Apprendre à apprendre. Leçon 4 : comment le cerveau apprend-il ?

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 Par ElenaXLII

P1011356.JPGQue signifie le fait d’apprendre, au niveau de notre cerveau ? A quel moment de la vie commence l’apprentissage (le bébé est-il une « page blanche ») ? Quels sont les mécanismes qui façonnent le cerveau au long de notre existence, y compris dans la petite enfance, l’enfance et l’adolescence ? Au delà : peut-on apprendre toute la vie durant ? Au fil de ce billet, nous vous invitons à découvrir ces aspects du fonctionnement de nos cellules grises (et blanches)…


Qu’est-ce que cela signifie, « apprendre » ?

Commençons par une expérience pratique, approche « la main à la pâte » oblige.

Expérience pratique :
rat-maze-cheeseDemandez à un membre de la famille ou un ami d’être votre complice, ou plutôt votre « souris de laboratoire ». Dessinez un labyrinthe sur un morceau de carton (une vieille boîte en carton fera l’affaire). Pas besoin de produire quelque chose de compliqué : pensez surtout à pouvoir le découper. Couvrez les yeux à votre complice et placez-le en face du labyrinthe, un doigt sur le point de départ : il devra suivre le labyrinthe avec son doigt vers la sortie.

stardrawingSi vous préférez utiliser un paradigme expérimental généralement utilisé avec les humains, et non chez le rat, voilà une alternative :
• dessinez une étoile avec deux traits de contours
• placez-la sur la table, face à un miroir
• prenez une boîte à chaussures et coupez les côtés longs. Vous obtiendrez un pont sous lequel le dessin et votre main pourront se glisser.
• Une fois assis devant le miroir, vous ne verrez ni l’étoile ni votre main qui dessine directement, mais seulement leur reflet dans le miroir.
• La tâche consiste à tracer la forme de l’étoile, en regardant dans le miroir et en restant toujours entre les deux lignes qui composent le contour.
• A la fin de la tâche vous avez juste besoin de compter le nombre d’erreurs commises, c’est-à-dire le nombre de fois que vous avez quitté la bonne piste et vous avez croisé les lignes vers l’extérieur ou vers l’intérieur.
• Notez dans  un graphique le nombre de tentatives (sur l’axe horizontal des x : Essai 1, 2, 3, 4, …) et le nombre d’erreurs (sur l’axe vertical des y: 10, 7, 5, ça dépend de vous …).
• Essayez de tester différentes situations. Qu’est-ce qui se passe si vous recommencez la tâche après une pause ? Le lendemain ? Après une sieste ? Pendant une semaine consécutive ?

image-06-largeApprendre à dessiner une étoile lorsque l’information visuelle est inversée est une typique tâche d’apprentissage moteur. Le type de mémoire impliquée est celle procédurale. Mais cet exercice nous a surtout servi à introduire un concept fondamental: on apprend toute la vie, avec un peu d’effort, des exercices répétés et dans certaines conditions mieux que dans d’autres – le tout est de les identifier.


Le cerveau : une machine à apprendre, même avant la naissance

Presque toutes les cellules nerveuses (neurones) qui composent le cerveau adulte, mature, sont formées avant la naissance, avant même le septième mois de grossesse.

fig-2-plusieurs-neuronesLe cerveau se développe à travers deux sortes d’influences : celle des gènes (qui programment pour toute notre espèce la maturation progressive de ses fonctions, y compris celles de l’auto-modification, de l’apprentissage et des compétences héritables des parents) et celle de l’environnement (chimique c’est à dire des substances entourant le fœtus mais aussi présentes dans les cellules de celui-ci ; physiques, c’est à dire les stimuli sonores, lumineux, etc.).

L’environnement module constamment l’expression des gènes et le développement des compétences que le cerveau est prêt à mettre en place (mais qui n’existeraient pas sans les stimuli appropriés).
Par exemple, les capacités visuelles sont présentes dès la naissance, et les nouveau-nés sont déjà en mesure de reconnaître des formes visuelles telles que des triangles et des cercles (qu’ils n’ont certainement pas vu auparavant). Cette capacité est innée et ne nécessite pas l’exposition à des stimuli visuels particuliers : elle est déjà dans le « programme » de notre espèce. En revanche, d’autres aptitudes visuelles liées l’utilisation conjointe des deux yeux se mettent en place par l’exposition à l’environnement extérieur et à ses stimuli visuels. _mrp4414Si un œil est couvert à la naissance et pendant une période donnée de l’enfance, le cerveau estime qu’il est difficile d’analyser les stimuli combinés des deux yeux, et ce même une fois que le couvercle a été retiré. Bien sûr, ce genre d’expérience n’a pas été menée sur des humains, mais il existe des preuves de l’impact de ce genre de privation sensorielle chez l’homme, en raison de maladies telles que la cataracte et le strabisme du nouveau-né.


Différents mécanismes façonnent le cerveau dans la petite enfance

Scissure_de_SylviusPendant les premières années de la vie, le cerveau a un degré particulièrement élevé de plasticité dite structurelle. Sa forme générale est déterminée avant la naissance, les sillons qui forment le cortex cérébral sont déjà établis, les neurones déjà tous en place, et les grandes connexions entre les neurones déjà établies et opérationnelles. Il reste à perfectionner le réseau complexe de connexions entre les neurones voisins. Nous pouvons imaginer chaque connexion comme un lien d’une page Web à une autre. Les pages sont reliées entre elles grâce à des « liens » et forment ainsi une sorte de structure virtuelle, un complexe d’information organisée qui peut être facilement activé en passant d’un lien vers un autre. pommeLes pages « pomme », par exemple nous amènent à voyager via les neurones spécialisés dans le traitement de l’information de goût, ceux spécialisés pour reconnaître les formes, les couleurs, les sons (le « croc » de la pomme, mais aussi le son du mot « pomme »), et encore d’autres neurones de types variés, liés à notre vécu impliquant des pommes, stocké dans notre mémoire.

Si ces expériences sont répétées, les liens sont renforcés, ils deviennent plus denses. Dans le cerveau, les liens sont constitués de synapses : des espaces de communication entre les neurones à travers lesquels passent des produits chimiques, les neurotransmetteurs, qui fonctionnent comme lien entre un neurone et une autre.

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Au cours de la petite enfance, au fil de la rencontre avec un monde nouveau à découvrir, de nombreuses connexions de cette sorte sont formées. Certaines sont éphémères. Le cerveau – à ce stade en particulier – ne garde pas toutes les informations reçues, mais seulement les plus importantes. Tout serait déroutant autrement ! Pour le cerveau, le signe de l’importante d’une information est le fait qu’elle se répète.

hebbian_learning_cells_fire_together_wire_together_6_cm_round_magnet-r00157715807a48ceb1cc7399cb58c7f8_x7qgl_1024Ceci est également valable pour les associations entre les informations et donc entre les « pages » de notre cerveau. Plus l’association est répétée, plus le lien devient stable. Si elle n’est pas répétée au contraire, le lien s’affaiblit voire est supprimé.
Dans le cerveau du bébé, on assiste à la multiplication et à la sélection des synapses sur la base d’un type d’apprentissage statistique, en fonction de la fréquence de certaines associations et des informations reçues. Les stimuli présents dans un environnement normal sont suffisants pour fournir au cerveau les statistiques requises pour sa construction. En revanche, il est important de veiller  à ce que certains types de stimuli soient présents : par exemple, il est important que le bébé / l’enfant interagissent avec l’environnement social. Même si on ne connaît pas encore leurs causes exactes, on constate malheureusement des différences cognitives entre les enfants élevés dans des contextes socio-économiques difficiles, avec peu de stimulation, et les enfants élevés dans des environnements qui ne posent pas de ce genre de difficultés.

1779360Quoi qu’il en soit, ceci encourage à mettre en place des programmes de stimulation cognitive pour les enfants qui sont à risque de ne pas êtres assez stimulés à la maison. Non pas parce que après la petite enfance le cerveau cesse d’apprendre, mais parce qu’en agissant dès cette période, on espère prévenir des difficultés susceptibles de créer un « effet boule de neige ». L’enfant qui entre à l’école avec des difficultés liées à un déficit de connaissances et de compétences en comparaison de ses camarades est très susceptible de voir ce fossé se creuser, simplement parce qu’avoir des connaissances aide à en acquérir de nouvelles.
Cependant, il est également prouvé que l’exposition à un environnement cognitivement stimulant ne doit pas cesser après la petite enfance : les avantages de l’intelligence disparaissent lorsque la « température ambiante » redevient cognitivement « pauvre ».


D’autres mécanismes permettre de continuer à apprendre durant toute la vie

aaronpareckiA la fin de la première enfance, le cerveau a toute sa structure et les liens en sont sein sont également établis. Dorénavant, ce qui continue à changer est leur force. Imaginez un réseau routier: certaines routes ne se croisent presque jamais, d’autres sont traversées par un trafic dense. Ces dernières sont celles qui voient se multiplier les interventions de renforcement, qui facilitent la circulation et la rendent plus rapide.

Dans le cerveau, ceci se traduit par différents processus et mécanismes qui rendent les communications au niveau de certaines synapses plus efficaces. En parallèle, la communication entre les neurones devient globalement plus rapide et fiable grâce au fait que – autour des fibres qui relient les neurones entre eux – mature une gaine de matière grasse, la myéline, qui isole les fibres (comme la gaine de plastique qui isole les fils électriques dans nos maisons. Ceci rend moins probable la dispersion du signal. Dans le cerveau, la myéline est de plus organisée en paquets, et le signal passant par les fibres nerveuses saute d’un paquet  à un autre lieu de traverser tout le« câble ».

En deux mots, le cerveau continue à mûrir selon un plan pré-programmé (myélinisation), et l’efficacité de transmission entre nos neurones continue à varier en fonction de nos expériences.

Ces expériences sont intégrées par différents processus : l’extraction d’associations statistiquement fréquentes mentionnées plus haut, mais aussi d’autres mécanismes comme l’inférence des causes étant donné les effets observés, l’analogie à ce que nous savons déjà, l’imposition d’idées spontanées sur les phénomènes observés. L’enfant apprend « en faisant ». Mais l’enfant et l’adulte apprennent aussi en observant les autres, en interagissant avec eux, en posant des questions, en les écoutant et en les imitant. Les mécanismes de l’apprentissage individuel et social sont combinés au cours d’une vie et nous permettent de nous adapter à différents environnements, changements, nouveautés.


L’adolescence, une période de turbulence cérébrale

https://embed-ssl.ted.com/talks/sarah_jayne_blakemore_the_mysterious_workings_of_the_adolescent_brain.html

Il existe une période particulière de la vie où le cerveau, en un sens, « redevient enfant »: l’adolescence. A ce moment comme au cours de la petite enfance, on assiste à la formation de nouvelles connexions et à la sélection / élimination de celles qui ne sont pas utilisées. Les changements concernent en particulier les régions frontales du cerveau. Ces dernières et notamment les zones préfrontales du cerveau sont essentielles pour planifier nos actions, résister à des impulsions et des tentations, penser et traiter l’information en la gardant active pendant un court laps de temps  (mémoire à court terme), combiner la raison et l’émotion. L’adolescent vit dans un sens une seconde enfance.

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Les conséquences de cette « tempête du préfrontal » sont nombreuses : sur les compétences de contrôle cognitif et émotionnel (qui diminuent temporairement), sur celles d’anticipation et de prise de risques (avec une plus grande tendance à prendre des risques), mais aussi sur  l’apprentissage (en en particulier l’apprentissage social, fondé sur l’interaction avec les autres).

Au cours de l’adolescence s’achève le processus de myélinisation  du cortex du cerveau, y compris des régions frontales, les plus lentes à mûrir. Le processus prend jusqu’à la moitié de la deuxième décennie de la vie, et donc dans un sens, les adolescents vivent de difficiles années jusqu’à 25 ans. La myélinisation rend plus efficace la communication entre régions préfrontales, et également entre elles et d’autres parties du cerveau (telles que celles impliquées dans les réactions émotionnelles les plus profondes). En parallèle cependant, la myélinisation diminue également la capacité du cerveau à produire de nouvelles synapses, de sorte que sa plasticité structurelle diminue.

Chez l’adulte, nous savons que de nouveaux neurones peuvent se développer au niveau de régions extrêmement limitées du cerveau (le bulbe olfactif et l’hippocampe, une structure bilatérale et profonde qui est impliquée dans la formation de la mémoire à long terme et dans les capacités spatiales). Nous savons aussi que le cerveau réagit à des pratiques d’apprentissage intensives (comme l’apprentissage d’un instrument de musique), en reconfigurant en partie son organisation locale. Il a été observé – dans les cas des pianistes et des violonistes – que les régions du cerveau qui guident le mouvement des doigts ont tendance à être plus étendues que chez les non-musiciens. Cette extension se fait au détriment des régions voisines, et non pas par l’ajout de nouveaux neurones. Cependant, le principal mécanisme d’apprentissage au cours de l’âge adulte reste le renforcement des synapses les plus utilisés.


Le cerveau est pas une page blanche, jamais !

https://embed-ssl.ted.com/talks/alison_gopnik_what_do_babies_think.html

Avant de discuter certains aspects de l’impact des technologies numériques sur le cerveau et l’apprentissage, nous allons réfléchir sur une considération. Disposer d’une variété de mécanismes permettant de modifier notre cerveau (l’apprentissage) ne signifie pas que ce dernier est une page vierge à la naissance, sur lequel tout est à écrire. Ou que le cerveau se limite à recevoir et à avaler passivement un flux d’informations.

71629-62007Le cerveau vient au monde avec des prédispositions, des tendances qui guident l’apprentissage, structurent l’information qui atteint le cerveau, et ceci –  dans une large mesure – de façon prévisible.
Le cerveau d’un bébé de quelques mois a des « préconceptions » sur la façon dont se comporte un objet inanimé par rapport à  un être animé, et le bébé exprime ses attentes par rapport à son environnement, qui se traduisent par des réactions de surprise si certains de ces « préjugés » ne sont pas reflétés dans les faits. En chacun de nous se trouve un scientifique en herbe qui fait des hypothèses, les met à l’épreuve de l’expérience et fait les mises à jour nécessaires sur la base de ce qu’il trouve le plus régulièrement.
Cet aspect du fonctionnement du cerveau a des corollaires importants. Le premier est que tout n’est pas possible pour notre cerveau – que dire qu’il est « plastique » ne veut pas dire qu’il est « infiniment plastique ».  Le cerveau est, comme tous nos organes, le produit de la sélection naturelle qui en a établi capacités et limites. Par conséquent, malgré la diversité des milieux et des stimuli auxquels le cerveau humain est soumis aux quatre coins de la terre, les sciences cognitives ont montré que les principes et les fonctions du fonctionnement de notre cerveau sont universels : la même mémoire de travail, les mêmes mécanismes d’apprentissage, la même sensibilité à certains stimuli plus significatifs que d’autres, les mêmes illusions et biais cognitifs. Notre cerveau nous rend en même temps tous pareils  – en ce qui concerne les capacités cognitives générales et leurs limites – et tous différents grâce à la variété de nos expériences personnelles.


Au prochain épisode…

architecturesdistribueesA présent que nous avons une image de mécanismes d’apprentissage différents par lesquels le cerveau répond à de nouvelles expériences et des besoins dans la vie, ses possibilités et ses limites, nous allons nous poser des questions relatives à une classe particulière d’expériences : celles qui ont lieu avec la médiation des appareils numériques.

Est-ce qu’on apprend mieux avec ou sans technologies numériques ? Est-ce que les technologies numériques vont nous rendre plus intelligents ? Que vont-elles changer pour notre cerveau et celui de nos enfants et les adolescents ? Il est bien difficile de répondre à ces questions, trop vastes, et trop générales. Mais nous pourrons au moins donner quelques éléments de réflexion.

Rendez-vous au prochain billet !

Entretemps, quelques lectures et des vidéos pour aller plus loin!


A bientôt sur [Lab]map.
Restez Curieux.

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