UEL LE CERVEAU APPRENANT

UEL
LE CERVEAU APPRENANT
Cécile BARBACHOUX
[email protected]
Les diapositives sont disponibles sur le site
http://cst.unice.fr
Les chapitres du cours
• Ch. 1: Le cerveau – les sciences cognitives
• Ch. 2: Atlas du cerveau: les grandes aires
fonctionnelles du cerveau
• Ch. 3: La perception
• Ch. 4: La mémoire
• Ch. 5: Bases neurales des mathématiques
• Ch. 6: Bases neurales de la lecture
• Ch. 7: Les émotions
• Ch. 8: La fabrication du cerveau
Chapitre 2:
ATLAS du
CERVEAU
Carl Röhrig, looking for home
DU
AU
Le GLOBAL
cerveau
MICROSCOPIQUE
Carl Röhrig, Magician
Le système nerveux
= sens, nerfs, cerveau,
moelle épinière, méninges
mouvements,
fonctionnmt des organes,
l’intellect, …
Les lobes du cerveau
Lobe frontal
Planification des actions futures
+ contrôle des mouvements
Lobe temporal
audition
Mémoire, apprentissage
émotion
Lobe pariétal
Sensibilité somatique
Image corporelle
Relation avec l’espace extrapersonnel
Lobe occipital
vision
Asymétrie des hémisphères:
Biais de fonctionnement
Asymétries fonctionnelle et anatomique
h. gauche= h. dominant:
traitement du langage, numération
Cortex auditif plus développé
Traitement local
h. droit= h. non dominant:
spatialisation, perception des visages
Traitement visuo-spatial et émotions
Le neurone : unité fonctionnelle de base
du Système Neuronal
PA véhiculent l’information
Stéréotypés (p ex tous les
stimuli sensoriels)
Nature de l’information dépend
de la nature du circuit
Potentiel de
membrane
Segment initial
100 mV
100m/s
L ’axone
0,1 mm à 1 m
1 ms
temps
Unipolaire
(s. autonome,
invertébrés)
Bipolaires
(sensoriels)
Multipolaires
(SNC vertébrés)
Motoneurone
c. Pyramidale
corticale
Pseudo-unipolaire
(mécanorécepteurs)
c.
Purkinje
4 caractéristiques fondamentales du système nerveux
lui permettent de produire des « comportements » :
- Les mécanismes par lesquels les neurones produisent
des signaux: excitabilité du neurone
- L’agencement (pattern) des connexions entre les
neurones.
- Les relations entre différents patterns d’interconnexions
et différents types de comportements.
- La façon dont les neurones et leurs connexions sont
modifiés par l’expérience.
Les neurones sont organisés en circuits responsables
de comportements spécifiques.
Tous les comportements sont exécutés par des circuits de
neurones interconnectés
Comportement :
- traitement de l’information sensorielle
- programmation des réponses motrices
ou émotionnelles
- mémorisation d’information
- etc …
Illustration du rôle du cortex dans la cognition:
LES BASES NEURONALES DU LANGAGE
Aires d’association
Modèle
du langagelequel?
(Wernicke)
Ce modèle
prédit d’organisation
un autre type d’aphasie,
Faisceau
arqué
Représentation
nerveuse
unique des
mots
Conversion d’une représentation
sensorielle ou sémantique en une
représentation motrice
Association du
mot à une
signification
Les caractéristiques affectives (émotions) et les traits de la
personnalité sont aussi localisés anatomiquement
Les patients aphasiques peuvent manifester non seulement des troubles
cognitifs du langage, mais aussi des troubles des aspects émotionnels du
langage tels que l’intonation.
Lésion de la région de l’hémisphère droit
correspondant à l’aire de Wernicke
Compréhension du contenu émotionnel du langage
Lésion de la région de l’hémisphère droit
correspondant à l’aire de Brocca
Expression des émotions
L’ACTION MOTRICE DANS LE
CERVEAU
Homoncule de
Penfield
Homoncule moteur
Homoncule somato-sensoriel
LES NEURONES MIROIRS
UNE DÉCOUVERTE INSPIRANTE
La perception
Chapitre 3
références
une partie des éléments de ce chapitre provient du cours de
Claude Bonnet, professeur de psychologie cognitive de
l’université Louis Pasteur de Strasbourg
http://coursenligne.u-strasbg.fr/psychocognitive/
Perception et ses mécanismes
Objectifs du chapitre :
-montrer les principes généraux de l’acquisition et
du traitement des informations par différents
systèmes sensoriels conduisant à nos
expériences perceptives.
- illustrer la problématique du traitement de
l’information centrale en psychologie cognitive
- introduire la notion de niveau critique de
traitement.
Perception
• La perception est l’ensemble des mécanismes de
traitement des informations sensorielles
extéroceptives et proprioceptives qui permet à un
organisme vivant d’agir de manière adaptée dans son
environnement en contrôlant ses actions de manière
à assurer sa survie et son adaptation à cet
environnement et d’acquérir des connaissances sur
son environnement et sur son activité (ses
mouvements).
• La perception est le produit d’une part des
traitements que les systèmes sensoriels effectuent sur
les stimuli physiques qui les activent et d’autre part
des représentations (connaissances) qui permettent
de les interpréter.
Système vestibulaire
• Le système vestibulaire est le système
sensoriel principal de la perception du
mouvement et de l'orientation par
rapport à la verticale. Il est donc à la
base du sens de l'équilibre. Les
récepteurs sensoriels du système
vestibulaire sont situés dans l'oreille
interne. Les troubles du système
vestibulaire peuvent conduire à des
vertiges.
• Le système vestibulaire est constitué
d'un organe sensoriel périphérique
composé du labyrinthe postérieur
(canaux semi-circulaires, utricule, et
saccule), du nerf vestibulocochléaire et
de ses noyaux encéphaliques.
Aires corticales associées
• Les différentes modalités
sensorielles résultent de la
spécificité des organes sensoriels
qui captent les stimuli.
• Modalités extéroceptives
–
–
–
–
–
Vue → cortex visuel primaire
Audition → cortex auditif primaire
Olfaction → cortex olfactif primaire
Goût → cortex gustatif primaire
Toucher(s) → cortex somesthésique
primaire
• Modalités kinesthésiques →
cortex somesthésique
• Chaque système sensoriel est décomposables en sous-systèmes
structuralement et fonctionnellement séparables.
• Toute perception résulte (émerge) de l’activation d’un grand
nombre de structures du système nerveux central. Chaque
structure effectue des opérations particulières de traitement,
participe au fonctionnement de l’ensemble d’un réseau neuronal.
• En suivant la propagation des influx nerveux résultant d’une
stimulation, on distingue des étapes successives de traitement. A
chaque étape, on se demande de quelles caractéristiques du
stimulus dépendent les réponses neuronales (notion de stimulus
pertinent).
Qu’un phénomène perceptif puisse être expliqué à un certain niveau
critique de traitement n’entraîne pas que le processus perceptif
soit terminé à ce niveau.
PERCEPTION VISUELLE
LES TRAITEMENTS RÉTINIENS
Perception visuelle
• Les stimuli visuels ne sont pas d’abord des objets, mais sont des
distributions spatiales et temporelles de longueurs d’onde et de
luminance (intensité). Le cerveau, après des traitements multiples
leur affectera une signification d’objet sur la base de ses
expériences antérieures.
• Distinguer ce qui est du domaine de la physique (longueurs
d’onde, luminances) de ce qui est du domaine de la perception
(couleurs, luminosité). La distinction n’est pas toujours simple.
• Historiquement, la physique de la lumière a été définie à partir de
la perception humaine.
• Lumière et couleur sont des sensations
• De nombreuses espèces animales voient dans l’ultraviolet (abeille,
libellule, python, oiseaux etc.), mais ne voient pas les longueurs
d’ondes longues (rouge).
• Certaines espèces sont équipées de récepteurs d’infrarouge
(serpents à sonnette).
• Pour voir la couleur, il faut plusieurs types de récepteurs
maximalement sensibles à différentes longueurs d’onde. Certaines
espèces en ont deux, d’autres trois, d’autres quatre, voire cinq ! On
peut difficilement comparer l’expérience perceptive d’espèces qui
ont un équipement biologique différent.
Une première étape des traitements de
l’information lumineuse est optique :
formation d’une image sur la rétine.
Deuxième étape : la transduction
Les récepteurs de la rétine captent les photons
et par des mécanismes photochimiques
génèrent des potentiels de récepteur
(transduction).
Les photorécepteurs : propriétés et
conséquences
La fonction des photorécepteurs est de transformer
l’énergie électromagnétique (lumineuse) en
potentiel de récepteur. L’énergie des photons
n’est pas la même à toutes les longueurs d’onde.
Les photons de la lumière sont absorbés par les
pigments des photorécepteurs, provoquent une
hyperpolarisation et engendre un potentiel de
récepteur (sommable). Lorsque ce potentiel aura
atteint son seuil, il sera transmis aux cellules
bipolaires.
Les bâtonnets sont sensibles à des éclairements
scotopiques (crépusculaires). Ils ne contiennent
qu’un type de pigment (la rhodopsine).
Les cônes ont une moindre sensibilité ; ils ne
répondent qu’à des éclairements photopiques.
Chez les primates, on en distingue 3 types selon
la longueur d’onde d’absorption maximale de
lumières monochromatiques (cônes S, cônes M,
cônes L).
• Les bâtonnets, absents de la fovéa, sont sensibles aux
éclairements scotopiques. Leur seuil varie en fonction
de la longueur d’onde et de l’excentricité rétinienne
(densité des récepteurs).
• Les effectifs des 3 types de cônes sont différents : 64
% cônes L, 32 % cônes M et 2% cônes S. Les cônes L se
rencontrent essentiellement dans la fovéa,
• dans la fovéa, seulement 2% des cônes bleus, mais on
en trouve jusqu’en périphérie extrême.
• La première condition pour percevoir des couleurs est
de posséder au moins 2 types de récepteurs. Les
primates en possèdent 3.
Déficits congénitaux
• Monochromates (daltonisme) ou achromates
• Dichromates
– Protanope : absence de cônes L (rouge)
– Deuteranope : absence de cônes M (vert)
– Tritanope : absence de cône S (bleu)
Recomposition de la lumière (disque
de Newton)
• Comment construire un disque de Newton
http://www.wikidebrouillard.org/index.php/Disque_de_Newton
Disque de Newton: explication
Persistance rétinienne
Affichage à 12 images par seconde
• Principe du cinéma (24 images par seconde)
• « flipbooks »
Types de cellules ganglionnaires
• Morphologiquement, on
distingue plusieurs types de
cellules ganglionnaires : α, β, γ.
• Cellules α : grand champ
récepteur, achromatiques,
phasiques.
• Cellules β : petit champ
récepteur, chromatiques (vertrouge), toniques.
• Cellules γ : petit champ
récepteur, chromatiques (bleujaune), toniques.
AU-DELÀ DE LA RÉTINE
Recouvrement en partie du champ
visuel des deux yeux
Cortex visuel primaire (V1)
lobe occipital
Coupe sagittale au niveau des
deux hémisphères
Vue extérieure
FONCTIONNEMENT DE L’AIRE
VISUELLE PRIMAIRE (V1)
Fonctions de V1
•
•
•
•
•
•
Codage des orientations de contour
Codage de la direction des mouvements
Codage des fréquences spatiales
Codage de la profondeur relative
Codage des contrastes chromatiques
Ces codages sont locaux (petits champs
récepteurs).
• Ces interactions latérales participent aux
processus de groupement.
• Les informations relatives au même stimulus
sont codées séparément et très localement
selon leur nature.
• Pour conduire à la reconnaissance visuelle des
objets, le système visuel doit regrouper les
informations.
• Les illusions optico-géométriques résultent de
ces mécanismes de groupement
ILLUSIONS D’OPTIQUE
Illusions d’optique
Vision=très grande réduction de la quantité
d’information entre l’image qui s’imprime sur la rétine
et le message transmis par le nerf optique. (125 millions
de photorécepteurs transmettent à 100 fois moins de cellules
ganglionnaires + passage 3D à 2D)
Pour compenser et donner perceptions du relief, de
la couleurs ou mouvements, le cerveau introduit des
paramètres abstraits qui souvent complètent ou
amplifient des éléments fragmentaires de la réalité.
création parfois d’illusion d’optique
Exemples d’illusions optiques
corticales
Illusion géométrique
Dans l’illusion de Zöllner, les grandes
lignes sont parallèles même si on a
l’impression qu’elles vont se croiser si
on les prolonge
Illusion du mouvement
Akiyoshi KITAOKA, Department of Psychology, Ritsumeikan University, Kyoto, Japan
Exemples d’illusions optiques
rétiniennes
grille d’Hermann
La grille d’Hermann-Hering
Les contrastes perçus aux intersections sont attribués à la variation
Défaut d’orientation
VERS LES AIRES SECONDAIRES
Aires visuelles secondaires
Aires visuelles secondaires:
obéissent à une
organisation rétinotopique
et ont des propriétés
différentes selon le type de
stimulus (couleur par
exemple).
Seule l’aire visuelle
primaire correspond
strictement à l’aire de
Brodmann
TRAITEMENTS PLUS CENTRAUX :
LES DEUX SYSTÈMES VISUELS
• Dès le niveau des cellules ganglionnaires,
séparation fonctionnelle de plusieurs voies :
Magnocellulaire → Voie dorsale cortex pariétal
Parvocellulaire et Koniocellulaire → Voie ventrale
cortex inférotemporal
• Ces deux voies sont anatomiquement et
fonctionnellement séparées.
Analyse des stimuli visuels
Reconnaissance: lobe
temporo-occipital via le syst.
Dorsal
Localisation: lobe pariétal
via le syst. Ventral
Syst. Ventral et dorsal: travaux de
1982, Leslie Ungerleider et
Mortimer Mishkin
Dissociation
localisation/reconnaissance objet
Localisation > pariéta:
Reconnaissance > cortex
Occipito-temporal
Reconnaissance des stimuli visuels
Dissociation de la reconnaissance
– Des objets
– Des animaux
– Des visages
Activation de zones dans le lobe temporal ou
occipito-temporal
Cortex temporal
• Spécialisations des aires en fonction de la
signification des stimuli
• La reconnaissance des objets résulte de
traitements coopératifs entre différentes régions
du cortex inféro-temporal.
• Ces régions diffèrent selon la nature des objets.
• Pour certains, la spécialisation est stricte. Ex.
Kanwischer et la Fusiform Face Area (FFA)
• Pour d’autres, les représentations sont
distribuées
Dissociation reconnaissance
objets/animaux > cortex temporal
• Ces régions impliquées dans la
reconnaissance des objets ne sont pas
activées que par des stimuli visuels.
• Imaginer ces stimuli sur instruction verbale y
génère aussi des activations semblables, mais
de moindre amplitude. Dans ce cas le sujet
doit générer une « image mentale » du
stimulus.
• Ces derniers exemples montrent que la
reconnaissance d’un objet suppose au préalable une
représentation de cet objet que les représentations
sont des traces mnésiques localisables dans le
cerveau que ces traces mnésiques sont localisées
dans les mêmes structures que celles qui sont en jeu
dans la reconnaissance de l’objet visuellement
présenté en conséquence, elles peuvent être activées
par un stimulus visuel spécifique, par une suggestion
verbale ou encore par la seule imagination spontanée
du sujet.
• Dans la voie ventrale, les représentations sont
généralement explicites et accessibles à la conscience.
Voie dorsale :
perception pour l’action
• Les structures de la voie dorsale concernent
les traitements des dimensions nécessaires
aux actions : le mouvement visuel, la
profondeur, le volume et le relief, les
transformations sensori-motrices.
Localisation spatiale: la voie dorsalelobe pariétal
• Cartographie (mouvement de la souris d’un
ordinateur)
En résumé
Un exemple simple de la notion de
boucles de rétroaction
bois
plomb
Aires sensorielles visuelles: localisation de l’objet
Aire motrice: appréhension de l’objet
rétroaction
Réaction musculaire suivant le poids de l’objet
COMPLEXITE DES RESEAUX DE CIRCUITS
• Traitement de l’information :
- succession d’opérations (traitements)
- portant sur des informations (signaux)
- complexité croissante des traitements
- spécialisation fonctionnelle des structures
- rôle des représentations (traces mnésiques)
activées par
- dimensions physiques des stimuli
- descriptions verbales
- imagination - simulation
EN RÉSUMÉ: LES DIFFÉRENTES AIRES
FONCTIONNELLES DU CERVEAU
Localisation des aires
fonctionnelles élémentaires
Aire motrice primaire (l. frontal)
Aire motrice supplémentaire
préfrontale
Aire somatosensorielle primaire
(l. pariétal)
Aire d'association sensorielle (l.
pariétal)
Aire visuelle primaire (l. occipital)
Aire auditive primaire (l.
temporal)
Aires d’association
QUELQUES EXEMPLES
Tâche
dusur skieur
b) il aperçoit un sapin
sa route c) il change de direction pour
l’éviter
-Vue du sapin: cortex
visuels primaire et
secondaire (lobe occipital)
-Reconnaissance du
sapin: aire d’association,
lobe temporal
--spatialisation: lobe
pariétal
-J’ai peur: système
limbique (amygdale)
Propriété émergente
a) Un skieur descend une piste
Mouvement
Aire motrice
(lobe frontal)
Monde
réel
Exemple de modules cognitifs
esprit
transducteur
Système périphérique
Système
central
coordonnées
viande
J’ai faim
J’ai faim
et
il y a de la
viande en
x,y,z
> action ….
Les aires activées par le cerveau
du loup
• À vous de jouer ….
transducteur
Système périphérique
Spatialisation:
lobe pariétal
Visuel p.et s.,
aired’association
lobe occipital
viande
J’ai faim
reconnaissance,
lobe temporal
Système limbique
Propriété émergente
coordonnées
Système
central
mouvement
Lobe frontal,
aire motrice