Organisation et Structures Neurales (Neurosciences de l'Apprentissage)

Le système nerveux central (SNC) est composé du cerveau et de la moelle épinière et constitue le principal mécanisme de contrôle du corps pour le comportement volontaire (par exemple, penser, agir). Le système nerveux autonome (SNA) régule les activités involontaires, telles que celles impliquées dans la digestion, la respiration et la circulation sanguine. Ces systèmes ne sont pas totalement indépendants. Les gens peuvent, par exemple, apprendre à contrôler leur fréquence cardiaque, ce qui signifie qu'ils contrôlent volontairement une activité involontaire.

La moelle épinière mesure environ 18 pouces de long et la largeur d'un index. Elle s'étend de la base du cerveau au milieu du dos. Elle est essentiellement une extension du cerveau. Sa fonction principale est de transporter les signaux vers et depuis le cerveau, ce qui en fait le messager central entre le cerveau et le reste du corps. Sa voie ascendante transporte les signaux des parties du corps vers le cerveau, et sa voie descendante transporte les messages du cerveau vers la structure corporelle appropriée (par exemple, pour provoquer un mouvement). La moelle épinière est également impliquée dans certaines réactions indépendamment du cerveau (par exemple, le réflexe rotulien). Les lésions de la moelle épinière, par exemple à la suite d'un accident, peuvent entraîner des symptômes allant de l'engourdissement à la paralysie totale (Jensen, 2005 ; Wolfe, 2001).

Le SNC est composé de milliards de cellules dans le cerveau et la moelle épinière. Il existe deux principaux types de cellules : les neurones et les cellules gliales. Une représentation de l'organisation neuronale est présentée ci-dessous :

Neurones

Le cerveau et la moelle épinière contiennent environ 100 milliards de neurones qui envoient et reçoivent des informations à travers les muscles et les organes (Wolfe, 2001). La plupart des neurones du corps se trouvent dans le SNC. Les neurones sont différents des autres cellules du corps (par exemple, la peau, le sang) de deux manières importantes. Premièrement, la plupart des cellules du corps se régénèrent régulièrement. Ce renouvellement continu est souhaitable ; par exemple, lorsque nous nous coupons, de nouvelles cellules se régénèrent pour remplacer celles qui ont été endommagées. Mais les neurones ne se régénèrent pas de la même manière. Les cellules du cerveau et de la moelle épinière détruites par un accident vasculaire cérébral, une maladie ou un accident peuvent être définitivement perdues. Sur une note positive, cependant, il existe des preuves que les neurones peuvent montrer une certaine régénération (Kempermann & Gage, 1999), bien que l'ampleur de ce phénomène et le processus par lequel il se produit ne soient pas bien compris.

Les neurones sont également différents des autres cellules du corps car ils communiquent entre eux—au moyen de signaux électriques et de réactions chimiques. Ils sont donc organisés différemment des autres cellules du corps. Cette organisation est décrite plus loin dans cette section.

Cellules gliales

Le deuxième type de cellule dans le SNC est la cellule gliale. Les cellules gliales sont beaucoup plus nombreuses que les neurones. Elles peuvent être considérées comme des cellules de soutien puisqu'elles soutiennent le travail des neurones. Elles ne transmettent pas de signaux comme les neurones, mais elles aident au processus.

Les cellules gliales remplissent de nombreuses fonctions. L'une des clés est de s'assurer que les neurones fonctionnent dans un bon environnement. Les cellules gliales aident à éliminer les produits chimiques qui peuvent interférer avec le fonctionnement des neurones. Les cellules gliales éliminent également les cellules cérébrales mortes. Une autre fonction importante est que les cellules gliales déposent de la myéline, une enveloppe semblable à une gaine autour des axones qui aide à transmettre les signaux cérébraux (expliqué dans la section suivante). Les cellules gliales semblent également jouer des rôles clés dans le développement du cerveau fœtal (Wolfe, 2001). Ainsi, les cellules gliales travaillent de concert avec les neurones pour assurer un fonctionnement efficace du SNC.

Synapses

Chaque neurone est composé d'un corps cellulaire, de milliers de courtes dendrites et d'un axone. Une dendrite est un tissu allongé qui reçoit des informations d'autres cellules. Un axone est un long fil de tissu qui envoie des messages à d'autres cellules. La gaine de myéline entoure l'axone et facilite le déplacement des signaux.

Chaque axone se termine par une structure ramifiée. Les extrémités de ces structures ramifiées se connectent aux extrémités des dendrites. Cette connexion est connue sous le nom de synapse. La structure interconnectée est la clé de la communication des neurones, car les messages sont transmis entre les neurones au niveau des synapses.

Le processus par lequel les neurones communiquent est complexe. À l'extrémité de chaque axone se trouvent des neurotransmetteurs chimiques. Ils ne touchent pas tout à fait les dendrites d'une autre cellule. L'écart est appelé l'écart synaptique. Lorsque les signaux électriques et chimiques atteignent un niveau suffisamment élevé, les neurotransmetteurs sont libérés dans l'écart. Les neurotransmetteurs activeront ou inhiberont une réaction dans la dendrite contactée. Ainsi, le processus commence comme une réaction électrique dans le neurone et l'axone, se transforme en une réaction chimique dans l'écart, puis se reconvertit en une réponse électrique dans la dendrite. Ce processus se poursuit de neurone en neurone à la vitesse de l'éclair. Comme nous le verrons plus loin dans ce chapitre, le rôle des neurotransmetteurs dans l'écart synaptique est essentiel pour l'apprentissage. D'un point de vue neuroscientifique, l'apprentissage est un changement dans la réceptivité des cellules provoqué par des connexions neuronales formées, renforcées et connectées à d'autres par l'utilisation (Jensen, 2005 ; Wolfe, 2001).

Le cerveau humain adulte (cerveau) pèse environ trois livres et a à peu près la taille d'un cantaloup ou d'un gros pamplemousse (Tolson, 2006 ; Wolfe, 2001). Sa texture extérieure présente une série de plis et est d'apparence ridée, ressemblant à un chou-fleur. Sa composition est principalement de l'eau (78 %), le reste étant constitué de graisses et de protéines. Sa texture est généralement molle. Les principales structures cérébrales impliquées dans l'apprentissage sont illustrées à la Figure 2.2 (Byrnes, 2001 ; Jensen, 2005 ; Wolfe, 2001) et décrites ci-dessous.

Cortex cérébral

Le cortex cérébral recouvre le cerveau. Il s'agit d'une fine couche d'environ l'épaisseur d'une peau d'orange (moins de 1/4 de pouce). Le cortex cérébral est la « matière grise » ridée du cerveau. Les rides permettent au cortex cérébral d'avoir une plus grande surface, ce qui permet d'avoir plus de neurones et de connexions neuronales. Le cortex cérébral a deux hémisphères (droit et gauche), chacun ayant quatre lobes (occipital, pariétal, temporal et frontal). Le cortex est la zone centrale impliquée dans l'apprentissage, la mémoire et le traitement de l'information sensorielle.

Tronc cérébral et formation réticulée

À la base du cerveau se trouve le tronc cérébral. Le tronc cérébral gère les fonctions du SNA (involontaires) par le biais de sa formation réticulée, qui est un réseau de neurones et de fibres qui régule le contrôle des fonctions corporelles de base telles que la respiration, le rythme cardiaque, la pression artérielle, le mouvement des globes oculaires, la salivation et le goût. La formation réticulée est également impliquée dans les niveaux de conscience (p. ex., sommeil, éveil). Par exemple, lorsque vous entrez dans une pièce calme et sombre, la formation réticulée diminue l'activation du cerveau et vous permet de dormir. La formation réticulée aide également à contrôler les entrées sensorielles. Bien que nous soyons constamment bombardés de multiples stimuli, la formation réticulée nous permet de nous concentrer sur les stimuli pertinents. Ceci est essentiel pour l'attention et la perception (Chapitre 5), qui sont des composantes clés du système de traitement de l'information humaine. Enfin, la formation réticulée produit de nombreux messagers chimiques pour le cerveau.

Cervelet

Le cervelet à l'arrière du cerveau régule l'équilibre du corps, le contrôle musculaire, le mouvement et la posture du corps. Bien que ces activités soient en grande partie sous contrôle conscient (et donc du domaine du cortex), le cortex ne dispose pas de tout l'équipement nécessaire pour les réguler. Il travaille de concert avec le cervelet pour coordonner les mouvements. Le cervelet est la clé de l'acquisition d'habiletés motrices. Avec la pratique, de nombreuses habiletés motrices deviennent automatiques (p. ex., jouer du piano, conduire une voiture). Cette automaticité se produit parce que le cervelet prend en charge une grande partie du contrôle, ce qui permet au cortex de se concentrer sur les activités nécessitant une conscience (p. ex., penser, résoudre des problèmes).

Thalamus et hypothalamus

Au-dessus du tronc cérébral se trouvent deux structures de la taille d'une noix : le thalamus et l'hypothalamus. Le thalamus agit comme un pont en envoyant les entrées des organes sensoriels (à l'exception de l'odorat) au cortex. L'hypothalamus fait partie du SNA. Il contrôle les fonctions corporelles nécessaires au maintien de l'homéostasie, comme la température corporelle, le sommeil, l'eau et la nourriture. L'hypothalamus est également responsable de l'augmentation du rythme cardiaque et de la respiration lorsque nous avons peur ou que nous sommes stressés.

Amygdale

L'amygdale est impliquée dans le contrôle des émotions et de l'agression. Les entrées sensorielles entrantes (à l'exception de l'odorat, qui se rend directement au cortex) vont au thalamus, qui à son tour relaie l'information à la zone appropriée du cortex et à l'amygdale. La fonction de l'amygdale est d'évaluer le caractère nuisible des entrées sensorielles. Si elle reconnaît un stimulus potentiellement nocif, elle signale à l'hypothalamus, qui crée les changements émotionnels notés ci-dessus (p. ex., augmentation du rythme cardiaque et de la pression artérielle).

Hippocampe

L'hippocampe est la structure cérébrale responsable de la mémoire du passé immédiat. Quelle est la durée du passé immédiat ? Comme nous le verrons au chapitre 5, il n'y a pas de critère objectif pour ce qui constitue la mémoire immédiate et la mémoire à long terme (permanente). Apparemment, l'hippocampe aide à établir l'information dans la mémoire à long terme (qui réside dans le cortex), mais maintient son rôle dans l'activation de cette information au besoin. Ainsi, l'hippocampe peut être impliqué dans la mémoire active (de travail) actuelle. Une fois que l'information est entièrement encodée dans la mémoire à long terme, l'hippocampe peut renoncer à son rôle.

Corps calleux

Une bande de fibres connue sous le nom de corps calleux longe le cerveau (cerveau) de l'avant vers l'arrière. Il divise le cerveau en deux moitiés, ou hémisphères, et les relie pour le traitement neuronal. Ceci est essentiel, car une grande partie du traitement mental se produit à plus d'un endroit dans le cerveau et implique souvent les deux hémisphères.

Lobe occipital

Les lobes occipitaux du cerveau sont principalement concernés par le traitement de l'information visuelle. Le lobe occipital est également connu sous le nom de cortex visuel. Rappelons que les stimuli visuels sont d'abord reçus par le thalamus, qui envoie ensuite ces signaux aux lobes occipitaux. De nombreuses fonctions se produisent ici qui impliquent la détermination du mouvement, de la couleur, de la profondeur, de la distance et d'autres caractéristiques visuelles. Une fois ces déterminations effectuées, les stimuli visuels sont comparés à ce qui est stocké en mémoire pour déterminer la reconnaissance (perception). Ainsi, un objet qui correspond à un motif stocké est reconnu. Lorsqu'il n'y a pas de correspondance, un nouveau stimulus est encodé en mémoire. Le cortex visuel doit communiquer avec d'autres systèmes cérébraux pour déterminer si un stimulus visuel correspond à un motif stocké (Gazzaniga, Ivry, & Mangun, 1998). L'importance du traitement visuel dans l'apprentissage est soulignée dans la vignette d'ouverture de Joe.

Les gens peuvent facilement contrôler leur perception visuelle en se forçant à porter attention à certaines caractéristiques de l'environnement et à en ignorer d'autres. Par exemple, si nous recherchons un ami dans une foule, nous pouvons ignorer des milliers de stimuli visuels et nous concentrer uniquement sur les stimuli (p. ex., les traits du visage) qui nous aideront à déterminer si notre ami est présent. Les enseignants utilisent cette idée en demandant aux élèves de porter attention aux affichages visuels et en les informant des objectifs de la leçon au début de la leçon.

Lobe pariétal

Les lobes pariétaux au sommet du cerveau dans le cerveau sont responsables du sens du toucher, et ils aident à déterminer la position du corps et à intégrer l'information visuelle. Les lobes pariétaux ont des sections antérieure (avant) et postérieure (arrière). La partie antérieure reçoit de l'information du corps concernant le toucher, la température, la position du corps et les sensations de douleur et de pression (Wolfe, 2001). Chaque partie du corps a certaines zones dans la partie antérieure qui reçoivent son information et rendent l'identification précise.

La partie postérieure intègre l'information tactile pour fournir une conscience spatiale du corps, ou savoir où se trouvent les parties de votre corps en tout temps. Les lobes pariétaux peuvent également augmenter ou diminuer l'attention portée à diverses parties du corps. Par exemple, une douleur à la jambe sera reçue et identifiée par le lobe pariétal, mais si vous regardez un film agréable et que vous y portez une attention particulière, vous pouvez « oublier » la douleur à votre jambe.

Lobe temporal

Les lobes temporaux, situés sur le côté du cerveau, sont responsables du traitement de l'information auditive. Lorsqu'une entrée auditive est reçue, comme une voix ou un autre son, cette information est traitée et transmise à la mémoire auditive pour déterminer la reconnaissance. Cette reconnaissance peut alors mener à une action. Par exemple, lorsqu'un enseignant dit aux élèves de ranger leurs livres et de s'aligner à la porte, cette information auditive est traitée et reconnue, puis mène à l'action appropriée.

Située à l'intersection des lobes occipitaux, pariétaux et temporaux dans l'hémisphère gauche du cortex se trouve l'aire de Wernicke, qui nous permet de comprendre la parole et d'utiliser une syntaxe appropriée lorsque nous parlons. Cette zone travaille en étroite collaboration avec une autre zone du lobe frontal de l'hémisphère gauche, connue sous le nom d'aire de Broca, qui est nécessaire pour parler. Bien que ces zones clés de traitement du langage soient situées dans l'hémisphère gauche (mais l'aire de Broca se trouve dans l'hémisphère droit pour certaines personnes, comme nous l'expliquerons plus tard), de nombreuses parties du cerveau travaillent ensemble pour comprendre et produire le langage. Le langage est abordé plus en profondeur plus loin dans ce chapitre.

Lobe frontal

Comme son nom l'indique, les lobes frontaux se trouvent à l'avant du cerveau. Les lobes frontaux constituent la plus grande partie du cortex. Leurs fonctions centrales sont de traiter l'information relative à la mémoire, à la planification, à la prise de décisions, à la définition d'objectifs et à la créativité. Les lobes frontaux contiennent également le cortex moteur primaire qui régule les mouvements musculaires.

On pourrait soutenir que les lobes frontaux du cerveau nous distinguent le plus clairement des animaux inférieurs et même de nos ancêtres des générations passées. Les lobes frontaux ont évolué pour assumer des fonctions toujours plus complexes. Ils nous permettent de planifier et de prendre des décisions conscientes, de résoudre des problèmes et de converser avec les autres. De plus, ces lobes nous donnent une conscience de nos processus mentaux, une forme de métacognition.

Une bande de cellules, appelée cortex moteur primaire, s'étend du haut du cerveau vers les oreilles. Cette zone est la zone qui contrôle les mouvements du corps. Ainsi, si, en dansant le « Hokey Pokey », vous pensez à « mettre votre pied droit dedans », c'est le cortex moteur qui vous dirige pour mettre votre pied droit dedans. Chaque partie du corps est cartographiée à un endroit particulier du cortex moteur, de sorte qu'un signal provenant d'une certaine partie du cortex entraîne le mouvement approprié.

Devant le cortex moteur se trouve l'aire de Broca, qui est l'endroit qui régit la production de la parole. Cette zone est située dans l'hémisphère gauche pour environ 95 % des personnes ; pour les 5 % restants (30 % des gauchers), cette zone se trouve dans l'hémisphère droit (Wolfe, 2001). Il n'est pas surprenant que cette zone soit liée à l'aire de Wernicke dans le lobe temporal gauche par des fibres nerveuses. La parole est formée dans l'aire de Wernicke, puis transférée à l'aire de Broca pour être produite (Wolfe, 2001).

La partie avant du lobe frontal, ou cortex préfrontal, est proportionnellement plus grande chez les humains que chez les autres animaux. C'est ici que se produisent les formes les plus élevées d'activité mentale (Ackerman, 1992). Le chapitre 5 explique comment les associations de traitement de l'information cognitive sont faites dans le cerveau. Le cortex préfrontal est la zone clé de ces associations, car l'information reçue des sens est liée à l'information stockée en mémoire. Bref, le siège de l'apprentissage semble être dans le cortex préfrontal. C'est également le régulateur de la conscience, nous permettant d'être conscients de ce que nous pensons, ressentons et faisons. Comme nous l'expliquerons plus loin, le cortex préfrontal semble être impliqué dans la régulation des émotions.

Le tableau « Fonctions clés des zones du cerveau » résume les fonctions clés de chacune des principales zones du cerveau (Byrnes, 2001 ; Jensen, 2005 ; Wolfe, 2001). Lorsque vous passez en revue ce tableau, gardez à l'esprit qu'aucune partie du cerveau ne fonctionne indépendamment. L'information (sous forme d'influx nerveux) est plutôt transférée rapidement entre les zones du cerveau. Bien que de nombreuses fonctions cérébrales soient localisées, différentes parties du cerveau sont impliquées même dans des tâches simples. Il est donc peu logique d'étiqueter une fonction cérébrale comme résidant dans une seule zone, comme l'a souligné Emma dans la vignette d'ouverture.

Nous en savons beaucoup plus sur le fonctionnement du cerveau aujourd'hui qu'auparavant, mais le cerveau est étudié depuis de nombreuses années. Les fonctions des hémisphères gauche et droit font l'objet d'un débat permanent. Wolfe (2001) a noté qu'environ 400 ans avant J.-C., Hippocrate parlait de la dualité du cerveau. Cowey (1998) a rapporté qu'en 1870, des chercheurs ont stimulé électriquement différentes parties du cerveau d'animaux et de soldats souffrant de blessures à la tête. Ils ont découvert que la stimulation de certaines parties du cerveau provoquait des mouvements dans différentes parties du corps. L'idée que le cerveau possède un hémisphère principal a été proposée dès 1874 (Binney & Janson, 1990).

On sait depuis de nombreuses années qu'en général, l'hémisphère gauche régit le champ visuel droit et le côté droit du corps, et que l'hémisphère droit régule le champ visuel gauche et le côté gauche du corps. Cependant, les deux hémisphères sont reliés par des faisceaux de fibres, dont le plus grand est le corps calleux. Gazzaniga, Bogen et Sperry (1962) ont démontré que le langage est largement contrôlé par l'hémisphère gauche. Ces chercheurs ont constaté que lorsque le corps calleux était sectionné, les patients qui tenaient un objet hors de leur vue dans leur main gauche affirmaient ne rien tenir. Apparemment, sans le stimulus visuel et parce que la main gauche communique avec l'hémisphère droit, lorsque cet hémisphère recevait l'information, il ne pouvait pas produire de nom (parce que le langage est localisé dans l'hémisphère gauche) et, avec un corps calleux sectionné, l'information ne pouvait pas être transférée à l'hémisphère gauche.

La recherche sur le cerveau a également identifié d'autres fonctions localisées. La pensée analytique semble être centrée dans l'hémisphère gauche, tandis que le traitement spatial, auditif, émotionnel et artistique se produit dans l'hémisphère droit (mais l'hémisphère droit traite apparemment les émotions négatives et l'hémisphère gauche traite les émotions positives ; Ornstein, 1997). La musique est mieux traitée dans l'hémisphère droit ; la directionnalité, dans l'hémisphère droit ; et la reconnaissance faciale, dans l'hémisphère gauche.

L'hémisphère droit joue également un rôle essentiel dans l'interprétation des contextes (Wolfe, 2001). Par exemple, supposons que quelqu'un entende une nouvelle et dise : « C'est génial ! » Cela pourrait signifier que la personne pense que la nouvelle est merveilleuse ou horrible. Le contexte détermine le sens correct (par exemple, si l'orateur est sincère ou sarcastique). Le contexte peut être tiré de l'intonation, des expressions faciales et des gestes des gens, et de la connaissance d'autres éléments de la situation. Il semble que l'hémisphère droit soit le principal lieu de rassemblement de l'information contextuelle afin qu'une interprétation appropriée puisse être faite.

Parce que les fonctions sont localisées dans les sections du cerveau, il a été tentant de postuler que les personnes très verbales sont dominées par leur hémisphère gauche (cerveau gauche), tandis que celles qui sont plus artistiques et émotionnelles sont contrôlées par leur hémisphère droit (cerveau droit). Mais il s'agit d'une conclusion simpliste et trompeuse, comme le réalisent maintenant les éducateurs dans le scénario d'ouverture. Bien que les hémisphères aient des fonctions localisées, ils sont également connectés et il y a beaucoup de transmission d'informations (impulsions neuronales) entre eux. Très peu de traitement mental ne se produit probablement que dans un seul hémisphère (Ornstein, 1997). De plus, on pourrait se demander quel hémisphère régit les individus qui sont à la fois très verbaux et émotionnels (par exemple, les orateurs passionnés).

Les hémisphères travaillent de concert ; l'information est disponible pour les deux en tout temps. La parole offre un bon exemple. Si vous avez une conversation avec un ami, c'est votre hémisphère gauche qui vous permet de produire la parole, mais c'est votre hémisphère droit qui fournit le contexte et vous aide à comprendre le sens.

Il y a beaucoup de débats parmi les neuroscientifiques cognitifs sur l'étendue de la latéralisation. Certains soutiennent que des fonctions cognitives spécifiques sont localisées dans des régions spécifiques du cerveau, tandis que d'autres croient que différentes régions ont la capacité d'effectuer diverses tâches (Byrnes & Fox, 1998). Ce débat est le reflet de celui qui existe en psychologie cognitive entre la vision traditionnelle selon laquelle la connaissance est codée localement et la vision du traitement distribué parallèle (voir le chapitre 5) selon laquelle la connaissance n'est pas codée en un seul endroit, mais plutôt à travers de nombreux réseaux de mémoire (Bowers, 2009).

Il existe des preuves de recherche pour étayer les deux positions. Différentes parties du cerveau ont des fonctions différentes, mais les fonctions sont rarement, voire jamais, complètement localisées dans une seule section du cerveau. Cela est particulièrement vrai pour les opérations mentales complexes, qui dépendent de plusieurs opérations mentales de base dont les fonctions peuvent être réparties dans plusieurs zones. Comme l'ont soutenu Byrnes et Fox (1998), « Presque toutes les tâches nécessitent la participation des deux hémisphères, mais les hémisphères semblent traiter certains types d'informations plus efficacement que d'autres » (p. 310). Sur le plan éducatif, par conséquent, la pratique de l'enseignement aux différents côtés du cerveau (cerveau droit, cerveau gauche) n'est pas étayée par la recherche empirique.

L'une des raisons pour lesquelles nous en savons aujourd'hui beaucoup plus sur le fonctionnement du SNC qu'auparavant est qu'il y a eu une convergence d'intérêts pour la recherche sur le cerveau parmi les personnes de différents domaines. Historiquement, les études sur le cerveau étaient menées principalement par des chercheurs en médecine, en sciences biologiques et en psychologie. Au fil des ans, des personnes d'autres domaines se sont davantage intéressées à la recherche sur le cerveau, estimant que les résultats de la recherche auraient des implications pour les développements dans leurs domaines. Aujourd'hui, nous trouvons des éducateurs, des sociologues, des travailleurs sociaux, des conseillers, des employés du gouvernement (en particulier ceux du système judiciaire) et d'autres personnes intéressées par la recherche sur le cerveau. Le financement de la recherche sur le cerveau a également augmenté, y compris par des agences qui financent principalement la recherche non liée au cerveau (par exemple, l'éducation).

Une autre raison de l'augmentation de nos connaissances est qu'il y a eu d'énormes progrès dans la technologie pour mener des recherches sur le cerveau. Il y a de nombreuses années, la seule façon de faire de la recherche sur le cerveau était de pratiquer une autopsie. Bien que l'examen du cerveau de personnes décédées ait fourni des informations utiles, ce type de recherche ne peut pas déterminer comment le cerveau fonctionne et traite l'information. Cette dernière information est nécessaire pour développer une compréhension de la façon dont le cerveau change pendant l'apprentissage et utilise l'information apprise pour produire des actions et de nouveaux apprentissages.

Les techniques qui ont fourni des informations utiles sont présentées ci-dessous et résumées dans le tableau. Elles sont classées approximativement de la moins sophistiquée à la plus sophistiquée.

Rayons X

Les rayons X sont des ondes électromagnétiques à haute fréquence qui peuvent traverser des objets non métalliques où ils sont absorbés par les structures du corps (Wolfe, 2001). Les rayons non absorbés frappent une plaque photographique. L'interprétation est basée sur les zones claires et sombres (nuances de gris). Les rayons X sont bidimensionnels et sont plus utiles pour les structures solides, comme pour déterminer si vous vous êtes cassé un os. Ils ne fonctionnent pas particulièrement bien dans le cerveau, car il est composé de tissus mous, bien que les rayons X puissent déterminer les dommages au crâne (une structure osseuse).

Tomodensitométrie

Les tomodensitométries (tomodensitométrie axiale informatisée) ont été développées au début des années 1970 pour augmenter les gradations dans les nuances de gris produites par les rayons X. Les tomodensitométries utilisent la technologie des rayons X, mais améliorent les images de deux à trois dimensions. Les tomodensitométries sont utilisées par les médecins pour étudier les tumeurs et autres anomalies, mais, comme les rayons X, elles ne fournissent pas d'informations détaillées sur le fonctionnement du cerveau.

EEG

L'EEG (électroencéphalogramme) est une méthode d'imagerie qui mesure les schémas électriques créés par les mouvements des neurones (Wolfe, 2001). Des électrodes placées sur le cuir chevelu détectent les impulsions neuronales qui traversent le crâne. La technologie EEG magnifie les signaux et les enregistre sur un moniteur ou un graphique papier (ondes cérébrales). La fréquence des ondes cérébrales (oscillations) augmente pendant l'activité mentale et diminue pendant le sommeil. Les EEG se sont avérés utiles pour imager certains types de troubles cérébraux (par exemple, l'épilepsie, le langage), ainsi que pour surveiller les troubles du sommeil (Wolfe, 2001). Les EEG fournissent des informations temporelles précieuses grâce aux potentiels évoqués (voir la section, Développement du langage), mais ils ne peuvent pas détecter le type d'informations spatiales (c'est-à-dire, où l'activité se produit) qui est nécessaire pour étudier l'apprentissage en profondeur.

TEP

Les TEP (tomographies par émission de positrons) permettent d'étudier l'activité cérébrale pendant qu'une personne effectue des tâches. La personne reçoit une petite dose de glucose radioactif, que le sang transporte jusqu'au cerveau. Pendant qu'elle est dans le scanner TEP, la personne effectue des tâches mentales. Les zones du cerveau qui sont impliquées utilisent plus de glucose et produisent des rayons gamma, qui sont détectés par l'équipement. Cela conduit à la production d'images (cartes) couleur informatisées qui montrent les zones d'activité.

Bien que les TEP représentent une avancée dans la technologie d'imagerie cérébrale, leur utilité est limitée. Étant donné que la procédure nécessite l'ingestion de matières radioactives, il y a une limite au nombre de séances que l'on peut faire et au nombre d'images qui peuvent être produites en même temps. De plus, la production des images est un processus relativement lent, de sorte que la vitesse à laquelle l'activité neuronale se produit ne peut pas être entièrement saisie. Bien que la TEP donne une bonne idée de l'activité cérébrale globale, elle ne montre pas les zones spécifiques d'activité avec suffisamment de détails (Wolfe, 2001).

IRM et IRMf

L'imagerie par résonance magnétique (IRM), et la plus récente imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), sont des techniques d'imagerie cérébrale qui résolvent les problèmes liés aux TEP. Dans une IRM, un faisceau d'ondes radio est firé au cerveau. Le cerveau est principalement constitué d'eau, qui contient des atomes d'hydrogène. Les ondes radio font en sorte que les atomes d'hydrogène produisent des signaux radio, qui sont détectés par des capteurs et cartographiés sur une image informatisée. Le niveau de détail est supérieur à celui d'une tomodensitométrie, et les IRM sont couramment utilisées pour détecter les tumeurs, les lésions et autres anomalies (Wolfe, 2001).

L'IRMf fonctionne un peu comme l'IRM, sauf que les personnes doivent effectuer des tâches mentales ou comportementales. Ce faisant, les parties du cerveau responsables firent des neurones, ce qui fait que plus de sang flow vers ces régions. La circulation sanguine modifie le champ magnétique de sorte que les signaux deviennent plus intenses. Le scanner IRMf détecte ces changements et les cartographie sur une image informatisée. Cette image peut être comparée à une image du cerveau au repos pour détecter les changements. L'IRMf peut capturer l'activité cérébrale au fur et à mesure qu'elle se produit et où elle se produit, car l'IRMf peut enregistrer quatre images par seconde et parce qu'il faut environ une demi-seconde au cerveau pour réagir à un stimulus (Wolfe, 2001). Il existe cependant une certaine disparité temporelle, car les changements de la circulation sanguine peuvent prendre plusieurs secondes (Varma, McCandliss et Schwartz, 2008).

Comparée à d'autres méthodes, l'IRMf présente de nombreux avantages. Elle ne nécessite pas l'ingestion d'une substance radioactive. Elle fonctionne rapidement et peut mesurer l'activité avec précision. Elle peut enregistrer une image du cerveau en quelques secondes, ce qui est beaucoup plus rapide que d'autres méthodes. Et l'IRMf peut être répétée sans problème.

Un problème avec les technologies cérébrales est qu'elles doivent être utilisées dans des contextes artificiels (par exemple, les laboratoires), ce qui empêche de capturer l'apprentissage dans les salles de classe actives. Ce problème peut être partiellement résolu en confiant aux participants des tâches d'apprentissage pendant les expériences cérébrales ou en les soumettant à la technologie immédiatement après qu'ils ont vécu différents contextes de classe (Varma et al., 2008). De plus, le domaine de la recherche sur le cerveau évolue rapidement et des technologies sont en cours de développement et de perfectionnement. À l'avenir, nous pouvons nous attendre à voir des techniques plus sophistiquées qui nous aideront à mieux cerner les processus cérébraux pendant l'apprentissage. Nous allons maintenant aborder la neurophysiologie de l'apprentissage, qui traite de la façon dont le cerveau fonctionne pour traiter, intégrer et utiliser l'information.