Pascal Benquet

Association Française des Acteurs de l’Education
Sections académiques de Nantes et de Rennes
16ème RENCONTRE INTER-ACADEMIQUE NANTES / RENNES
Conférence d’ouverture de Pascal BENQUET
« Cerveau et éducation : apports récents des neurosciences"
Je travaille dans une équipe de recherche interdisciplinaire de l’INSERM (LTSI INSERM
U1099, Université Rennes 1 : http://www.ltsi.univ-rennes1.fr/) regroupant ingénieurs,
neurophysiologistes, médecins neurologues, neurochirugiens ; les études se font avec le service de
neurologie du CHU de Pontchaillou autour d’une pathologie : l’épilepsie. (Wendling et al., 2012).
1ère question : Est-ce que le cerveau est toujours une boîte noire ?
Cette question vient d’une époque un peu obscure où l’on associait une fonction cérébrale à une lésion
bien précise. Le tissu cérébral était observé par microscopie et analysé une fois fixé (donc mort) ce qui
a engendré une vision figée du cerveau. Puis dans les années 80, le développement de la biologie
moléculaire et la découverte de nombreux gènes impliqués dans des fonctions cérébrales a
malheureusement abouti à l’idée que ces gènes prédéterminaient les fonctions cérébrales (mémoire,
intelligence,…) ce qui est en fait un véritable biais de raisonnement. La vision déterministe, pourtant
fausse, a émergé et de là sont repartis les vieux débats innés/acquis. La mode de la biologie
moléculaire (génétique) était telle, que le grand public confond parfois biologie et génétique. A tout
cela les théories psychanalytiques floues, non démontrées et non scientifiques n’ont fait qu’augmenter
cette impression de boîte noire.
Depuis 10 ans, les progrès en neurosciences sont fulgurants. L’accumulation des résultats obtenus par
la recherche au niveau mondial, l’apport des nouvelles technologies qui permettent de suivre le
fonctionnement et les évolutions de structures cérébrales chez un même individu dans le temps, et les
apports conjoints de champs disciplinaires distincts ont permis de faire un bond dans la compréhension
du fonctionnement cérébral. La question de l’apprentissage est particulièrement étudiée en
neurosciences. Par exemple, chez l’animal, il est possible grâce à de nouvelles techniques d’imagerie
d’observer la structure même des neurones jusqu’à leurs connexions (synapses) pendant les
apprentissages.
Désormais les neurosciences sont multidisciplinaires rassemblent des biologistes cellulaires,
moléculaires, neurophysiologistes,
neurobiologistes comportementalistes, neuropsychologues,
éléctrophysiologistes mais aussi mathématiciens, physiciens, ingénieurs.
D’où la découverte ces 15 dernières années des grands circuits qui sont responsables de certains
comportements.
Nous avons des éléments sur les différents types de mémoire, de la régulation de l’humeur, du
fonctionnement du sommeil, de l’attention, de la motivation. Les grands principes neuronaux qui soustendent ces comportements ont été identifiés.
Il est désormais possible de commencer à répercuter ces connaissances au niveau clinique.
Depuis peu, dans certains cas pathologiques comme la maladie de Parkinson ou la dystonie, les
boucles de régulations entre les ganglions de la base et le cortex dysfonctionnent. Les
neurostimulations intracérébrales sont aujourd’hui couramment utilisées pour rétablir une activité
neurophysiologiques plus proche de la normale et réduire considérablement les symptômes moteurs.
Ce type de thérapeutique (utilisée pour la 1ere fois à Grenoble) est appliqué partout dans le monde.
Et là où cela devient spectaculaire c’est que cela fonctionne aussi désormais pour rétablir des troubles
psychiatriques qui en fait sont peut-être des troubles neurologiques (cf syndrome de la Tourette).
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L’immense quantité de connaissances en neurosciences (des millions d’articles partagés dans les bases
de données mondiales telle pubmed, http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed ) et la compréhension plus
avancée des bases du fonctionnement cérébral peuvent aussi permettre désormais aux neurosciences
d’interagir avec le monde de l’éducation .
Est-ce que la structure du cerveau est figée ?
Lors de l’apprentissage d’une tâche motrice complexe, il est possible de suivre en IRM fonctionnelle
l’étendue de la zone cérébrale corticale impliquée dans cette tache. Apres quelques semaines
d’entraînement, il est constaté que plus l’individu apprend et plus la zone qui prend en charge cette
tâche motrice s’étend dans le cortex et plus il devient performant.
Depuis peu, les trajets neuronaux internes constitués de paquets d’axones formant des circuits
neuronaux peuvent être visualisés grâce à la technique d’imagerie appelée Imagerie de diffusion ( DTI,
diffusion tensor images ). Plus l’enfant apprend, en nombre d’heures, plus la zone cérébrale
responsable de ces mouvements augmente en terme de volume, et plus elle augmente, plus elle est
performante.
Donc la substance grise et la substance blanche changent au cours des apprentissages. Ces
changements ne sont pas provoqués uniquement par des stimulations sensorielles ou motrices.
Ils sont également présents lors d’apprentissages cognitifs. Avec les exercices de grammaire
complexes ou l’apprentissage de la lecture, des changements similaires sont observés par
neuroimagerie au niveau des zones de traitement du langage.
Ce principe est général. L’apprentissage et l’expérience sollicitent des zones cérébrales, stimulent
électriquement les neurones, qui alors vont transformer le tissu neuronal (pousse dendritique, pousse
axonale, synaptogénèse, augmentation de la myélinisation et de la vascularisation). Ces
transformations modifient (de quelques %) le volume de substance grise et blanche.
La sollicitation par les apprentissages augmente l’activité électrique et la performance associée à la
zone cérébrale sollicitée. Finalement les sollicitations des zones motrices, sensorielles, sociales et
cognitives fonctionnent de cette manière. C’est ce que l’on appelle la plasticité générée par
l’expérience.
Les mémoires
Comment les neurones font-ils pour apprendre ?
Plusieurs types de mémoires coexistent. Elles sont prises en charge par des structures cérébrales
distinctes : mémoire inconsciente ou implicite (habitudes comportementales, amorçage,
conditionnements simples émotionnels ou moteurs) et mémoire consciente ou explicite (faits,
évènements biographiques). L’hippocampe est la porte d’entrée des nouvelles informations explicites.
Concentrons-nous sur cette mémoire déclarative car c’est celle que l’on va solliciter quand on veut
apprendre un nouveau texte d’histoire par exemple.
Comment ça marche :
- 1ère étape : la perception. Le signal physico chimique est transduit en activité neuronale
décodée pour lui donner du sens. Le signal va dans la mémoire de travail, en zone tampon.
- 2ème étape : la mémoire à moyen terme où intervient l’hippocampe qui retient l’information de
1h à 3h
- au-delà de 24h, on passe à la mémoire à long terme qui fait intervenir les processus cellulaires
de plasticité à long terme.
- Puis, si l’on veut retenir l’information pendant des années, il y a un dispatchage dans le
néocortex
Qu’est ce qui module cette mémoire ?
L’attention va venir moduler la perception.
Attention et motivation maintiennent plus ou moins longtemps le signal dans la mémoire tampon dans
le cortex préfrontal.
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Puis il y a un tri entre les informations plus ou moins importantes ; ce tri passe par le contenu
émotionnel et la sensation à un savoir antérieur, et ensuite le sens et l’utilité viennent moduler le
filtrage.
Une fois que l’on sait ce que l’on veut retenir (bien que cela soit inconscient), on passe à la mémoire à
moyen terme où les notions de plaisir et feed back positif vont permettre la consolidation de la
mémoire.
Puis il y a passage à la mémoire à long terme, puis à très long terme.
En résumé on note donc une phase d’encodage, de stockage, de consolidation puis de rappel.
Comment les neurones font pour apprendre ?
Quand on dit quelque chose d’intéressant, l’attention augmente le rapport signal/bruit dans les réseaux,
les neurones commencent à décharger, l’activité électrique augmente d’où un renforcement synaptique
. Puis consécutivement les neurones glutamatergiques de l’hippocampe augmentent leur fréquence de
décharge ce qui va déclencher les phénomènes de potentialisation à long terme.
2ème étape : non seulement les neurones changent d’activité mais en plus les neurones suractivés se
connectent entre eux. Pendant que l’on apprend, on crée de nouvelles synapses, donc de nouvelles
connexions, qui font que le signal peut passer par d’autres endroits. Cette transformation
morphologique est très rapide, en l’espace de quelques minutes.
Au cours de l’apprentissage, il y a des modifications électriques qui déclenchent des modifications
morphologiques, création de nouvelles synapses et suppression de celles qui sont inutiles. Pour que
cette trace reste longtemps, il faut que cela impacte les gènes. Il faut qu’il y ait une communication
permanente entre environnement et génétique. Il est difficile de dissocier les deux. Les débats entre
inné et acquis n’ont pas de sens puisqu’ils communiquent tout le temps et interagissent. De façon
générale l’activité neuronale modifie l’expression des gènes (et donc le taux d’expression de protéines)
et peut même changer la conformation de l’ADN. Lorsque l’on apprend quelque chose aux élèves,
cela a un impact direct sur les gènes.
Au niveau des réseaux, on part à un temps t avec une configuration neuronale. Cette configuration
dépend de l’interaction entre les synapses. Pendant la phase d’acquisition et de consolidation, la
cartographie neuronale est changée.
Et plus on répète avec le plaisir à apprendre, plus on vient raffiner les réseaux qui deviennent de plus
en plus efficaces et le chemin parcouru devient de plus en plus optimal.
Lorsque l’élève apprend, les neurones se transforment, le réseau se reconstitue, le volume du cortex
change.
La vision statique du cerveau prédéterminé est fausse. C’est l’histoire de l’individu qui fait
l’individu.
La maturation cérébrale n’est pas terminée chez les élèves. Après la phase postnatale, la phase de
myélinisation perdure très longtemps ; elle se développe, et plus l’enfant avance en âge, et plus
l’information est traitée rapidement. Cette myélinisation se stabilise au-delà de 30 ans. Or le degré de
myélinisation augmente les performances motrices, certaines performances cognitives et notamment
les capacités de lecture.
Qu’est ce qui module la vitesse de myélinisation ? La myélinisation génétiquement programmée est
en fait sous contrôle de l’activité des neurones qui elle-même est impactée par l’environnement social,
les émotions, l’éducation, …
Ce degré de myélinisation n’est donc pas homogène, ni linéaire sur toutes les zones du cortex car il
dépend en partie des stimulations environnementales. Il existe donc une grande hétérogénéité de
maturation de la myélinisation et donc de variabilité de performances.
Conclusion : si l’on a une grande variabilité entre les élèves, une variabilité entre certaines zones
cérébrales, quand on fait une évaluation, peut être que tel ou tel élève aura besoin de plus de temps
pour réussir mais cela ne veut pas dire qu’il n’y arrivera pas. La vitesse de maturation du cerveau n’est
pas terminée pendant la scolarité et pourtant déterminante dans l’acquisition des compétences. Peutêtre faudrait-il évaluer plus tard, en fonction des élèves, car certains ont besoin de plus de temps.
Quand un enfant de 13 mois ne marche pas, peut-on dire qu’il est incompétent à la marche ?
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Les performances du cerveau sont-elles identiques au cours de la vie ?
Si le cerveau s’adapte de manière fonctionnelle et structurelle aux changements environnementaux, si
les stimulations intellectuelles, sociales, motrices et sensorielles sont toutes capables de transformer
les réseaux neuronaux pour les rendre plus efficaces et donc plus performants, est-il possible que le QI
(qui mesure plusieurs performances cérébrales) soit une valeur constante pour un même individu ?
Cette question a été posée récemment par des chercheurs anglais qui ont suivi individuellement les
mêmes personnes au cours du temps, mesuré les QI individuels parallèlement aux structures cérébrales
par IRM. Les auteurs montrent clairement que les valeurs de QI verbaux et non verbaux des sujets
varient au cours du temps. Elle est par ailleurs corrélée aux développements variables de zones
corticales. Comme pour certains le QI augmente et qu’il diminue chez d’autres, la variabilité est telle
que la moyenne de la population rapportée à l’âge (ce qui est fait en psychologie habituellement)
parait parfaitement stable.
Cette évolution du QI dépend de la plasticité cérébrale, qui comme nous l’avons vu est influencée par
de très nombreux facteurs intrinsèques et extrinsèques, comme l’éducation, ou la durée de
scolarisation. La scolarité, le niveau social, l’état émotionnel, les conditions de vie, … impactent le
QI.
Certaines populations de fermiers en Inde du Sud sont alternativement « riches » puis « pauvres » au
cours de l’année. Le suivi des performances cognitives de ces fermiers a mis en évidence une variation
cyclique de 13 points de QI dans les périodes de grande pauvreté, qui remonte dans les périodes fastes.
Les auteurs suggèrent que les fermiers mobilisent majoritairement leur attention et leurs ressources
cognitives pour combattre leur pauvreté.
Je déteste parler de l’intelligence, une notion beaucoup trop floue, mal définie et trop globale. Les
scientifiques parlent de performances cognitives. Ces performances sont fractionnées dans le cerveau.
Des expériences ont montré l’indépendance des différentes composantes de l’intelligence. On peut être
performant dans une tâche mais pas dans une autre.
L’importance du sommeil : le sommeil change les performances. On note des performances plus
élevées dans la réalisation de la tâche après le sommeil qui permet de restructurer et réorganiser les
apprentissages, de faire le tri, de consolider entre savoir implicite et explicite et augmente les
capacités attentionnelles.
Plaisir, envie et apprentissages
L’espace cognitif conscient est modulé par les émotions qui elles sont préconscientes, notamment par
un circuit de survie. L’efficacité de l’apprentissage dépend du contexte émotionnel.
Pour comprendre ces modulations, il faut se replacer dans le cadre de l’évolution animale, car nous
possédons les mêmes circuits de base que les autres mammifères.
Pour survivre, deux circuits fonctionnels au minimum sont requis:
- celui qui donne envie de boire, de se nourrir et de se reproduire ; il y a une la circuiterie
spécialisée dans le désir de trouver une récompense. Une fois trouvée, cette récompense va
indirectement générer du plaisir. Le plaisir sera associé à la stratégie payante qui sera
renforcée.
-
en face la circuiterie qui apprend à éviter une situation dangereuse (génératrice d’anxiété et de
frustrations). Face à un prédateur, il y a activation de la voie neuronale de l’évitement, de
l’anxiété, de la douleur psychique. Ce circuit inhibe le circuit de récompense.
La dopamine renforce les apprentissages et les stratégies qui ont permis d’obtenir du plaisir, des
récompenses, la réussite. Dans l’aire tegmentale ventrale, coexistent les neurones spécifiques de la
récompense et de la punition. Le circuit de récompense (wanting, désir) est capable d’activer celui des
neurones opioïdes responsables du plaisir hédonique (liking, émotions positive). Or le système de
récompense et celui du plaisir vont impacter directement celui de la régulation de l’humeur sur du long
terme.
Il y a donc besoin de valorisations répétées pour se sentir bien (valorisations sociales, professionnelles,
..) et maintenir l’humeur (système serotoninergique, 5HT, noradrenergique et autres circuits
impliqués).
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Qu’est ce qui active cette voie de récompense chez l’homme ? C’est la réussite personnelle par rapport
au groupe, le fait de faire plaisir aux autres, la réussite dans ce que l’on fait, le jeu, rire et s’amuser.
Ce qui inhibe le circuit du plaisir d’apprendre : punitions, frustrations, deuil, domination du groupe,
anxiété, …
Ces circuits viennent réguler les émotions. La dopamine vient consolider les apprentissages. Face à un
évènement positif, il y a activation des voies qui augmente la sensation de plaisir. On peut augmenter
les performances mnésiques en injectant un précurseur de la dopamine.
Lorsqu’il y absence de valorisation, en cas d’échecs répétés ou la domination par rapport au groupe,
cela provoque une inhibition du système de récompense d’où une chute de l’humeur qui, à long terme,
génère dépression ou comportement agressif . Pour réactiver artificiellement le système de récompense
et se sentir mieux, l’individu va se tourner vers les drogues (car toutes les drogues addictives sont de
puissants activateurs du système de récompense : cannabis, alcool, cocaïne, héroïne, nicotine, etc…).
L’augmentation du risque de suicide représente également une comorbidité identifiée.
Le plaisir, la valorisation, la nouveauté, le sens des apprentissages, la probabilité d’obtenir une
récompense, le sentiment de progression, la probabilité d’obtenir une reconnaissance favorisent
attention, engagement et motivation.
La valorisation de l’élève, le sentiment de progression, le plaisir d’apprendre, le sens des
apprentissages, sont des éléments clés de la réussite.
Faut-il privilégier la carotte ou le bâton ?
Les expériences chez l’animal montrent que c’est la récompense positive qui favorise les
apprentissages.
Chez le singe, on sait que si l’on a recours à des chocs électriques l’animal ne va pas vouloir effectuer
la tâche. Chez le cheval : en faisant appel au renforcement positif, tous les chevaux arrivent à réaliser
la tâche. Si l’on utilise un renforcement négatif 50% vont effectuer la tâche, et 50% ne vont pas y
arriver. Avec un nouvel essai sur ces derniers, on fera évoluer 20% d’entre eux mais 30 % resteront
réfractaires à la tâche.
Chez l’homme, il y a toujours de meilleurs résultats chez l’élève en utilisant le renforcement positif
plutôt que renforcement négatif. Chez l’adulte, on peut obliger quelqu’un à effectuer une tâche mais
sur du très long terme on va aboutir à des changements d’humeur (dévalorisation, dépression,..).
Que se passe-t-il dans la tête d’un élève, quand il est dévalorisé ?
Exemple : on dit à un élève, » tu as obtenu un 15/20 mais tu es le dernier du groupe ». Quelles sont les
zones cérébrales qui s’activent ? Un individu qui a un faible sentiment de compétence va activer les
zones de l’anxiété, de la douleur psychique et de l’évitement.
Stress et performances
La dernière étude OCDE montre que la France est classée en 2ème position après le Japon pour le stress
ressenti en milieu scolaire et l’anxiété. L’amygdale cérébrale traite le stress chronique et la peur.
Il y a le stress doux (arousal), dans le cas d’une compétition sportive par exemple, qui chez un
individu à sentiment de compétence élevé, augmente la motivation, l’éveil et qui a un effet positif sur
le cerveau.
Le stress chronique anxiogène en revanche provoque différents impacts neurologiques délétères,
jusqu’aux cas extrêmes de neurotoxicité où les neurones meurent (syndrome post-traumatique). En cas
de stress et d’état anxieux élevé chroniques, les circuits du stress sont suractivés, les neurones de
l’amygdale deviennent plus actifs et finalement se transforment. Or l’amygdale inhibe toute une série
de structures cérébrales impliquées dans la mémoire, l’attention et les performances cognitives.
Le stress chronique via le système limbique, fait chuter les performances cognitives, perturbe
l’attention (et donc l’encodage), inhibe la mémoire, et augmente l’anxiété.
De plus le stress chronique répété déprime le système de récompense.
Un élève en très grande difficulté par rapport au groupe ne sent pas bien, ce qui provoque l’activation
du circuit de stress et de l’anxiété (amygdale, insula) d’où l’inhibition de l’attention (et donc de
l’encodage), de la mémoire et des fonctions cognitives. Et par conséquent on aboutit à une
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performance moindre, d’où le sentiment d’être nul. Quand en plus on vient renforcer ce sentiment avec
des notes catastrophiques, on renforce la voie de stress chronique d’où l’activation des processus
négatifs de dévalorisation. L’élève se focalise alors sur les points négatifs ce qui provoque les
processus d’aversion. La dévalorisation et la baisse de performance par rapport au groupe active les
signaux aversifs qui perturbent l’encodage de l’information donc la mémoire, la cognition, la plasticité
dans l’hippocampe et la plasticité dans l’amygdale qui elle rend l’élève de plus en plus anxieux : « je
suis nul, je resterai nul ».
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Questions et échanges avec les participants
Est-ce qu’un stimuli négatif répété provoque un comportement anarchique ou au contraire des effets
de grande lucidité sur l’analyse le situation ? Est-ce que l’intellect peut être totalement inhibé ?
Si on force des stimulations négatives répétées, chroniques, on aboutit à la dépression. Dans
certains cas très particuliers, est-ce que cela peut booster les compétences ? Cela n’est pas
constaté chez l’animal. Mais chez l’homme, en fonction de l’environnement, il peut y avoir
des cas particuliers. Il y a tellement de facteurs qui entrent en ligne de compte.
Impact des anxiolytiques sur les apprentissages
Les drogues agissent sur tout le cerveau. Il n’existe pas de drogue qui inhibe l’amygdale
cérébrale. Les anxiolytiques inhibent le stress mais aussi la mémoire, …
Des laboratoires de recherche travaillent sur le sujet pour arriver à cibler la pharmacologie.
La construction du cerveau entre activités motrices et sensorielles
Il a été montré que l’EPS stimule fortement le cerveau et des zones qui n’ont rien à voir avec
l’activité motrice, la mémoire par exemple, en stimulant par exemple la neurogénèse (
création de nouveaux neurones), donc une meilleure plasticité. Donc il y a un impact
important entre l’activité du corps et des zones cérébrales (Voss et al., 2013).
Est-ce que des individus peuvent être stimulés par des stimuli négatifs ?
Le feedback négatif (constat d’erreur) peut être source de progrès puisqu’elle permet de
rectifier et d’ajuster son travail, si ce feedback est bienveillant.
Mais la note sanction chronique ou la dévalorisation répétée, pour montrer à l’élève qu’il n’est
pas au niveau attendu, est uniquement source de stress et est délétère pour la motivation et les
apprentissages. Ces méthodes vont amener à l’aversion et au rejet.
De mon point de vue, les évaluations répétées de type sanction (c’est bon, c’est mauvais,
notes quantifiées; même au primaire, ces évaluations de l’élève se succèdent à un rythme
effréné) ne font que valoriser ceux qui sont en tête de groupe et dévaloriser les autres. Avec
ces procédés on tire les meilleurs vers le haut et le reste vers le bas. La notation sanction va
accentuer l’écart entre ces deux groupes. Et ceux qui sont en queue de peloton voient chaque
jour augmenter le système de stress et d’anxiété pour finalement abandonner ou trouver un
autre moyen de valorisation (faire le clown, utiliser la force par rapport au groupe, etc…).
Dans tous les cas le feedback positif est nécessaire pour maintenir l’attention, la motivation et
l’engagement.
Le renforcement négatif fonctionne moins bien que la valorisation. Cela dépend du sentiment
de compétence de l’élève ; s’il se sent mauvais et si on lui dit qu’il est mauvais, cela ne va pas
aller dans le bon sens. Alors que quelqu’un qui se sent bon, si on lui dit « tu vois là tu as
vraiment loupé », l’élève peut répondre « je n’étais pas prêt » et cela peut le booster.
Le sentiment de compétence a un impact énorme par rapport à la difficulté de la tâche
demandée. En tant qu’enseignant il faut toujours adapter la tâche pour qu’elle soit dans la zone
proximale de développement.
Remarque personnelle : En tant qu’enseignants-chercheurs à l’université de Rennes 1 nous sommes
évalués depuis plusieurs années par les étudiants eux mêmes, pour chaque module. Les évaluations
(anonymes) concernent chaque enseignant. Même si la mise en place de ce dispositif n’a pas eu
l’adhésion de tous les enseignants au départ, il est désormais parfaitement accepté, pris en compte.
Certes, ce n’est pas confortable pour tout le monde, mais il se trouve que le jugement des élèves est
souvent très juste. Il permet à l’enseignant de se remettre en question, de savoir où sont les points
faibles dans ses enseignements et d’ajuster le contenu. Pourquoi ne pas mettre le même dispositif dans
l’enseignement secondaire ?
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