de représentation évoluent également et s’élargissent de l’environnement physique et biologique à l’environnement social et culturel. En parallèle, la plasticité du réseau et ses capacités d’apprentissage augmentent. Le monde que se représente la mouche diffère de celui de la souris, du singe et de l’Homme. Les dispositions innées s’enrichissent désormais d’une flexibilité qui démultiplie les capacités du cerveau à comprendre le monde et celles de l’Homme à agir sur celui-ci, à créer une culture, à la propager et à la transmettre d’une génération à la suivante, notamment, pour les professeurs des écoles de chaque pays, en apprenant à leurs élèves à lire, écrire, compter et penser ou raisonner. Ainsi se diversifient au sein de populations humaines des « individus » d’expérience et de culture différentes.

« Avec l’évolution, l’organisation du système nerveux devient de plus en plus complexe, sur les modes à la fois hiérarchique et parallèle. Ses capacités d’exploration et de représentation évoluent également et s’élargissent de l’environnement physique et biologique à l’environnement social et culturel. »

Zoom sur…

La beauté dans le cerveau : musique, peinture et circuits « neuroculturels »

Aujourd’hui, l’éducation artistique et culturelle est encouragée à l’école, de la maternelle au lycée, par les textes officiels. Mais, dans la réalité, les parents sont quelquefois surpris que le cours de dessin de leur enfant soit supprimé ou réduit à une portion congrue. Le français et les maths dominent… Tout se passe comme si l’art et la beauté étaient une variable d’ajustement dans l’agenda scolaire. Or ils sont essentiels au cerveau. La neuroscience de l’Art46 révèle aujourd’hui que la contemplation d’un dessin ou d’une peinture par l’œil et l’écoute de la musique par l’oreille correspondent à des phénomènes physico-chimiques : des communications moléculaires via des protéines spéciales (dites « allostériques ») dans nos récepteurs sensoriels rétiniens ou auditifs. Cette physicochimie déclenche de véritables trains d’impulsions nerveuses qui se propagent, de manière ascendante, jusqu’au cortex cérébral où s’opère un travail d’analyse, puis de resynthèse ultime de l’œuvre. En outre, on sait aujourd’hui que les motifs d’activation des neurones dans le cortex visuel ressemblent aux motifs géométriques des images observées (via la rétinotopie47), parfois de façon quasi mimétique, et il en est de même pour le cortex auditif avec les sons (via la tonotopie48). Ainsi, des traces de l’environnement, en l’occurrence artistique et culturel, s’impriment quasi directement (via les molécules et impulsions nerveuses) dans le cerveau des enfants !

Dans un second temps, la « vérité » de l’œuvre s’enrichit, pour chacun, de l’accès conscient au sens et à la mémoire. Plus précisément, je fais l’hypothèse d’un espace de travail neuronal global49, terme qui désigne ici la synchronisation de l’activité de plusieurs aires cérébrales sollicitées par la contemplation d’une œuvre d’art – des aires visuelles ou auditives, mais aussi d’autres zones impliquées dans le raisonnement, le souvenir et l’émotion. Sous la supervision de la partie antérieure du cerveau, le cortex préfrontal, cette synchronisation aurait pour effet de mêler émotion et raison, une alchimie neuronale qui serait à la base du sentiment du beau. Cette synthèse répond à trois critères cognitifs : (a) la nouveauté associée à la surprise, (b) l’équilibre entre les parties et le tout – la cohérence ou consensus partium – et (c) la parcimonie. Rare est leur conjonction. La dernière, la parcimonie, est commune à la science et à l’art. En effet, la beauté d’une proposition scientifique tient au fait qu’elle explique beaucoup à partir de peu. De même, lorsque Rembrandt pose la touche de blanc qui illumine un regard ou que Matisse, ou Picasso, réalise un portrait ressemblant d’un simple trait continu, c’est de la parcimonie.

L’éducation en famille ou à l’école doit dès lors veiller à exposer en priorité le cerveau des enfants à la beauté, par la découverte assidue et approfondie des œuvres les plus riches et par la créativité de chacun car l’exploration incessante de l’environnement conduit à la sélection progressive50 de « circuits neuroculturels » propres à chaque individu.

Dans la Philosophie zoologique de 1809, Lamarck distinguait déjà « une faculté singulière dont certains animaux et l’Homme même sont doués », qu’il nommait « sentiment intérieur ». Ses propriétés et ses fonctions sont celles que l’on attribue à l’espace conscient : ce nouveau monde intérieur de la subjectivité et des représentations qui y sont associées. En dépit de la singularité du monde intérieur de chaque « personne », le cerveau produit aussi des connaissances, élabore une pensée « universelle », telle la science, qui se communique au niveau de la société par le langage. Il crée aussi l’Art et perçoit, même produit, la beauté51.

Conclusion

Les fonctions cérébrales d’abord consacrées à la survie de l’individu s’étendent à celle du groupe social, avec un souci d’« exactitude » dans la représentation du monde qui va croissant. L’évolution culturelle, qui a pris le relais de l’évolution biologique, engendre finalement en son sein l’Art, la philosophie, la pensée scientifique et la recherche de la vérité, devenues cruciales pour les sociétés contemporaines. Dès lors, le « mystère » de la capacité du cerveau à comprendre le monde et à le maitriser (Einstein) est à rechercher non pas au niveau d’une quelconque instance « supérieure », mais au niveau très concret de ses origines biologiques, de son évolution et de son activité d’exploration, avec les erreurs mais aussi les succès que nous connaissons.

Enfin, avec les acquis d’un savoir scientifique universel, l’Homme devrait s’engager à utiliser les facultés créatrices qu’il possède dans son cerveau pour donner du sens à ce qui en demande le plus : l’Homme lui-même. Il lui revient, de toute urgence, d’inventer un « modèle éthique » qui tranche avec les violences, les intolérances et les crimes de notre passé culturel, et assure plus efficacement la survie et le « bien-vivre » de l’humanité. C’est dès l’école, par le vivre ensemble et l’apprentissage du respect d’autrui, que l’épigenèse du cerveau doit y être éveillée. Les neurones sont autant sociaux que cognitifs.

Les Essentiels

🡲 Dans le cerveau humain, on rencontre environ 80 milliards de neurones (entre 86 et 100 milliards selon les estimations) et 1 million de milliards de synapses ou connexions. Il existe une grande variabilité parmi les cellules nerveuses de notre cerveau aussi bien qu’entre cerveaux d’individus différents. Neurones et fibres nerveuses possèdent la propriété exceptionnelle de produire des signaux électriques et chimiques et de réagir à ces signaux.

🡲 Une caractéristique fondamentale du cerveau est son activité spontanée. On peut en rendre compte par des mécanismes physico-chimiques au niveau moléculaire. Une autre caractéristique est sa plasticité, terme qui désigne la capacité générale du neurone et de ses synapses (ainsi que des réseaux de neurones) à changer de propriétés en fonction de leur état d’activité. Cette propriété fondamentale va à l’encontre de l’impression naïve selon laquelle le cerveau serait une sorte d’automate rigide, constitué exclusivement de « roues et engrenages », fixés d’avance.

🡲 Le cerveau est continuellement ouvert à l’environnement tant physique et social que culturel, et motivé pour l’explorer, le tester et se saisir des réponses (feedback) pour les confronter (test) à ce qu’il possède déjà en mémoire.

🡲 Au cours du développement, dans l’épigenèse (au-dessus de ou après la naissance), l’apprentissage neuronal se fait par (a) la croissance, quelque peu au hasard des contacts entre neurones, (b) l’exubérance transitoire et (c) la sélection de distributions (ou géométries) particulières de contacts synaptiques. C’est le darwinisme neuronal.

🡲 À la différence du schéma du « tout génétique » (où le cerveau serait la réalisation d’un patrimoine génétique strictement prédéterminé), le modèle épigénétique actuel du cerveau montre, au contraire, que les connexions entre neurones se mettent en place progressivement avec une importante marge de variabilité et sont sujettes à une sélection par le jeu d’essais et d’erreurs dans l’environnement. Apprendre, c’est éliminer. D’où le grand rôle de l’éducation et de l’expérience individuelle ou sociale, en famille, puis à l’école.

1. Changeux J.-P., L’Homme neuronal, Fayard, 1983 ; Changeux J.-P. et al., L’homme neuronal, trente ans après, Éditions Rue d’Ulm, 2016.

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23. Hasnain M. et al. (1998). Intersubject variability of functional areas in the human visual cortex. Human Brain Mapping, 6, 301-315.

24. Kee D. et al. (1998). Multi task analysis of cerebral hemisphere specialization in monozygotic twins discordant for handedness.Neuropsychology, 12, 468-478 ; Steinmetz H. et al. (1995). Brain asymmetry in monozygotic twins. Cerebral Cortex, 5, 296-300 ; Traino M. et al. (1998). Brain size, head size and intelligence quotient in monzygotic twins. Neurobiology, 50, 1246-1252.

25. Changeux J.-P., Courrèges P., Danchin A. (1973). A theory of the epigenesis of neural networks by selective stabilisation of synapses. PNAS, 70, 2974-2978 ; voir aussi Ibid., Changeux, 1983 et 2003.

26. Ibid., Changeux, 1983.

27. Houdé O. (2000). Inhibition and cognitive development: Object, number, categorization, and reasoning. Cognitive Development, 15, 63-73 ; Apprendre à resister, Le Pommier, 2017 ; et chapitre 4 de cet ouvrage.

28. Prochiantz A., Qu’est-ce que le vivant ?, Le Seuil, 2012.

29. Marler P., Peters S. (1982). Developmental overproduction and selective attrition: New process in the epigenesis of bird song.