Comment comprendre le cerveau

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Comment comprendre le cerveau ?
G Dehaene-Lambertz : Inserm U562
Pourquoi le langage, les mathématiques, la musique, l’art, … se sont-ils développés
dans la seule espèce humaine? Quelles sont les caractéristiques de notre cerveau qui
permettent ces développements? Est-ce la taille de notre cerveau qui le rend apte à traiter de
façon efficace un grand nombre d’informations ou est-ce son organisation particulière qui fait
la différence avec nos cousins animaux. Si la pensée n’est que le produit d’un calcul de nos
neurones, quelle est la suite de calculs que ces cellules doivent faire pour permettre à Bach
d’écrire les partitas, à Rostropovitch de les interpréter et à nous-mêmes de les apprécier?
Répondre à ces questions est le but des sciences cognitives. Le postulat principal de
cette branche de la psychologie est que le fonctionnement cérébral, depuis des fonctions
simples comme la réponse à une barre placée dans le champ visuel, aux fonctions les plus
complexes, comme le langage ou la conscience, peut être étudié et décrit en étapes de
traitement ou calcul de représentations, résolues par un ensemble de neurones. Par exemple, le
langage peut être défini, comme le fait le petit Larousse, comme "une faculté propre à
l'homme d'exprimer sa pensée au moyen d'un système structuré de signes". La trop grande
généralité de cette définition rend difficile de comprendre comment le cerveau perçoit et
produit du langage, mais on peut décomposer cette compétence en une succession d'étapes
qui peuvent être analysées séparément. Pour la perception de la parole, on peut proposer qu’il
faille successivement passer par un décodage acoustique, une représentation des sons de la
parole (ou phonèmes), puis accéder au sens des mots, calculer la syntaxe, aboutir à une
représentation du sens de la phrase et enfin mettre cette phrase dans son contexte pour aboutir
à la compréhension de notre interlocuteur. Chaque étape est associée avec une région
particulière du cerveau et effectuée en quelques centièmes de millisecondes. On voit bien
l'impact de l'intelligence artificielle sur cette démarche analytique qui a pour but de réduire
une performance complexe en une succession de calculs plus élémentaires. Mais les sciences
cognitives s'éloignent de l'intelligence artificielle en ce sens qu'elles cherchent une plausibilité
biologique aux processus décrits et s'appuient sur des données expérimentales acquises chez
les sujets normaux et les patients. Le but est de découvrir non pas les étapes de calcul les plus
efficaces qui permettent la résolution d'un problème mais celles effectivement réalisées dans
le cerveau. Par exemple, pour calculer 2+3, la calculatrice convertira les deux chiffres en un

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code binaire qui sera additionné puis reconvertira le résultat dans le symbole 5 correspondant.
Pour une calculatrice, 126 + 38 n'est pas plus difficile à calculer que 2+3. Le cerveau, lui,
dispose de deux moyens pour arriver au résultat, soit il réactive l'association verbale
mémorisée à l'école "2 et 3 font 5", soit il active la représentation numérique de 2 puis celle de
3, additionne ces 2 représentations numériques puis reconvertit cette quantité en son symbole
verbal "cinq". Contrairement à la machine, 126 + 38 lui demandera beaucoup plus de peine
que 2+3 car il n'a pas appris cette association verbale particulière, et sa représentation
numérique pour les grands chiffres est beaucoup plus imprécise que celle pour les petits
chiffres. Le cerveau n'est donc pas un ordinateur. Il obéit à des lois propres, fruit de son
héritage biologique et évolutif que les sciences cognitives essayent de comprendre.
1. Le cerveau : un organe complexe
Avant de présenter plus précisément la démarche suivie par les sciences cognitives,
quelques chiffres permettront de comprendre et d’apprécier la complexité de notre cerveau:
Le cerveau représente 2% du poids de notre corps (environ 1400g) mais consomme 20 à 30%
de l’énergie corporelle. Chaque humain possède environ 1011 neurones et chaque neurone
établit entre 1000 à 10 000 connexions. Les corps des neurones sont répartis sur 6 couches
dans la substance grise du cerveau, ou cortex. L’épaisseur de cette couche de neurones est de
1.5 à 4.5 mm chez l’adulte suivant les régions, et le cortex occuperait déroulé une surface
de 0.22 m2 (approximativement quatre feuilles grand format). Les prolongements des
neurones, ou axones, constituent la substance blanche. Ces axones se dirigent vers l’extérieur
pour acheminer les commandes motrices, arrivent au cerveau pour apporter les informations
sensorielles, ou relient une région cérébrale à une autre.
La croissance du cerveau s’étend pendant les deux premières décennies avec une
croissance extrêmement rapide pendant la première année de vie. Pendant les derniers mois de
la vie fœtale, les migrations successives des neurones provenant de la région périventriculaire
profonde et se dirigeant vers leur emplacement à la surface entraînent une augmentation
rapide de l’épaisseur du ruban cortical, ce qui provoque un plissement de la surface. Ce
plissement crée les circonvolutions cérébrales. Après la naissance, le stock de neurones est
acquis et la croissance cérébrale, que l’on constate avec la mesure du périmètre crânien, est
liée à la prolifération des connexions dans le manteau cortical (figure 1) et à l’épaississement
des fibres dans la substance blanche, par adjonction d’une gaine de myéline. Cette gaine de
myéline accélère la propagation de l’influx nerveux. La croissance cérébrale ne se produit pas

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à la même vitesse dans chaque région, la région frontale par exemple démarre le plus
tardivement et a la croissance la plus longue, s’étendant jusqu’à la fin de la puberté.
Figure 1 : Evolution de l’arborisation dendritique dans le cortex moteur
2) Comment étudier le cerveau : la démarche des sciences
cognitives
Comment peut-on étudier cet organe si complexe, qui nous intéresse au premier chef. Très
longtemps, la psychologie s’est basée sur l’introspection et la relation entre le cerveau et nos
réactions, nos émotions, notre intelligence, n’a pas toujours été faite. On dit d’ailleurs toujours
« avoir du cœur », « avoir ses humeurs » « être de mauvaise humeur», expressions qui
témoignent du fait que le cœur (Aristote) puis les fluides (« humeurs » dans le vocabulaire du
XVIIième), contenus par exemple dans les ventricules au centre du cerveau, ont été tenus
pour le siège de nos facultés. Le rôle du cerveau s’est peu à peu dégagé avec les grands
anatomistes, comme Willis qui, en 1664, proposa pour la première fois que les fonctions
supérieures de l’être humain ont leur siège dans les circonvolutions cérébrales. En effet,
pionnier de la dissection et de la comparaison des espèces, il remarqua que le cerveau humain
est plus plissé que le cerveau des autres animaux alors que les ventricules, qui étaient tenus à
cette époque pour la source des capacités cognitives humaines, sont identiques. Pour la
première fois également, Willis tente de relier des disfonctionnements psychiques et
neurologiques à des pathologies cérébrales, alors qu’ils étaient reliés jusqu’ici au
dysfonctionnement d’autres organes. Par exemple, l’hystérie, pathologie que l’on pensait
uniquement féminine, était comme son nom l’indique reliée à un problème utérin.
La véritable démonstration du rôle crucial du cerveau attendra la fin du XIXième siècle.
Il est d’ailleurs étonnant de constater que la reconnaissance de l’importance du cortex et la
localisation des fonctions cérébrales à des endroits précis du cerveau s’est développée à partir
d’une erreur scientifique. Joseph Gall lance au début du XIXième siècle un nouveau
mouvement, la phrénologie. Selon lui, il est possible de deviner les talents et défauts d’un être
humain en palpant les bosses et creux de sa tête. En effet, un talent produit une excroissance
cérébrale, comme l’exercice musculaire développe les muscles. Cette excroissance va pousser
sur l’os et déformer le crâne. Il suffit donc de palper adroitement la tête pour reconnaître la
bonne mère de famille, l’écrivain fameux et l’irréductible criminel. Les domaines que
reconnaît Gall sur la tête des humains sont des facultés complexes, comme la prudence,
l’espoir, la bonté, la combativité mais aussi le langage et le calcul (la fameuse bosse des
maths !). Ces hypothèses, âprement discutées, opposent localisateurs et tenants d’un cerveau

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unitaire et vont pousser en 1864, le chirurgien Paul Broca à examiner le cerveau de Mr
Leborgne, qui vient de décéder et qui depuis plusieurs années, ne produit plus qu’un seul mot
« tan ». Broca rattache cette impossibilité de parler à une destruction de la partie frontale de
l’hémisphère gauche de Mr Leborgne et relie pour la première fois une localisation cérébrale
à une capacité cognitive. Très vite, les observations de patients se succèdent et montrent que
le déficit diffère suivant la localisation de la lésion cérébrale, mais également que la même
localisation cérébrale affecte la même compétence à travers les individus. Les localisateurs
avaient raison, le cerveau n’est pas unitaire. Les différentes fonctions cérébrales sont
organisées à la surface du cerveau et cette organisation est reproductible d’un sujet à l’autre.
Un nouveau domaine s’ouvre alors: la neuropsychologie, c'est-à-dire l’étude des déficits des
patients qui présente une lésion cérébrale.
Quand la boite est cassée….
Le but de la neuropsychologie est d’utiliser l’étude précise des déficits présentés par
les patients et de leurs capacités préservées pour comprendre le fonctionnement cérébral. Par
exemple, certains patients ne peuvent plus faire des multiplications mais peuvent encore
comparer deux nombres. D'autres, à l'inverse, connaissent encore leurs tables de
multiplication mais répondent "6" à la question quel est le chiffre entre 2 et 4. Le premier cas
survient le plus souvent à la suite de lésions des régions linguistiques de l'hémisphère gauche.
Ces patients ont perdu toutes les chaînes d'association verbale et en particulier les tables de
multiplication. Par contre, ils connaissent toujours le sens des nombres et peuvent déterminer
sans problème quel est le plus grand de deux nombres. Le deuxième cas de dyscalculie est
beaucoup plus rare car il est nécessaire d’avoir des lésions dans les lobes pariétaux droits et
gauches, donc un premier accident vasculaire cérébral puis un second survenant de l’autre
côté. Dans ce cas, les patients connaissent toujours leurs tables mais n'ont plus aucune
intuition sur les nombres et donc sur ce que représentent les symboles 2 et 4. A la question
« quel est le chiffre entre 2 et 4 », ils ne peuvent se baser sur leurs connaissances des nombres.
Ils répondent alors "6" car ils se souviennent de l'association verbale fréquente "2 4 6 …". Ces
dissociations dans les performances au sein du même domaine de l'arithmétique font donc
postuler que pour effectuer des opérations numériques, nous utilisons deux systèmes
partiellement indépendants, l'un verbal repose sur l'hémisphère gauche et sur les tables
mémorisées par association verbale et l'autre basé sur la représentation des quantités situé
dans les régions pariétales inférieures. Ces cas de déficits sont toujours frappants surtout s’ils
ne touchent qu’un domaine restreint des compétences car ils nous font soudain prendre

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conscience que le fonctionnement cérébral que nous percevons comme unifié dépend d’une
suite d’opérations rapides et précises qui s’enchaînent les unes à la suite des autres. Qu’une
pièce vienne à manquer et ce qui nous semblait évident, comme 3 est entre 2 et 4, devient
source de difficultés.
Les sujets normaux ne sont pas toujours performants …
Un autre moyen de comprendre le cerveau est d’étudier les performances de
volontaires normaux placés dans des situations expérimentales très contrôlées. En 1865,
Donders, un physiologiste hollandais, montre que l’on peut mesurer la durée d’un processus
mental. En effet, les volontaires sont plus rapides de 1/15 s à rapporter quelle jambe, droite
ou gauche, a été touchée si on les prévient à l’avance. Dans les années suivantes, la
psychologie expérimentale se développe et a pour but de déterminer quelles sont les
caractéristiques des étapes de traitement cérébral que suit un stimulus chez le sujet normal en
mesurant des temps de réaction. Par exemple, lors de tâche de comparaison de nombres
comme dire par exemple si 60 est plus grand ou plus petit que 55, on observe que les sujets
répondent plus lentement pour les nombres proches de la cible que pour les nombres lointains.
Il est ainsi beaucoup plus facile, et donc plus rapide, de répondre que 5 est plus petit que 55
que de faire la même réponse pour 49. La réponse pour 45 est également plus rapide que celle
pour 49. Pourtant, le sujet pourrait ne tenir compte dans les deux cas que du chiffre de la
dizaine "4" qui signale immédiatement que le nombre est plus petit que 55. Ce ralentissement
de plus en plus important au fur et à mesure que le nombre à comparer est proche du nombre
cible ne tient aucun compte de la notation (chiffres arabes ou mots) mais dépend uniquement
de la distance entre le nombre à comparer et la cible. Les psychologues ont donc proposé que
la représentation numérique était analogique et non pas symbolique et que la perception du
symbole visuel activait automatiquement la représentation des quantités associée au symbole.
Sur l'échelle des quantités, le premier chiffre "4" de "45" et de "49" n'est plus accessible, seule
la quantité correspondant à ces deux nombres est représentée. Celle-ci étant proche de la
quantité "55", elle est plus difficile à distinguer que la quantité associée au symbole "5". Les
sujets sont donc plus lents pour les nombres à comparer proche de la cible que pour les
nombres plus distants. La mesure des temps de réaction permet donc de comprendre comment
sont représentés les nombres dans le cerveau.
Un autre exemple fameux de résultats obtenus en psychologie expérimentale est l'effet
de stroop: Dans cette tâche inventée par le Pr Stoop en 1935, il faut nommer la couleur de
l'encre sans tenir compte du sens du mot. Par exemple dire rouge pour le mot "vert" ou le mot