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Stanislas Dehaene : le cerveau, l’intuition des nombres et les neurones de la lecture

Neuroscientifique, de l’Académie des sciences, auteur de La bosse des maths et Les neurones de la lecture
Le neuroscientifique Stanislas Dehaene s’intéresse à l’intuition des nombres chez les hommes et chez les animaux, aux aires corticales du cerveau activées pour la lecture et depuis peu, à la méta-cognition, c’est à dire, la conscience d’être conscient. Benjamin de l’Académie des sciences et du Collège de France, il nous parle, avec une grande pédagogie, de ses travaux et des dernières publications de son laboratoire.


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Référence : HAB611
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Date de mise en ligne : 20 février 2011


« Stanislas Dehaene fait autorité dans sa discipline » . La citation est d’Oliver Sachs, célèbre neurologue auteur de L’homme qui prenait sa femme pour un chapeau [1].
Avec Stanislas Dehaene, tout semble simple et évident. Il vous explique avec une facilité déconcertante les mécanismes qui s’opèrent dans votre cerveau lorsque vous lisez un texte ou que vous effectuez une opération. Passionné par l’étude du cerveau dès ses premières années d’études, notre invité s’était initialement penché sur les sciences dures en entrant à l’ENS dans la section mathématiques et en poursuivant par un master de mathématiques appliquées et de sciences informatiques. La raison est simple : « Je pensais que l’intelligence artificielle serait utile pour mieux comprendre les mécanismes du cerveau » raconte-t-il. « Mais pendant mon séjour à l’ENS, je suis passé des mathématiques à la psychologie, et j’ai touché du doigt les neurosciences à la rencontre de Jean-Pierre Changeux [2] ».

A l’époque, la psychologie et la neuroscience ne cohabitent pas facilement. « La psychologie était très fonctionnaliste à ce moment là. Elle espérait ne pas avoir à se pencher sur le cerveau, résoudre le problème du traitement de l’information de manière purement algorithmique. Aujourd’hui on est totalement revenu de cette idée » . Et dès le départ, Stanislas Dehaene a les pieds dans les deux mondes : le premier avec son directeur de thèse Jacques Mahler chercheur en psychologie cognitive. « Ma thèse était consacrée à la représentation des nombres dans le cerveau ». Et l’autre pied dans le laboratoire du neuroscientifique Jean-Pierre Changeux avec qui il passe une bonne partie de son temps à modéliser des réseaux de neurones. En bénéficiant deux optiques, Stanislas Dehaene gagne une longueur d’avance dans la recherche.

Il fait parti des premiers à utiliser l’imagerie cérébrale avec l’IRMf, (imagerie par résonance magnétique fonctionnelle) en psychologie cognitive. Cette technique, peu invasive, donne en très peu de temps un maximum de résultats. Elle permet d’étudier le cerveau comme objet sous l’angle de la psychologie. « Je travaille actuellement au centre NeuroSpin de Saclay qui est probablement le mieux équipé d’Europe et probablement du monde. Ce sont des outils techniques qu’il faut savoir maîtriser. Beaucoup de mathématiques et d’informatique sont impliqués, mais j’insiste sur le fait que ce sont des méthodes de la psychologie. On cherche toujours à comprendre l’organisation des représentations mentales, mais l’outil a changé » .

Nombres et longueurs sont codés par des neurones très proches dans le cortex pariéta
Nombres et longueurs sont codés par des neurones très proches dans le cortex pariéta
© Stanislas Dehaene

L’intuition des nombres, une découverte de Stanislas Dehaene

Parmi les travaux de Stanislas Dehaene, ceux qui portent sur l’intuition des nombres figurent en bonne place. Notre neuroscientifique a en effet démontré que l’intuition existait chez l’homme et l’animal et faisait appel à des circuits particuliers du cerveau. « Attention précise-t-il, nous parlons d’opérations simples, pas de mathématiques très élevés ». Et nous cite un exemple : « Si je vous dis que 22 +11 = 99, vous me dites instantanément que c’est faux. Et pourtant, vous n’avez pas eu besoin de faire le calcul. Vous vous êtes rendu compte que les nombres étaient trop distants. Ce concept de distance pointe vers une représentation du nombre sur une ligne numérique. Il fait appel à la représentation de l’espace, comme une échelle de degrés où instinctivement les premiers chiffres apparaissent à gauche et les plus grands sur la gauche. Cet espace de nombres nous permet d’approximer ».

Cette approximation est valable aussi pour l’animal, qui de ce fait peut se représenter une certaine quantité. Si on lui présente un ensemble d’une quinzaine d’objets, il est capable de s’en représenter à peu près 15. L’animal fait la différence entre une quinzaine et une trentaine d’objets.

« Il existe ce qu’on appelle une sorte de psychophysique : ses objets sont traités sous une forme de représentation approximative ». Même les très jeunes enfants avant d’avoir appris le symbole des nombres sont capables de les combiner, de les comparer de les additionner et de les soustraire, de faire des comparaisons approximatives.

Dans la réédition de La bosse des maths [3], Stanislas Dehaene présente des avancées considérables des connaissances dans ce domaine, grâce notamment à l’imagerie cérébrale. « Nous avons observé grâce à cet outil que les personnes qui approximaient faisaient appel à une région particulière de leur cerveau : le sillon intra-pariétal ; une région clé pour le sens des nombres. Cette observation a validé ce que nous avions prédit avec Jean-Pierre Changeux. Nous avions émis l’hypothèse qu’il existait des neurones des nombres ». Chez le bébé aussi cette région de l’hémisphère droit s’active à l’observation des ensembles d’objets approximatifs.
Il est donc tout à fait clair que nous avons tous une représentation approximative des quantités. Elle est innée et héritée de l’évolution. Cette intuition des nombres était utile chez les espèces animales pour se représenter la quantité de nourriture, la quantité de congénères et donc nécessaire à la survie. Aujourd’hui, elle sert de fondement à l’apprentissage des symboles mathématiques.

Acuité numérique : sommes-nous tous égaux face aux mathématiques ?

Cette « intuition » des nombres est aussi appelée « acuité numérique ». Elle est commune à tout le monde. Il n’existe pas de différence à la base entre les filles et les garçons. Mais l’acuité numérique va s’affiner progressivement selon l’éducation donnée aux enfants. « Au départ, un petit enfant va faire la différence entre 4 et 8 objets. Progressivement il va réussir à faire la différence entre 4 et 5. Mais tous ne vont pas développer cette capacité au même moment ».
Certains peuvent développer ce qu’on appelle une dyscalculie : « Ce sont des enfants qui ont un développement et une intelligence complètement normale mais qui dans le domaine précis de l’arithmétique ont des difficultés très sévères. J’ai vu certains d’entre eux qui ne savaient pas ce qu’il y avait entre 2 et 4. Mais ce n’est pas une fatalité ! Le cerveau est très plastique et cela peut être corrigé rapidement ».
Sur le plan de l’imagerie cérébrale on observe dans les cas de dyscalculie des anomalies dans la région pariétale : la zone devrait s’activer au moment des opérations mathématiques mais ne s’active pas suffisamment ou son organisation anatomique apparaît désorganisée. « On pense que des anomalies périnatales voir prénatales prédisposent certains enfants à des difficultés arithmétiques, mais cela ne veut pas dire qu’on ne puisse pas les compenser par une éducation focalisée dans ce domaine, avec des jeux mathématiques notamment ». Mais tous les enfants ayant des difficultés en mathématiques ne sont pas forcément dyscalculiques…
Stanislas Dehaene regrette qu’on ne prenne pas en compte les intuitions très nombreuses des enfants dès leur arrivée au CP, au profit d’un « remplissage pour des têtes bien pleines ». Additionner, soustraire, sont des concepts très intuitifs. L’enfant doit donc apprendre à faire la connexion entre les symboles mathématiques et ses intuitions. Il est susceptible d’abandonner son sens des nombres.

Extrait du logiciel <i>La course aux nombres</i>
Extrait du logiciel La course aux nombres

Pour les jeunes enfants qui semblent en difficulté et pour les adultes ayant subi un accident vasculaire, le laboratoire de Stanislas Dehaene a développé un logiciel gratuit : « La course aux nombres ». Soucieux de trouver des applications à ses travaux, il a cherché à stimuler ces aires du cerveau tout en s’amusant. « Le travail d’autres collègues a démontré que les jeux de plateau avec des dés et une ligne numérique sur laquelle vous faites avancer vos pions (et qui participe à la spatialisation des nombres) entraîne un véritable sens des nombres. Ce lien nombre / espace est bénéfique. Ce jeu a la particularité de s’adapter automatiquement au niveau du joueur ».

Mouvement des yeux et opérations mathématiques

Autre découverte relative au calcul menée par la laboratoire de Stanislas Dehaene : la spatialisation des nombres. Faites l’expérience vous-même : additionnez de tête deux chiffres ; instinctivement, votre regard va se porter en haut à droite. Inversement, faites une soustraction ; cette fois-ci, votre regard se focalisera en bas à gauche ! C’est en 2008 que l’équipe de Saclay a levé le voile sur ce mystère. Comme nous l’a expliqué Stanislas Dehaene, il existe une aire dévolue aux nombres : le sillon intra-pariétal. Mais en étendant nos compétences mathématiques, cette seule aire initialement dévolue à l’approximation des nombres ne suffit plus. Des régions supplémentaires proches de cette aire corticale sont recrutées. Et dans ce cas précis de représentation des nombres, c’est l’aire dévolue au mouvement des yeux qui est appelé à la rescousse. Ceci explique le mouvement des yeux. « J’ai développé le concept de recyclage neuronal, où certaines aires du cerveau peuvent avoir plusieurs fonctions ». Mais pourquoi regarder vers la droite pour une addition et vers la gauche pour une soustraction ? C’est la fameuse ligne numérique de représentation des nombres, évoquée plus haut, qui nous incite à la latéralisation du regard.

Les neurones de la lecture

Si la « bosse des maths » reste le sujet favori de Stanislas Dehaene, il s’intéresse aussi avec son équipe aux neurones de la lecture. Un paradoxe s’est présenté à eux. L’existence d’une aire cérébrale spécialisée pour la lecture soulève la question de son origine. Car si le cerveau a mis plusieurs milliers d’années à se développer, l’acquisition de la lecture est, elle, très récente. Comment se fait-il que les humains aient réussi à établir une aire corticale dédiée à la lecture, et cela aussi rapidement ?
Encore une fois, c’est « le recyclage neuronal » qui intervient. A l’échelle de l’évolution humaine, lire est une compétence récente, qui n’a concerné pendant longtemps qu’une toute petite fraction de l’humanité. Cette capacité est trop récente dans l’histoire de l’évolution pour qu’elle ait été intégrée dans une aire corticale.

« Si le cerveau n’a pas évolué, cela signifie que c’est notre système de reconnaissance visuel qui s’est développé.
En inventant l’écriture, l’homme a exploité la capacité d‘une toute petite partie de son système visuel à reconnaître des formes nouvelles et les envoyer vers les aires du langage parlé. Apprendre à lire, c’est au départ recycler une petite région du cortex visuel qui s’intéressait initialement aux objets et aux visages. Sous l’influence de l’éducation à la lecture, le cerveau apprend à reconnaître la forme des lettres, leurs combinaisons et envoyer cette information vers les régions temporales qui s’intéressent à la prononciation des mots. C’est une chance de disposer d’une région ayant les bonnes propriétés de reconnaissance invariante des objets, de projection vers les aires du langage et que nous puissions la recycler. Si nous n’avions pas un tel système nous ne pourrions pas apprendre à lire »
nous explique Stanislas Dehaene.

Récemment, l’équipe de Stanislas Dehaene a mené une étude sur 60 personnes d’une cinquantaine d’années, venant du Portugal et du Brésil. « Toutes ces personnes étaient illettrées, elles n’avaient pas eu la chance d’apprendre à lire. Nous avons scanné le cerveau de ces volontaires pour observer les différences avec d’autres personnes ayant appris à lire. Les différences sont considérables. On observe notamment chez les personnes alphabétisées une petite décroissance de la reconnaissance du visage au profit de la lecture. On devine une sorte de compétition entre ces deux facultés ».

Penser différemment l’enseignement des enfants

Au regard de la dyscalculie et de l’expérience menée sur des personnes illettrées, Stanislas Dehaene s’intéresse aussi désormais à la question de l’enseignement en primaire. « Il est indispensable que les enseignants comprennent comment fonctionne le cerveau des enfants ; comprendre par exemple pourquoi les enfants écrivent et savent lire en miroir ». Observez des enfants à la maternelle et en primaire : ils signent leurs dessins de droite à gauche et de gauche à droite indifféremment et ne voient pas la différence. Voilà encore une compétence innée qui s’explique encore une fois par le recyclage neuronal. La région utilisée pour apprendre à lire est celle initialement de la reconnaissance des objets et des visages. Cette région reconnaît indifféremment le profil droit et gauche des visages et des objets. Le cerveau a intégré cette régularité pour l’écriture et la lecture. Au fur et à mesure de l’apprentissage de l’enfant, cette faculté se perd.
Ceci explique pourquoi au départ un enfant est presque systématiquement amené à confondre la lettre B et D. Pour le cerveau qui lit des deux côtés, il est difficile de comprendre que ces deux lettres donnent des sonorités différentes. Cette faculté n’a rien à voir avec la dyslexie. C’est juste une propriété de notre cerveau qui se révèle inutile à la lecture, mais qui était utile en grec ancien.

« Il faut donc réfléchir à des enseignements plus proches des besoins du cerveau. On a compris que le circuit fonctionnait en reconnaissant les lettres, les séries de lettres, et les phonèmes. Ces derniers sont les plus petits éléments sonores de la langue parlée qui ont du sens. Toute une série de recherche pédagogique montre que les meilleures méthodes pédagogiques consistent à orienter l’attention de l’enfant vers ses phonèmes, et vers les correspondances entre les lettres et les phonèmes ». En ce sens, pour Stanislas Dehaene, la lecture globale est une illusion psychologique. Dans la « lecture globale, un mot de trois lettres ou de huit lettres sont traités aussi rapidement. Mais si toutes les lettres sont traitées en même temps, le cerveau réalise cependant un traitement parallèle.

« J’insiste sur l’idée que l’Education nationale devrait avoir un département de recherche et d’expérimentation. Par exemple Edouard Gentaz, chercheur au CNRS, a démontré que le fait de tracer des lettres et de les toucher, améliorait la lecture. On ne comprend pas encore pour quelles raisons, mais cela aide à figer la connaissance des lettres. Ces enfants qui travaillent ainsi apprennent plus vite à lire ».

La méta-cognition : la conscience d’être conscient. Expérience autour du traitement subliminal des mots

Aujourd’hui, Stanislas Dehaene travaille sur la méta-cognition. Avec ses équipes, ils se sont penchés sur les images subliminales que notre conscient ne capte pas, mais que notre inconscient saisit. La perception par le cerveau d’un mot subliminal peut s’observer grâce à l’imagerie cérébrale.
On constate que « toute la partie montante du traitement de l’information jusqu’au traitement du sens du mot est activée de façon non consciente. L’aire qui est activée est dédiée à la forme visuelle du mot ».
Mais les observations vont beaucoup plus loin et confortent les modélisations mathématiques de Jean-Pierre Changeux et de Stanislas Dehaene qu’ils ont appelé « embrasement cortical » : Il a été démontré que si l’on prend conscience de l’information, l’activité cérébrale est amplifiée et envahit une série d’aire cérébrales, notamment le cortex frontal.« Ainsi, on est arrivé à un modèle simple de ce que pouvait être “l’accès à la conscience” ! »

Etre conscient d’être conscient est un niveau cognitif particulier, dont on sait qu’il existe chez l’homme, mais dont on cherche encore la preuve chez les animaux.

Aujourd’hui toute la difficulté est de transformer notre compréhension de la conscience au niveau théorique en un outil pratique qui puisse par exemple aider les patients dans le coma ou dans un état végétatif. Par exemple, la frontière entre état végétatif et Locked-in syndrome [4] n’est pas bien défini. Et on pense que 10 % des personnes dites dans un état végétatife seraient en fait touchés par le Locked-in syndrome. « Beaucoup de laboratoires dans le monde, le nôtre y compris, aimeraient développer des outils de communication uniquement avec les ondes cérébrales, pour pouvoir communiquer avec ses patients. Nous pourrions nous en servir notamment pour commander un fauteuil roulant [5]. »
Mais les travaux d’Evelyn Eger qui travaille au sein du laboratoire de Stanislas Dehaene vont beaucoup plus loin. Elle cherche à décoder ce que le volontaire pense. Elle s’applique pour l’instant à décoder les nombres. Fascinant et inquiétant ? « Il ne faut pas voir peur de ces recherches. Ce ne sont que des démonstrations de laboratoire. Ensuite sans la coopération du patient, le signal se brouille.
Rassurez-vous personne ne pourra un jour déchiffrer le code de carte bleue que vous avez en tête ! En revanche, les applications cliniques sont porteuses de grands espoirs »
.

© Editions Odile Jacob

Stanislas Dehaene est psychologue cognitif et neuroscientifique, Directeur de l’unité mixte Inserm-CEA 562 de Neuroimagerie cognitive à Orsay, Professeur au Collège de France, où il occupe depuis 2005 la chaire de psychologie cognitive, et membre de l’Académie des sciences.

En savoir plus :

- Stanislas Dehaene, professeur au Collège de France
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- Stanislas Dehaene, membre de l’Académie des sciences

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Stanislas Dehaene, La bosse des maths : Quinze ans après, éditions Odile Jacob, 2010
Stanislas Dehaene, Les neurones de la lecture, éditions Odile Jacob, 2007
Stanislas Dehaene, Reading in the Brain : The Science and Evolution of a Human Invention, éditions Viking, 2009

[1] Ecoutez notre émission Quarante ans de neurosciences avec Jean Rossier, de l’Académie des sciences

[2] Jean-Pierre Changeux est membre de l’Académie des sciences, professeur honoraire au Collège de France. Il est mondialement connu pour avoir mis à jour les récepteurs de l’acétylcholine. Ces récepteurs expliquent la dépendance à la nicotine

[3] La bosse des maths, éditions Odile Jacob, 2010

[4] Le syndrome d’enfermement est un état neurologique rare dans lequel le patient est éveillé et totalement conscient , mais ne peut ni bouger ni parler, en raison d’une paralysie complète excepté le mouvement des paupières.

[5] Les laboratoires de Toyota ont mis au point un prototype de fauteuil roulant guidé par la pensée, grâce à des électrodes






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