Utilisation pédagogique des données de neuroimagerie (IRM

Utilisation pédagogique des données
de neuroimagerie (IRM)
Exemple de la vision
Formation Continue, enseignants SVT
Académie de Montpellier, avril 2012
L encéphale d après Vésale
De humani corporis fabrica (1534)
G. Molinatti, LIRDEF, MCF médiation des sciences et sociétés
Université Montpellier 2
Développement des neurosciences :
paradigmes dominants
•  Déterminisme génétique et épigenèse : le modèle
du « calendrier cérébral »
- Homéogènes et neuro-organogenèse
- Plasticité développementale et
réactionnelle
Activation de la
main droite
main gauche
Réorganisation du cortex
cérébral après amputation
et greffe des deux mains
A. Sirigu, Institut des
sciences cognitives (Bron)
Logiciel NeuroAnatomist, banque
NeuroPedda, INRP
D après Wicker , Keysers,
Gallese et Rizzolatti. Neuron 2003
 avant la
greffe
 6 mois
après

recouvrement
Rizzolatti, G., Fadiga, L., Gallese, V., &
Fogassi, L., 1996. Premotor cortex and
the recognition of motor actions.
Cognitive Brain Research, 3, 131-141. =
•  L avènement de la neuropsychologie: réduction
des états mentaux à des états cérébraux
Les neurosciences: des sciences en
société
•  Drogues,
•  Pathologies cérébrales
- AVC, tumeurs, lésions,
- pathologies neurodégénératives
(FRC, Semaine du cerveau, Neurodon…)….)
• 
Neurosciences et idéologies
« Le cerveau humain a un tel besoin d unité et de cohérence que
toute théorie de quelque importance risque d être utilisée de
manière abusive et de déraper vers le mythe »,
« Plus un domaine scientifique touche aux affaires humaines plus
[…] les données qu apporte la science vont être manipulées
et utilisées à des fins idéologiques et politiques ». (Jacob F.,
1981, p 108 et p 44)
Innéisme / préformation / essentialisme génétique versus
épigenèse / environnementalisme
Des débats actualisés…
Shaywitz B., Shaywitz S., Pugh K., Constable
T.$, Skudlarski P., Fullbright R., Bronen R.,
Fletcher J., Shankweiler D., Katz L. et Gore
J., 1995, Nature, 373
« Sex differences in the functional
organization of the brain for
language »,, p.
PET and MRI show differences in
cerebral asymmetry and functional
connectivity between homo- and
heterosexual subjects. Proceedings
of the National Academy of Sciences,
2008.607-609
Lecture et neuroimagerie
Un consensus de la communauté scientifique sur la question de l apprentissage de la lecture Stanislas Dehaene,
membre de l Institut, professeur au Collège de France, directeur de l unité INSERM-CEA de Neuro-imagerie
cognitive , au SHFJ, écrit notamment :
La région cérébrale [spécialisée pour la lecture] paraît ne pas fonctionner par reconnaissance
globale du mot . Au contraire, elle décompose les mots écrits en éléments simples les lettres, les
graphèmes) avant de pouvoir les identifier. http://media.education.gouv.fr/file/53/4/3534.pdf
Des données de neuroimagerie pour
l enseignement secondaire
•  Un enjeu de formation : développement des connaissances en
neurosciences, implications sociales
•  Techniques non invasives
•  Possibilités de suivis longitudinaux
•  Un défaut d instrumentation dans l enseignement des
neurosciences
•  Échelle d observation
•  Envisagés dans les programmes officiels
•  Première S : BOEN spécial N°9 du 30 septembre 2010, Thème 3 - Corps humain et santé / A
• 
• 
Feminin, Masculin, Sexualité et bases biologiques du plaisir / C De l’oeil au cerveau : quelques
aspects de la vision, Cerveau et vision : aires cérébrales et plasticité
Première ES / L : BOEN spécial N°9 du 30 septembre 2010, Thème La représentation visuelle
Des photorécepteurs au cortex visuel, Aires visuelles et perception visuelle , Aires cérébrales et
plasticité / Thème Féminin, Masculin, Vivre sa sexualité, système de récompense et sexualité
Terminale S BOEN spécial n° 8 du 13 octobre 2011 Thème 3 - Corps humain et santé Thème 3B-2 De la volonté au mouvement Thème 3-B-3 Motricité et plasticité cérébrale
•  Des images - significations aux images – documents
•  A présenter comme des modèles ou des résultats d expérience avec
explicitation des codes et légendes (recontextualisation)
Objectifs méthodologiques
•  Apprendre à se repérer dans les différents plans de
coupe
•  Appréhender des protocoles
expérimentaux simples pour
répondre à un problème scientifique
(Images de soustraction…)
•  Construire une image cérébrale
fonctionnelle
En sélectionnant, dans une banque de données, des images :
•  Anatomiques et fonctionnelles
•  Pour un ou plusieurs sujets
•  Correspondant à des paradigmes expérimentaux différents
•  Envisager un traitement statistique extrêmement simple de ces
images
•  Faire varier le seuillage, le codage en fausses couleurs
•  Envisager les contraintes d étude intra et interindividuelles
Etapes de construction d une IRM
fonctionnelle
Anatomie non
normalisée
Anatomie
normalisée
Image
fonctionnelle
Données d
acquisition
Moyenne
séquence
Test T
Superposition d une IRM fonctionnelle
sur une IRM anatomique
Sélection des zones significativement
différentes
Réglage de la « significativité statistique
de l image » en affichant que les voxels
dont les différences entre les deux
enregistrements sont significatives. On
utilise ce curseur pour régler les seuil
minimal et maximal de
« signification » (correspondant au
résultats du test T)
Ex : Stimulation de la langue
Objectifs de connaissance
•  Identifier les principales structures anatomiques cérébrales
•  Identifier l importante variabilité interindividuelle à la fois sur le
plan anatomique et fonctionnelle
•  Approcher la spécialisation fonctionnelle de certaines aires du
cortex cérébral (somesthésie, vision…) ainsi que l activation
coordonnée de différentes aires cérébrales
•  Approcher l organisation anatomo-fonctionnelle des aires
sensorielles et motrices primaires (somatotopie, rétinotopie)
•  Approcher les propriétés de plasticité anatomique et
fonctionnelle (la neuroplasticité développementale et réactionnelle, ex :
récupération post opératoire du langage)
Organisation et indexation de la banque de données
•  Problèmes éthiques posés par la constitution d une banque de
données de neuroimagerie
•  Recours dans la majorité des cas à des données publiées
•  Anonymat, données recueillis sur des sujets sains avec consentement éclairé
Organisation des voies visuelles
sujet 1212 anatomie
IRM / anat / generalites / IRMsujet1212anat.ima
Couplé à des données de pathologies, de lésions
Vision des mouvements
IRM / fonc / sensorimoteur / Vision / visionMouvements/
IRMsujet131321anat.img et fontionVisionMouvements superposée
Vision des couleurs
IRM / fonc / sensorimoteur / Vision / visionCouleurs/
IRMsujet131331anat.img et fontionVisionCouleurs superposée
Retinotopie
IRM / fonc / sensorimoteur / Vision / retinotopie/
IRMsujet131311anat.img et fontionVisionRetinotopie superposée
Diversité et évolution des conceptions
sur le cerveau
•  Quelques constantes des conceptions sur le cerveau
- persistance des conceptions dualistes concernant les rapports entre le
cerveau et l âme
Descartes René, (1596-1650). Discours de la méthode « Novum Organon »,
Paris, Hachette.
- déterminismes du développement et du fonctionnement
cérébral
Modèle linéaire causal et « informatif » (et modèles additifs) et non
Modèle complexe « interactif » (D après Clément & Forissier, 2000)
Génotype
Génotype
Environnement
www.bbc.co.uk/worldservice/specials/
images
Phénotype
Phénotype
- le concept de plasticité cérébrale n est peu ou pas évoqué
Diversité et évolution des conceptions
sur le cerveau
•  Les conceptions des jeunes enfants
Modèles du cerveau entéroïde et du
cerveau - ordinateur
(Mein et Clément, 1990, Savy, 2003)
•  Les conceptions des adolescents et leur évolution
- Les limites de la culture scolaire malgré un vernis lexical
- Le modèle du cerveau – muscle (x% utilisés)
- Les pathologies cérébrales :
un exemple de savoirs médiatisés superficiels
- L évolution des conceptions relatives à la plasticité cérébrale
« plus on apprend, plus ça se connecte », « notre cerveau évolue au cours de notre
vie, il y a des nouvelles connexions, les neurones se renouvellent », (adolescentes,
lycée d altitude, Briançon, Première S), il faut « faire des connexions, des
synapses » (adolescent, lycée Saint Charles, Marseille, Première S).