Neurophysiologie de l'apprentissage (Neuroscience de l'apprentissage)

La discussion de cette section portant sur le traitement cérébral pendant l'apprentissage utilise comme cadre de référence le modèle de traitement de l'information présenté au chapitre 5 (voir la figure 5.1). Le traitement cérébral pendant l'apprentissage est complexe, et ce qui suit ne couvre que les éléments centraux. Les lecteurs qui souhaitent des informations détaillées sur l'apprentissage et la mémoire d'un point de vue neurophysiologique sont invités à consulter d'autres sources (Byrnes, 2001 ; Jensen, 2005 ; Rose, 1998 ; Wolfe, 2001).

Le système de traitement de l'information comprend les registres sensoriels, la mémoire à court terme (MCT) ou mémoire de travail (MT), et la mémoire à long terme (MLT). Les registres sensoriels reçoivent les entrées et les retiennent pendant une fraction de seconde, après quoi l'entrée est soit rejetée, soit acheminée vers la MT. La plupart des entrées sensorielles sont rejetées, car à tout moment donné, nous sommes bombardés de multiples entrées sensorielles.

Plus tôt dans ce chapitre, nous avons vu que toutes les entrées sensorielles (à l'exception des odeurs) vont directement au thalamus, où au moins une partie est ensuite envoyée à la partie appropriée du cortex cérébral pour être traitée (par exemple, les lobes du cerveau qui traitent l'information sensorielle appropriée). Mais l'entrée n'est pas envoyée sous la même forme que celle dans laquelle elle a été reçue ; elle est plutôt envoyée comme une “perception” neuronale de cette entrée. Par exemple, un stimulus auditif reçu par le thalamus sera transformé en l'équivalent neuronal de la perception de ce stimulus. Cette perception est également responsable de l'appariement de l'information avec ce qui est déjà stocké en mémoire, un processus connu sous le nom de reconnaissance de formes. Ainsi, si le stimulus visuel est l'enseignant de la classe, la perception envoyée au cortex correspondra à la représentation stockée de l'enseignant et le stimulus sera reconnu.

Une partie de ce qui rend la perception significative est que le système réticulaire activateur du cerveau filtre l'information pour exclure l'information triviale et se concentrer sur le matériel important (Wolfe, 2001). Ce processus est adaptatif car si nous essayions de porter attention à chaque entrée, nous ne serions jamais capables de nous concentrer sur quoi que ce soit. Il existe plusieurs facteurs qui inflluent sur ce filtrage. L'importance perçue, comme les enseignants annonçant que le matériel est important (par exemple, sera testé), est susceptible d'attirer l'attention des élèves. La nouveauté attire l'attention ; le cerveau tend à se concentrer sur les entrées qui sont nouvelles ou différentes de ce à quoi on pourrait s'attendre. Un autre facteur est l'intensité ; les stimuli qui sont plus forts, plus brillants ou plus prononcés attirent davantage l'attention. Le mouvement aide également à concentrer l'attention. Bien que ces systèmes attentionnels fonctionnent en grande partie inconsciemment, il est possible d'utiliser ces idées pour aider à concentrer l'attention des élèves en classe, par exemple en utilisant des affichages visuels brillants et nouveaux.

En résumé, les entrées sensorielles sont traitées dans les portions des mémoires sensorielles du cerveau, et celles qui sont retenues assez longtemps sont transférées à la MT. La MT semble résider dans plusieurs parties du cerveau, mais principalement dans le cortex préfrontal du lobe frontal (Wolfe, 2001). Comme nous le verrons au chapitre 5, l'information est perdue de la MT en quelques secondes à moins qu'elle ne soit répétée ou transférée à la MLT. Pour que l'information soit retenue, il doit y avoir un signal neuronal pour le faire ; c'est-à-dire que l'information est jugée importante et doit être utilisée.

Les parties du cerveau principalement impliquées dans la mémoire et le traitement de l'information sont le cortex et le lobe temporal médial (Wolfe, 2001). Il semble que le cerveau traite et stocke les souvenirs dans les mêmes structures qui perçoivent et traitent initialement l'information. En même temps, les parties particulières du cerveau impliquées dans la MLT varient selon le type d'information. Une distinction est faite entre la mémoire déclarative (faits, définitions, événements) et la mémoire procédurale (procédures, stratégies). Différentes parties du cerveau sont impliquées dans l'utilisation de l'information déclarative et procédurale.

Avec l'information déclarative, les registres sensoriels dans le cortex cérébral (par exemple, visuel, auditif) reçoivent l'entrée et la transfèrent à l'hippocampe et au lobe temporal médial voisin. Les entrées sont enregistrées à peu près dans le même format qu'elles apparaissent (par exemple, comme un stimulus visuel ou auditif). L'hippocampe n'est pas le site de stockage ultime ; il agit comme un processeur et un convoyeur d'entrées. Comme nous le verrons dans la section suivante, les entrées qui se produisent plus souvent créent des connexions neuronales plus fortes. Avec de multiples activations, les souvenirs forment des réseaux neuronaux qui deviennent fortement ancrés dans les cortex frontaux et temporaux. La MLT pour l'information déclarative, par conséquent, semble résider dans les cortex frontaux et temporaux.

Une grande partie de l'information procédurale devient automatisée de sorte que les procédures peuvent être accomplies avec peu ou pas de conscience consciente (par exemple, taper, faire du vélo). L'apprentissage procédural initial implique le cortex préfrontal, le lobe pariétal et le cervelet, ce qui garantit que nous prêtons consciemment attention aux mouvements ou aux étapes et que ces mouvements ou étapes sont assemblés correctement. Avec la pratique, ces zones montrent moins d'activité et d'autres structures cérébrales, telles que le cortex moteur, deviennent plus impliquées (Wolfe, 2001).

La neuroscience cognitive soutient l'idée que l'on peut beaucoup apprendre par l'observation (Bandura, 1986). La recherche montre que les circuits corticaux impliqués dans l'exécution d'une action répondent également lorsque nous observons quelqu'un d'autre effectuer cette action (van Gog, Paas, Marcus, Ayres, & Sweller, 2009).

Avec les procédures non motrices (par exemple, décoder des mots, addition simple), le cortex visuel est fortement impliqué. La répétition peut en fait changer la structure neuronale du cortex visuel. Ces changements nous permettent de reconnaître rapidement les stimuli visuels (par exemple, les mots, les chiffres) sans avoir à traiter consciemment leur signification. En conséquence, beaucoup de ces tâches cognitives deviennent routinières. Le traitement conscient de l'information (par exemple, s'arrêter pour penser à ce que signifie le passage de lecture) nécessite une activité étendue dans d'autres parties du cerveau.

Mais que se passe-t-il si aucune signification ne peut être attachée à une entrée ? Que se passe-t-il si l'information entrante, bien que jugée importante (comme par un enseignant disant : “Portez attention”), ne peut pas être liée à quoi que ce soit dans la mémoire ? Cette situation nécessite la création d'un nouveau réseau de mémoire, comme discuté ensuite.

Avec des présentations répétées de stimuli ou d'informations, les réseaux neuronaux peuvent se renforcer de telle sorte que les réponses neuronales se produisent rapidement. D'un point de vue des neurosciences cognitives, l'apprentissage implique la formation et le renforcement des connexions et des réseaux neuronaux (connexions synaptiques). Cette définition est très similaire à la définition de l'apprentissage dans les théories actuelles du traitement de l'information (par exemple, ACT-R).

Théorie de Hebb

Le processus par lequel ces connexions et réseaux synaptiques se forment fait l'objet d'études scientifiques depuis de nombreuses années. Hebb (1949) a formulé une théorie neurophysiologique de l'apprentissage qui met en évidence le rôle de deux structures corticales : les assemblées cellulaires et les séquences de phases. Une assemblée cellulaire est une structure qui comprend des cellules dans le cortex et les centres sous-corticaux (Hilgard, 1956). Fondamentalement, une assemblée cellulaire est un équivalent neuronal d'une association simple et se forme par des stimulations fréquemment répétées. Lorsque la stimulation particulière se reproduit, l'assemblée cellulaire est excitée. Hebb pensait que lorsque l'assemblée cellulaire était excitée, cela faciliterait les réponses neuronales dans d'autres systèmes, ainsi que les réponses motrices.

Comment se forment les assemblées cellulaires ? Hebb ne pouvait que spéculer à ce sujet, car à son époque, la technologie permettant d'examiner les processus cérébraux était limitée. Hebb pensait que les stimulations répétées conduisaient à la croissance de boutons synaptiques qui augmentaient le contact entre les axones et les dendrites (Hilgard, 1956). Avec des stimulations répétées, l'assemblée cellulaire s'activerait automatiquement, ce qui faciliterait le traitement neuronal.

Une séquence de phases est une série d'assemblées cellulaires. Les assemblées cellulaires qui sont stimulées de manière répétée forment un motif ou une séquence qui impose une certaine organisation au processus. Par exemple, nous sommes exposés à de multiples stimuli visuels lorsque nous regardons le visage d'un ami. On peut imaginer de multiples assemblées cellulaires, chacune couvrant un aspect particulier du visage (par exemple, le coin gauche de l'œil gauche, le bas de l'oreille droite). En regardant de manière répétée le visage de l'ami, ces multiples assemblées cellulaires sont simultanément activées et se connectent pour former une séquence de phases coordonnée qui ordonne les parties (par exemple, pour que nous ne transposions pas le bas de l'oreille droite sur le coin gauche de l'œil gauche). La séquence de phases permet à l'ensemble coordonné d'être perçu de manière significative et consciente.

Connexions neuronales

Bien que les idées de Hebb aient plus de 60 ans, elles sont remarquablement cohérentes avec les conceptions contemporaines sur la façon dont l'apprentissage se produit et dont les souvenirs se forment. Comme nous le verrons dans la section suivante sur le développement, nous naissons avec un grand nombre de connexions neuronales (synaptiques). Nos expériences agissent ensuite sur ce système. Les connexions sont sélectionnées ou ignorées, renforcées ou perdues. De plus, des connexions peuvent être ajoutées et développées grâce à de nouvelles expériences (National Research Council, 2000).

Il est à noter que le processus de formation et de renforcement des connexions synaptiques (apprentissage) modifie la structure physique du cerveau et altère son organisation fonctionnelle (National Research Council, 2000). L'apprentissage de tâches spécifiques produit des changements localisés dans les zones du cerveau appropriées à la tâche, et ces changements imposent une nouvelle organisation au cerveau. Nous avons tendance à penser que le cerveau détermine l'apprentissage, mais en fait, il existe une relation réciproque en raison de la « neuroplasticité » du cerveau, ou de sa capacité à modifier sa structure et sa fonction à la suite de l'expérience (Begley, 2007).

Bien que la recherche sur le cerveau se poursuive sur ce sujet important, les informations disponibles indiquent que la mémoire ne se forme pas complètement au moment où l'apprentissage initial se produit. La formation de la mémoire est plutôt un processus continu dans lequel les connexions neuronales se stabilisent sur une période de temps (Wolfe, 2001). Le processus de stabilisation et de renforcement des connexions neuronales (synaptiques) est connu sous le nom de consolidation. L'hippocampe semble jouer un rôle clé dans la consolidation, malgré le fait que l'hippocampe n'est pas l'endroit où les souvenirs sont stockés.

Quels facteurs améliorent la consolidation ? Comme nous l'avons vu en détail au chapitre 5, l'organisation, la répétition et l'élaboration sont importantes car elles servent à imposer une structure. La recherche montre que le cerveau, loin d'être un récepteur et un enregistreur passif d'informations, joue un rôle actif dans le stockage et la récupération des informations (National Research Council, 2000).

En résumé, il semble que les stimuli ou les informations entrantes activent la portion appropriée du cerveau et soient encodés sous forme de connexions synaptiques. Avec la répétition, ces connexions augmentent en nombre et se renforcent, ce qui signifie qu'elles se produisent plus automatiquement et communiquent mieux entre elles. L'apprentissage modifie les régions spécifiques du cerveau impliquées dans les tâches (National Research Council, 2000). Les expériences sont essentielles à l'apprentissage, tant les expériences de l'environnement (par exemple, les stimuli visuels et auditifs) que celles de ses propres activités mentales (par exemple, les pensées).

Étant donné que le cerveau impose une certaine structure aux informations entrantes, il est important que cette structure contribue à faciliter la mémoire. Nous pourrions dire, alors, que la simple consolidation et la mémoire ne suffisent pas à garantir un apprentissage à long terme. L'enseignement devrait plutôt jouer un rôle clé en aidant à imposer une structure souhaitable à l'apprentissage, un point souligné par Emma et Claudia dans le scénario d'ouverture.

L'interaction de multiples structures cérébrales et connexions synaptiques est clairement visible dans l'apprentissage des langues et particulièrement dans la lecture. Bien que les technologies modernes permettent aux chercheurs d'étudier le fonctionnement du cerveau en temps réel lorsque les individus acquièrent et utilisent des compétences linguistiques, une grande partie de la recherche sur le cerveau concernant l'acquisition et l'utilisation du langage a été menée sur des personnes ayant subi des lésions cérébrales et ayant connu un certain degré de perte de langage. De telles recherches sont informatives sur les fonctions affectées par des lésions à des zones cérébrales particulières, mais elles ne traitent pas de l'acquisition et de l'utilisation du langage dans le cerveau en développement des enfants.

Les études sur les traumatismes cérébraux ont montré que le côté gauche du cortex cérébral est essentiel à la lecture et que les zones d'association corticales postérieures (arrière) de l'hémisphère gauche sont essentielles pour comprendre et utiliser le langage et pour une lecture normale (Vellutino & Denckla, 1996). Les dysfonctionnements de la lecture sont souvent des symptômes de lésions corticales postérieures gauches. Les autopsies de cerveaux d'adolescents et de jeunes adultes ayant des antécédents de difficultés de lecture ont montré des anomalies structurelles dans les hémisphères gauches. Les dysfonctionnements de la lecture sont également parfois associés à des lésions cérébrales dans les lobes antérieurs (frontaux) – la zone qui contrôle la parole – bien que les preuves l'associent beaucoup plus fortement à des anomalies des lobes postérieurs. Étant donné que ces résultats proviennent d'études de personnes qui savaient lire (à des degrés divers) et qui ont ensuite perdu une partie ou la totalité de cette capacité, nous pouvons conclure que les zones du cerveau principalement situées du côté gauche, associées au langage et à la parole, sont essentielles au maintien de la lecture.

Il est important de garder à l'esprit, cependant, qu'il n'y a pas une seule zone centrale du cerveau impliquée dans la lecture. Au contraire, les divers aspects de la lecture (par exemple, l'identification des lettres et des mots, la syntaxe, la sémantique) impliquent de nombreuses structures cérébrales localisées et spécialisées et des connexions synaptiques qui doivent être coordonnées pour réussir à lire (Vellutino & Denckla, 1996). La section qui suit examine comment ces interconnexions semblent se développer chez les lecteurs normaux et chez ceux qui ont des problèmes de lecture. L'idée est qu'une lecture coordonnée nécessite la formation d'assemblées neuronales, ou de collections de groupes neuronaux qui ont formé des connexions synaptiques les uns avec les autres (Byrnes, 2001). Les assemblées neuronales semblent conceptuellement proches des assemblées cellulaires et des séquences de phases de Hebb.

Les résultats de la recherche en neurosciences montrent que des régions spécifiques du cerveau sont associées au traitement orthographique, phonologique, sémantique et syntaxique nécessaire à la lecture (Byrnes, 2001). Le traitement orthographique (par exemple, les lettres, les caractères) dépend fortement de la zone visuelle primaire. Le traitement phonologique (par exemple, les phonèmes, les syllabes) est associé aux lobes temporaux supérieurs (haut). Le traitement sémantique (par exemple, les significations) est associé à l'aire de Broca dans le lobe frontal et aux zones du lobe temporal médian (milieu) de l'hémisphère gauche. Le traitement syntaxique (par exemple, la structure des phrases) semble également se produire dans l'aire de Broca.

Nous avons noté précédemment deux zones clés du cerveau impliquées dans le langage. L'aire de Broca joue un rôle majeur dans la production d'un discours grammaticalement correct. L'aire de Wernicke (située dans le lobe temporal gauche sous la scissure latérale) est essentielle pour un choix de mots et une élocution appropriés. Les personnes présentant des déficiences dans l'aire de Wernicke peuvent utiliser un mot incorrect mais proche en signification (par exemple, dire « couteau » alors que « fourchette » était prévu).

Le langage et la lecture nécessitent la coordination des différentes zones du cerveau. Une telle coordination se produit grâce à des faisceaux de fibres nerveuses qui relient les zones du langage les unes aux autres et à d'autres parties du cortex cérébral des deux côtés du cerveau (Geschwind, 1998). Le corps calleux est la plus grande collection de ces fibres, mais il y en a d'autres. Les dommages ou la destruction de ces fibres empêchent la communication dans le cerveau nécessaire au bon fonctionnement du langage, ce qui peut entraîner un trouble du langage. Les chercheurs sur le cerveau explorent comment les dysfonctionnements opèrent et quelles fonctions cérébrales continuent en présence de dommages.

Ce sujet est approfondi dans la section suivante, car il est intimement lié au développement du cerveau. Pour les éducateurs, il est important de savoir comment le cerveau se développe, car les changements développementaux doivent être pris en compte dans la planification de l'enseignement afin de garantir l'apprentissage des élèves.