Développement Cérébral : Neuroscience de l'Apprentissage

Jusqu'à présent, cette leçon s'est concentrée sur le fonctionnement du SNC mature. Cependant, de nombreux éducateurs travaillent avec des enfants d'âge préscolaire, des enfants et des adolescents. Le sujet du développement cérébral est intéressant non seulement en soi, mais aussi parce que les implications pédagogiques pour l'enseignement et l'apprentissage varient en fonction du niveau de développement cérébral. Dans le scénario d'ouverture, Bryan souligne l'importance pour les éducateurs de comprendre le développement cérébral. Cette section traite des facteurs influençant le développement, du cours du développement, des périodes critiques du développement et du rôle du développement dans l'acquisition et l'utilisation du langage.

Bien que les cerveaux humains soient structurellement similaires, il existe des différences entre les individus. Cinq influences sur le développement du cerveau sont la génétique, la stimulation environnementale, la nutrition, les stéroïdes et les tératogènes (Byrnes, 2001).

Génétique

Le cerveau humain diffère en taille et en composition de ceux des autres animaux. Bien que la différence entre le génome humain et celui de notre plus proche parent animal (le chimpanzé) ne soit que de 1,23 % (Lemonick & Dorfman, 2006), cette différence et d'autres variations génétiques produisent une espèce capable de concevoir et de construire des ponts, de composer de la musique, d'écrire des romans, de résoudre des équations complexes, etc.

Les cerveaux humains ont une structure génétique similaire, mais ils diffèrent néanmoins en taille et en structure. Des études sur des jumeaux monozygotes (un seul ovule) montrent qu'ils développent parfois des cerveaux structurellement différents (Byrnes, 2001). Les instructions génétiques déterminent la taille, la structure et la connectivité neuronale du cerveau. La plupart du temps, ces différences produisent des cerveaux fonctionnant normalement, mais la recherche sur le cerveau continue d'identifier comment certaines différences génétiques produisent des anomalies.

Facteurs affectant le développement du cerveau :

• Génétique
• Stimulation environnementale
• Nutrition
• Stéroïdes
• Tératogènes

Stimulation Environnementale

Le développement du cerveau nécessite une stimulation de l'environnement. Le développement prénatal prépare le terrain à l'apprentissage en développant un circuit neuronal capable de recevoir et de traiter les stimuli et les expériences. Ces expériences façonnent davantage le circuit en ajoutant et en réorganisant les synapses. Par exemple, les femmes enceintes qui parlent et chantent à leurs bébés peuvent, grâce à leur parole et à leur chant, aider à établir des connexions neuronales chez les bébés (Wolfe, 2001). Le développement du cerveau est retardé lorsque les expériences sont manquantes ou minimales. Bien qu'il existe certaines périodes critiques où la stimulation peut avoir des effets profonds (Jensen, 2005), la recherche suggère que la stimulation est importante pendant toute la durée de vie pour assurer le développement continu du cerveau.

Nutrition

Le manque de bonne nutrition peut avoir des effets majeurs sur le développement du cerveau, et les effets particuliers dépendent du moment où la mauvaise nutrition se produit (Byrnes, 2001). La malnutrition prénatale, par exemple, ralentit la production et la croissance des neurones et des cellules gliales. Une période critique se situe entre le 4e et le 7e mois de gestation, lorsque la plupart des cellules cérébrales sont produites (Jensen, 2005). Une malnutrition ultérieure ralentit la vitesse à laquelle les cellules augmentent de taille et acquièrent une gaine de myéline. Bien que ce dernier problème puisse être corrigé avec un régime alimentaire approprié, le premier ne le peut pas car trop peu de cellules se sont développées. C'est pourquoi il est conseillé aux femmes enceintes d'éviter les drogues, l'alcool et le tabac ; de maintenir une bonne alimentation ; et d'éviter le stress (le stress cause également des problèmes pour un fœtus en développement).

Stéroïdes

Les stéroïdes font référence à une classe d'hormones qui affectent plusieurs fonctions, notamment le développement sexuel et les réactions au stress (Byrnes, 2001). Les stéroïdes peuvent affecter le développement du cerveau de diverses manières. Le cerveau possède des récepteurs pour les hormones. Des hormones telles que l'œstrogène et le cortisol seront absorbées et modifieront potentiellement la structure du cerveau pendant le développement prénatal. Un excès d'hormones de stress peut entraîner la mort des neurones. Les chercheurs ont également exploré si les différences de genre et de préférence sexuelle surviennent en partie en raison de différences dans les stéroïdes. Bien que les preuves du rôle des stéroïdes dans le développement du cerveau soient moins concluantes que celles concernant la nutrition, les stéroïdes ont le potentiel d'affecter le cerveau.

Tératogènes

Les tératogènes sont des substances étrangères (par exemple, l'alcool, les virus) qui peuvent provoquer des anomalies chez un embryon ou un fœtus en développement (Byrnes, 2001). Une substance n'est considérée comme un tératogène que si la recherche montre qu'un niveau pas irréaliste élevé peut affecter le développement du cerveau. Par exemple, la caféine en petites quantités peut ne pas être un tératogène, mais elle peut le devenir lorsque l'apport est plus élevé. Les tératogènes peuvent avoir des effets sur le développement et les interconnexions des neurones et des cellules gliales. Dans les cas extrêmes (par exemple, le virus de la rubéole), ils peuvent provoquer des malformations congénitales.

Pendant le développement prénatal, le cerveau croît en taille et en structure, ainsi qu'en nombre de neurones, de cellules gliales et de connexions neuronales (synapses). Le développement prénatal du cerveau est rapide, car il se produit en neuf mois et la plupart des cellules sont produites entre les mois 4 et 7 (Jensen, 2005). Les cellules remontent le tube neural, migrent vers diverses parties du cerveau et forment des connexions. On estime qu'à son apogée, l'embryon génère un quart de million de cellules cérébrales par minute.

À la naissance, le cerveau compte plus d'un million de connexions, ce qui représente environ 60 % du nombre maximal de synapses qui se développeront au cours de la vie (Jensen, 2005). Compte tenu de ces chiffres, il n'est pas étonnant que le développement prénatal soit si important. Les changements qui se produisent alors peuvent avoir des effets considérables et permanents.

Le développement du cerveau se produit également rapidement chez les nourrissons. À l'âge de 2 ans, un enfant aura autant de synapses qu'un adulte, et à l'âge de 3 ans, l'enfant en aura des milliards de plus qu'un adulte. Le cerveau des jeunes enfants est dense et possède de nombreuses connexions neuronales complexes, plus qu'à tout autre moment de la vie (Trawick-Smith, 2003).

En fait, les jeunes enfants ont trop de synapses. Environ 60 % de l'énergie des bébés est utilisée par leur cerveau ; en comparaison, le cerveau des adultes n'en nécessite que 20 à 25 % (Brunton, 2007). Avec le développement, les enfants et les adolescents perdent beaucoup plus de synapses cérébrales qu'ils n'en gagnent. À l'âge de 18 ans, les adolescents ont perdu environ la moitié de leurs synapses infantiles. Les connexions cérébrales qui ne sont pas utilisées ou nécessaires disparaissent tout simplement. Cette stratégie du « s'en servir ou le perdre » est souhaitable, car les connexions qui sont utilisées seront renforcées et consolidées, tandis que celles qui ne sont pas utilisées seront définitivement perdues.

À l'âge de 5 ans, le cerveau de l'enfant a acquis une langue et développé des compétences sensori-motrices et d'autres compétences. Les changements rapides des premières années ont ralenti, mais le cerveau continue d'ajouter des synapses. Les réseaux neuronaux deviennent plus complexes dans leurs liaisons. Ce processus se poursuit tout au long du développement.

Comme l'a souligné Bryan dans la vignette d'ouverture, des changements majeurs se produisent pendant l'adolescence, lorsque le cerveau subit des altérations structurelles (Jensen, 2005). Les lobes frontaux, qui gèrent le raisonnement abstrait et la résolution de problèmes, arrivent à maturité, et les lobes pariétaux augmentent de taille. Le cortex préfrontal, qui contrôle les jugements et les impulsions, arrive lentement à maturité (Shute, 2009). Il y a également des changements dans les neurotransmetteurs — en particulier la dopamine — qui peuvent rendre le cerveau plus sensible aux effets agréables des drogues et de l'alcool. Il y a un épaississement des cellules cérébrales et des réorganisations massives des synapses, ce qui en fait une période clé pour l'apprentissage. La stratégie du « s'en servir ou le perdre » renforce les régions du cerveau par la pratique (par exemple, la pratique du piano épaissit les neurones dans la région du cerveau qui contrôle les doigts) (Wallis, 2004).

Compte tenu de ces changements généralisés dans leur cerveau, il n'est pas surprenant que les adolescents prennent souvent de mauvaises décisions et adoptent des comportements à haut risque impliquant des drogues, de l'alcool et du sexe. Les stratégies d'enseignement doivent tenir compte de ces changements.

De nombreux ouvrages sur l'éducation des enfants soulignent que les deux premières années de la vie représentent une période critique, de sorte que si certaines expériences ne se produisent pas, le développement de l'enfant en souffrira de manière permanente. Il y a une part de vérité dans cette affirmation, bien qu'elle soit exagérée. Cinq aspects du développement cérébral pour lesquels il semble y avoir des périodes critiques sont le langage, les émotions, le développement sensori-moteur, le développement auditif et la vision. Le langage et les émotions sont abordés ailleurs dans ce chapitre ; les trois autres sont traités ensuite.

Développement Sensori-Moteur

Les systèmes associés à la vision, à l'ouïe et aux mouvements moteurs se développent considérablement grâce aux expériences vécues au cours des deux premières années de la vie. Le système vestibulaire de l'oreille interne influence les sens du mouvement et de l'équilibre et affecte d'autres systèmes sensoriels. Il est prouvé qu'une stimulation vestibulaire inadéquate chez les nourrissons et les jeunes enfants peut entraîner des problèmes d'apprentissage ultérieurs (Jensen, 2005).

Aspects du développement cérébral ayant des périodes critiques.

• Sensori-moteur
• Auditif
• Visuel
• Émotionnel
• Langage

Trop souvent, cependant, les nourrissons et les jeunes enfants ne se trouvent pas dans des environnements stimulants, en particulier les enfants qui passent beaucoup de temps dans des garderies qui offrent principalement des soins. De nombreux enfants ne reçoivent pas non plus une stimulation suffisante en dehors de ces contextes, car ils passent trop de temps dans des sièges d'auto, des marchettes ou devant des téléviseurs. Permettre aux jeunes de bouger et même de les bercer procure une stimulation. Environ 60 % des nourrissons et des jeunes enfants passent en moyenne une à deux heures par jour à regarder la télévision ou des vidéos (Courage & Setliff, 2009). Bien que les jeunes enfants puissent apprendre grâce à ces médias, ils ne le font pas facilement. La compréhension et l'apprentissage des enfants sont améliorés lorsque les parents regardent avec eux et fournissent des descriptions et des explications (Courage & Setliff, 2009).

Développement Auditif

Les deux premières années de l'enfant sont essentielles pour le développement auditif. Dès l'âge de 6 mois, les nourrissons peuvent distinguer la plupart des sons de leur environnement (Jensen, 2005). Au cours des deux premières années, les systèmes auditifs des enfants mûrissent en termes de gamme de sons entendus et de capacité à distinguer les sons. Les problèmes de développement auditif peuvent entraîner des problèmes d'apprentissage du langage, car une grande partie de l'acquisition du langage dépend de l'écoute par les enfants de la parole des autres dans leur environnement.

Vision

La vision se développe en grande partie au cours de la première année de la vie, et surtout après le quatrième mois. La densité synaptique dans le système visuel augmente considérablement, y compris les connexions neuronales régulant la perception de la couleur, de la profondeur, du mouvement et de la teinte. Un bon développement visuel nécessite un environnement visuellement riche où les nourrissons peuvent explorer les objets et les mouvements. La télévision et les films sont de mauvais substituts. Bien qu'ils offrent de la couleur et du mouvement, ils sont bidimensionnels et le cerveau en développement a besoin de profondeur. L'action montrée à la télévision et dans les films se produit souvent trop rapidement pour que les nourrissons puissent se concentrer correctement (Jensen, 2005).

En bref, les deux premières années de la vie sont essentielles pour le bon développement des systèmes sensori-moteur, visuel et auditif, et le développement de ces systèmes est favorisé lorsque les nourrissons se trouvent dans un environnement riche qui leur permet de faire l'expérience de mouvements, de vues et de sons. Dans le même temps, le développement du cerveau est un processus qui dure toute la vie ; les cerveaux ont besoin de stimulation après l'âge de 2 ans. Le cerveau ajoute, supprime et réorganise continuellement les connexions synaptiques et se modifie structurellement. Bien que les chercheurs aient montré que certains aspects du développement cérébral se produisent plus rapidement à certains moments, les individus de tous âges bénéficient d'environnements stimulants.

Précédemment, nous avons vu comment certaines fonctions associées au langage opèrent dans le cerveau. Bien que les chercheurs aient exploré les processus cérébraux avec différents types de contenu impliquant diverses capacités mentales, une abondance de recherches a été menée sur l'acquisition et l'utilisation du langage. C'est un aspect clé du développement cognitif et qui a de profondes implications pour l'apprentissage.

Comme noté précédemment, une grande partie de la recherche cérébrale sur le langage a été menée sur des personnes ayant subi une lésion cérébrale et ayant éprouvé un certain degré de perte de langage. Ces recherches sont informatives sur les fonctions qui sont affectées par une lésion à des zones cérébrales particulières, mais ces investigations de recherche ne traitent pas de l'acquisition et de l'utilisation du langage dans le cerveau en développement des enfants.

Les études cérébrales sur les enfants en développement, bien que moins fréquentes, ont offert des aperçus importants sur le développement des fonctions linguistiques. Les études ont souvent comparé des enfants au développement normal avec ceux qui ont des difficultés d'apprentissage à l'école. Au lieu des techniques chirurgicales souvent utilisées sur des patients cérébro-lésés ou décédés, ces études utilisent des techniques moins invasives telles que celles décrites précédemment dans ce chapitre. Les chercheurs mesurent souvent les potentiels évoqués événementiels, qui sont des changements dans les ondes cérébrales qui se produisent lorsque les individus anticipent ou s'engagent dans diverses tâches (Halliday, 1998).

Les différences dans les potentiels évoqués événementiels différencient de manière fiable les enfants en dessous de la moyenne, dans la moyenne et au-dessus de la moyenne (Molfese et al., 2006). Les enfants qui se développent normalement montrent une activation corticale bilatérale et antérieure (frontale) étendue et des activations accentuées du côté gauche dans les zones du langage et de la parole. Contrairement au maintien de la lecture, il semble que le développement de la lecture dépende également de l'activation antérieure, peut-être des deux côtés du cerveau (Vellutino & Denckla, 1996). D'autres recherches montrent que les enfants en développement qui connaissent un dysfonctionnement du côté gauche compensent apparemment dans une certaine mesure en apprenant à lire en utilisant l'hémisphère droit. L'hémisphère droit peut être en mesure de soutenir et de maintenir un niveau de lecture adéquat, mais il semble essentiel que cette transition se produise avant le développement de la compétence linguistique. Une telle prise en charge des fonctions linguistiques par l'hémisphère droit peut ne pas se produire chez les individus qui ont subi des dommages à l'hémisphère gauche à l'âge adulte. Une période critique dans le développement du langage semble se situer entre la naissance et l'âge de 5 ans. Pendant cette période, le cerveau des enfants développe la plupart de leurs capacités linguistiques. Il y a une augmentation rapide du vocabulaire entre les âges de 19 et 31 mois (Jensen, 2005). Le développement de ces capacités linguistiques est amélioré lorsque les enfants se trouvent dans des environnements riches en langage où les parents et autres personnes parlent avec les enfants. Cette période critique pour le développement du langage chevauche la période critique du développement auditif entre la naissance et l'âge de 2 ans.

En plus de cette période critique, le développement du langage semble également faire partie d'un processus naturel avec un calendrier. Nous avons vu comment les systèmes auditif et visuel développent des capacités pour fournir l'entrée pour le développement du langage. Un processus parallèle peut se produire dans le développement du langage pour la capacité de percevoir les phonèmes, qui sont les plus petites unités de sons de la parole (par exemple, les sons « b » et « p » dans « bet » et « pet »). Les enfants apprennent ou acquièrent des phonèmes lorsqu'ils y sont exposés dans leur environnement ; si les phonèmes sont absents dans leur environnement, alors les enfants ne les acquièrent pas. Ainsi, il peut y avoir une période critique dans laquelle les connexions synaptiques se forment correctement, mais seulement si l'environnement fournit les entrées. En bref, le cerveau des enfants peut être « prêt » (« précâblé ») à apprendre divers aspects du langage à différents moments, conformément à leurs niveaux de développement cérébral (National Research Council, 2000).

Il est important pour l'éducation que l'instruction puisse aider à faciliter le développement du langage. Différentes zones du cerveau doivent travailler ensemble pour apprendre le langage, telles que les zones impliquées dans la vision, l'ouïe, la parole et la pensée (Byrnes, 2001 ; National Research Council, 2000). L'acquisition et l'utilisation du langage sont une activité coordonnée. Les gens écoutent des discours et lisent des textes, réfléchissent à ce qui a été dit ou à ce qu'ils ont lu, et composent des phrases pour écrire ou parler. Cette activité coordonnée implique que le développement du langage devrait bénéficier d'une instruction qui coordonne ces fonctions, c'est-à-dire des expériences qui nécessitent la vision, l'ouïe, la parole et la pensée.

En résumé, différentes zones du cerveau participent au développement du langage chez les enfants au développement normal, bien que les contributions de l'hémisphère gauche soient généralement plus importantes que celles de l'hémisphère droit. Au fil du temps, les fonctions linguistiques sont fortement subsumées par l'hémisphère gauche. En particulier, la compétence en lecture semble nécessiter le contrôle de l'hémisphère gauche. Mais davantage de recherches sont nécessaires avant que nous comprenions pleinement les relations entre les fonctions cérébrales et le développement des compétences linguistiques et de lecture.

Comme d'autres aspects du développement cérébral, l'acquisition du langage reflète l'interaction entre l'hérédité et l'environnement. Les expériences culturelles des nourrissons et des enfants détermineront dans une large mesure les synapses cérébrales qu'ils conservent. Si la culture met l'accent sur les fonctions motrices, alors celles-ci devraient être renforcées ; tandis que si la culture met l'accent sur les processus cognitifs, alors ceux-ci augmenteront. Si les jeunes enfants sont exposés à un environnement linguistique riche qui met l'accent sur la langue orale et écrite, alors leur acquisition du langage se développera plus rapidement que les capacités linguistiques des enfants dans les environnements défavorisés.

L'implication pour faciliter le développement précoce du cerveau est de fournir des expériences riches aux nourrissons et aux jeunes enfants, en mettant l'accent sur les fonctions perceptuelles, motrices et linguistiques. Ceci est particulièrement critique dans les premières années de la vie. Ces expériences devraient améliorer la formation de connexions et de réseaux synaptiques. Il existe également des preuves que les bébés qui ont souffert in utero (par exemple, de l'abus de drogues ou d'alcool par leur mère), ainsi que ceux qui ont des troubles du développement (par exemple, retard mental, autisme), bénéficient d'une intervention précoce au cours des trois premières années (Shore, 1997).

Faciliter le développement du langage

Bien que la période de la naissance à l'âge de 5 ans représente une période critique pour le développement du langage, l'acquisition et l'utilisation du langage sont des activités qui durent toute la vie. Les enseignants peuvent travailler avec des élèves de tous âges pour les aider à développer leurs compétences linguistiques. Il est important que l'instruction coordonne les fonctions linguistiques composantes de la vision, de l'ouïe, de la pensée et de la parole.

Une enseignante de maternelle travaille régulièrement avec ses élèves sur l'apprentissage des phonèmes. Pour aider à développer la reconnaissance des phonèmes dans les mots « __at » (par exemple, mat, hat, pat, cat, sat), elle a chacun de ces mots imprimés sur un grand morceau de carton. Le phonème est imprimé en rouge et le « chat » apparaît en noir. Elle donne aux élèves de la pratique en tenant une carte, en leur demandant de dire le mot, puis en demandant à des élèves individuels d'utiliser le mot dans une phrase.

Kathy Stone enseigne à ses élèves les noms et l'orthographe des animaux. Elle a une image de chaque animal et son nom imprimé sur un tableau d'affichage, ainsi que deux ou trois faits intéressants sur l'animal (par exemple, où il vit, ce qu'il mange). Elle demande aux enfants de prononcer le nom de l'animal plusieurs fois et de l'épeler à voix haute, puis d'écrire une courte phrase en utilisant le mot. Ceci est particulièrement utile pour les noms d'animaux qui sont difficiles à prononcer ou à épeler (par exemple, girafe, hippopotame).

Une enseignante de mathématiques du premier cycle travaille avec ses élèves sur la valeur de position. Certains élèves ont beaucoup de difficultés et ne peuvent pas ordonner correctement les nombres du plus petit au plus grand (par exemple, .007, 7/100, sept dixièmes, 7). L'enseignante a trois grandes droites numériques magnétiques, chacune allant de 0 à 1 et divisée en unités de dixièmes, de centièmes et de millièmes. Elle a demandé aux élèves de mettre une barre magnétique sur la droite numérique appropriée (par exemple, mettre la barre sur le 7 de la ligne des centièmes pour 7/100). Ensuite, elle a divisé les élèves en petits groupes et leur a donné des problèmes, et leur a demandé d'utiliser des droites numériques ou des diagrammes circulaires pour montrer où les nombres se situaient afin qu'ils puissent les ordonner correctement. Ensuite, elle a travaillé avec eux pour convertir tous les nombres en un dénominateur commun (par exemple, 7/10 = 70/100) et pour placer les marqueurs sur le même tableau (par exemple, les millièmes) afin qu'ils puissent voir l'ordre correct.

Les élèves de la classe de Jim Marshall découvrent les documents historiques clés de l'histoire des États-Unis (par exemple, la Déclaration d'indépendance, la Constitution, la Déclaration des droits). Pour faire appel à plusieurs sens, Jim a apporté en classe des copies fac-similés de ces documents. Ensuite, il a demandé aux élèves de jouer des rôles où ils lisaient des extraits des documents. On a appris aux élèves à mettre l'accent aux endroits appropriés lors de la lecture pour rendre ces passages particulièrement distinctifs.

De nombreux élèves de la classe de psychologie de l'éducation de Gina Brown ont de la difficulté à comprendre et à utiliser correctement les termes psychologiques (par exemple, assimilation, satiation, zone de développement proximal). Dans la mesure du possible, elle obtient des films qui démontrent ces concepts (par exemple, un enfant à qui on administre des tâches piagétiennes). Pour d'autres, elle utilise des sites Web avec des études de cas que les élèves lisent et auxquelles ils répondent, après quoi ils discutent en classe de la façon dont ce concept entre en jeu. Par exemple, dans une étude de cas, un élève est félicité à plusieurs reprises par un enseignant. Finalement, l'élève est saturé d'éloges et dit à l'enseignant qu'il n'a pas toujours à lui dire qu'il a si bien réussi.