Le cerveau humain

 


Le cerveau qui comprend n'est plus tout à fait cette mystérieuse boite crânienne dans laquelle se déchainent des tempêtes ou des passions dont le professeur n'a connaissance que par ce qu'il voit ou entend de l'élève. Nous en savons chaque jour un peu plus sur ce cerveau qui apprend, sur son extraordinaire plasticité. La pédagogie a beaucoup à en recevoir, tout en demeurant un art subtil, comme ce fut le cas de la médecine irrriguée de la biologie après Louis Pasteur. " (Pierre Léna, Enseigner c'est espérer, Le Pommier, 2012)


 

Le cerveau et son fonctionnement fascinent depuis l’Antiquité. Ils sont actuellement le sujet de très nombreuses recherches qui regroupent des neurobiologistes, des neurologues, des psychiatres, des psychologues, des radiologues, des philosophes, des linguistes, des sociologues, des anthropologues, des généticiens, des informaticiens, etc. Parmi les multiples méthodes d’exploration du cerveau, les techniques d’imagerie cérébrale mises au point depuis quelques années permettent d’étudier le cerveau vivant et notamment ses fonctions cognitives.

 

« A la base des neurosciences modernes, se trouve le principe selon lequel le comportement est un reflet du fonctionnement du cerveau. Selon cette vision, ce qu’on appelle « mental » est un ensemble de fonctions effectuées par le cerveau. L’action du cerveau est à la base non seulement de comportements moteurs relativement simples tels que marcher, respirer, sourire, mais aussi de comportements élaborés, affectifs et cognitifs, comme ressentir, apprendre, penser, et composer une symphonie …»

 (Kandel, Schwartz, Jessel, 1991, p. 5)

 

Comment identifier les compétences du cerveau et leur développement?  

 

 

 

a. Le cerveau en fonctionnement

b. Le cerveau, le système nerveaux central et leurs fonctions

c. Les cellules du cerveau

d. La transmission des informations 

 


 

Le cerveau en fonctionnement

Le cerveau est un organe du corps.

Le cerveau adulte est constitué à 75% d’eau. Il contient plus de lipides (graisses) que d’autres organes : les lipides représentent 1/3 de son poids sec (1/5 pour d’autres tissus).

 

Le cerveau est sans cesse actif.

Le cerveau ne représente que 2% du poids de notre corps (environ 1400 g pour le cerveau d’un adulte), mais il consomme 20% de l'énergie totale de notre organisme, ce qui témoigne de son activité intense.  Les nutriments (le principal est le glucose) et l’oxygène dont il a besoin pour son fonctionnement parviennent au cerveau grâce à une vascularisation très dense. Le cerveau est un des organes les plus vascularisés de l’organisme, il a besoin constamment et  massivement de l’oxygène apporté par les vaisseaux sanguins. 

 

Le cerveau est l'organe de la pensée, de l'apprentissage, du comportement, des émotions ... 

Le cerveau règle tous les mécanismes nécessaires à la vie (dont la faim, la soif, le sommeil ...), il est le siège de la conscience, il contrôle la motricité et il assure les fonctions cognitives. Il nous permet de percevoir, d’être attentif, de ressentir et d'exprimer des émotions, de nous souvenir, de penser, de prendre des décisions, d’agir, de gérer nos comportements et nos relations avec autrui.  « (...) tous les comportements, y compris les fonctions cognitives et émotionnelles qui caractérisent notre fonctionnement mental, peuvent être localisés dans des régions ou des constellations spécifiques de  notre cerveau. » (Kandel, Schwartz, Jessel, 1991, p. 15)

 

Le cerveau fonctionne comme un tout, mais certaines de ses parties sont particulièrement impliquées dans certaines fonctions. 

La notion de fonction est fondamentale en neurosciences et en sciences cognitives. Elle a été introduite au XIXe siècle par l’approche phrénologique* qui tentait de faire coïncider une région du cerveau et une fonction. Cette théorie ne reposait sur aucune donnée scientifique et a été rapidement abandonnée. Elle a cependant eu le mérite d’envisager le cerveau comme une juxtaposition de régions ayant chacune une fonction particulière. 

 

Les fonctions cérébrales et leurs composantes sont prises en charge par des réseaux de neurones (les cellules qui assurent la transmission des signaux d'une zone à une autre du système nerveux). 

« (…) grâce à la convergence entre la psychologie cognitive et les sciences du cerveau, on a pu commencer à apprécier le fait que toutes les fonctions mentales sont décomposables en sous-fonctions. Les processus mentaux – percevoir, penser, apprendre, se rappeler – nous apparaissent comme unitaires et indivisibles. Nous en faisons l’expérience comme s’il s’agissait d’opérations qui ont lieu instantanément et imperceptiblement. En réalité, chacun de ces processus comprend des composantes indépendantes en charge chacune d’un certain type de traitement de l’information, et même la tâche cognitive la plus simple s’appuie sur la coordination de plusieurs régions cérébrales distinctes. » (Kandel, Schwartz, Jessel, 1991, p. 15)

Les informations sont traitées par des réseaux neuronaux spécifiques qui s'activent de manière privilégiée en réponse à certains stimuli ou en relation avec une tâche donnée à faire. 

 

La spécialisation de différentes régions du cerveau pour des tâches particulières, nous fait dire que le cerveau n'est pas un ordinateur - même s'il traite et élabore des informations pour mener à bien ses tâches.

D'un point de vue cognitif, l'information est élaborée par des modules spécialisés : les uns dans le traitement du langage, les autres dans la perception visuelle, ou dans la coordination du mouvement ou dans le raisonnement ou dans l'orientation spatiale ... L’organisation des modules est d’ailleurs beaucoup plus fine : par exemple, la perception visuelle comprend des modules dédiés à la perception des visages, ou à la perception du regard. 
Cette approche a des implications importantes en pathologie et dans certains troubles (par exemple, les troubles de l'apprentissage). Un dysfonctionnement peut être très localisés, et n’affecter qu’une fonction spécifique : un enfant dyslexique souffre d'un dysfonctionnement qui affecte sa capacité à lire mais qui n'a pas d'effets sur ses fonctions de raisonnement, de pensée, de compréhension. 

 

La localisation des fonctions cérébrales est abordée aujourd’hui en combinant les méthodes de la psychologie cognitive et celles des neurosciences cognitives, notamment l’imagerie cérébrale. 

La psychologie cognitive étudie des fonctions mentales telles que la mémoire, l’attention, la perception, le langage, le raisonnement, la résolution de problèmes … à partir de l’observation de comportements, de mesure et d’expérimentations.  On peut, par exemple, mesurer des temps de réaction face à une tâche qui demande de l’attention et en inférer des lois du fonctionnement de l’attention. La psychologie cognitive ne se limite pas au comportement (contrairement à un courant de la psychologie connu sous le nom de behaviorisme*), mais elle utilise ce dernier comme base d’observation pour faire des inférences sur les processus « cachés ». Les neurosciences cognitives étudient les bases neurales de ces mêmes fonctions cognitives. Elles reposent sur l’idée que les fonctions qui donnent lieu à des comportements observables sont réalisées par des activations de zones particulières et spécifiques du cerveau. Elles se servent de méthodes d’exploration qui mesurent l’activation spécifique de telle ou telle zone du cerveau pendant que le sujet observé accomplit une tâche et donc mobilise une ou plusieurs fonctions. Ces méthodes incluent principalement l’imagerie cérébrale fonctionnelle et l’électrophysiologie, mais aussi, la  simulation mathématique et informationnelle et la génomique. On parle de sciences cognitives* pour se référer à ce domaine d'études fortement interdisciplinaire. 

 

 

La phrénologie était une approche des fonctions mentales en vogue au XIXe siècle, notamment sous l’impulsion de Franz Joseph Gall (1758-1828), un médecin allemand qui théorisait que les différentes parties du cerveau sont spécialisées dans des fonctions précises et que cette spécialisation se reflète dans la forme du crâne, dans ses «bosses».

Le behaviorisme (ou comportamentalisme) est un courant de la psychologie né au début du XXe siècle. Il se caractérise par son approche expérimentale de l’étude de certaines formes d’apprentissage, notamment l’apprentissage par association et conditionné par des récompenses, sans porter attention aux mécanismes et processus en jeu dans le cerveau.

Les sciences cognitives sont un champ de recherche multidisciplinaire qui a pour objectif la compréhension des fonctions du cerveau ayant une expression dans les comportements individuels et sociaux : l’interaction avec l’environnement, la réflexion, l’interaction sociale, la communication, le ressenti des émotions, l’acquisition, la conservation et la production de connaissances et leur transmission. Les sciences cognitives se prévalent d’approches méthodologiques multiples et se rapportent à de nombreux domaines spécialisés de recherche.

 


Les parties du cerveau et leurs fonctions

Chaque cerveau est à la fois unique et universel.

Un cerveau humain est facilement reconnaissable par sa forme générale, sa surface ou cortex (écorce en latin) très plissée et sa partie antérieure particulièrement développée. Ces caractéristiques sont les mêmes chez tous les êtres humains. . 
Le cerveau humain comprend aussi des structures anciennes d’un point de vue évolutif, qui existent pratiquement à l'identique chez d'autres espèces.

 

Le cerveau humain tel qu'on l'observe aujourd'hui a un long passé évolutif. 

Les spécialisations cérébrales propres à chaque espèce sont le reflet des pressions de l’environnement tout au long de l'évolution. Les caractéristiques du cerveau humain, sa grande taille, sa partie antérieure développée, et les plissements de son cortex sont le reflet de l’évolution. Toutefois, le cerveau humain n’est pas "plus évolué" que celui des autres animaux!

Bien que le cerveau hérite de notre  histoire évolutive, on ne peut pas diviser le cerveau de manière simple en parties "mammaliennes" et "reptiliennes":  tous les animaux (et leurs cerveaux) ont subi dans le temps les mêmes processus évolutifs que nous: le cerveau d'un reptile n'est pas moins évolué que celui d'un être humain. 

 

Le cerveau est un organe intégré.

Les différentes structures du cerveau communiquent entre elles et fonctionnent de manière concertée, grâce aux réseaux denses de neurones. La densité des connexions est la raison pour laquelle on ne peut pas parler de "cerveau droit" ou "cerveau gauche".  

Le cerveau a deux hémisphères, un droit et un gauche, à vue d’oeil identiques. Entre eux, le corps calleux, gros faisceau de fibres nerveuses, les met en relation. Bien que nettement séparés anatomiquement, les deux hémisphères travaillent ensemble dans l’exécution de beaucoup de tâches.

 

Dans le crâne

 

L'encéphale

 

Le crâne contient le cerveau proprement dit et le cervelet, le diencéphale et le tronc cérébral (à la base et en arrière du cerveau) qui relie le cerveau à la moelle épinière.
 
A l’intérieur du crâne, le cerveau est entouré de membranes appelées méninges.  Le liquide céphalo-rachidien, sécrété par les méninges, baigne le cerveau et circule à l’intérieur des cavités du cerveau.
Le crâne, les méninges et le liquide céphalo-rachidien protègent le cerveau

 

La face latérale du cerveau et les hémisphères cérébraux 

Au niveau du cortex cérébral de chaque hémisphère, les sillons les plus profonds délimitent, visuellement, 4 lobes : frontal, pariétal, temporal, occipital (comme le nom des os du crâne qui les recouvrent). 

Les lobes sont souvent mis en relation avec de grands groupes de fonctions cognitives qui y sont traitées de façon privilégiée.

Le lobe frontal est impliqué dans la pensée, la mémoire, l’attention, la mémoire de travail, la planification des actions.

La partie la plus postérieure du lobe frontal, en connexion avec les ganglions de la base (en profondeur à la base du cerveau) et le cervelet, prépare et contrôle les mouvements volontaires du corps ; elle joue également un rôle dans la prévision des conséquences des mouvements (quelle sensation produira un mouvement, quelle position du corps découlera du mouvement). 
 
La partie la plus antérieure du lobe frontal appelée cortex préfontal, est le siège de nombreuses fonctions dites « supérieures »: langage, fonctions exécutives (mémoire de travail, attention, inhibition), raisonnement.
 
Le lobe pariétal est impliqué dans l’élaboration et l’intégration des sensations du corps, de la vision, de l’audition et  des mouvements. Il remplit des fonctions associatives. Il est aussi impliqué dans la perception de l’espace et dans le contrôle de certains mouvements oculaires. 
 
Le lobe temporal traite l’audition et la compréhension du langage. Il a aussi des régions spécialisées dans la mémoire à long terme déclarative (mémoire sémantique et mémoire épisodique), et dans le ressenti des émotions.
 
Le lobe occipital est largement dédié au traitement des stimuli visuels.
 

La face ventrale du cerveau 

Sur la face ventrale (le dessous du cerveau), on voit les pédoncules olfactifs avec leurs bulbes : c’est ici qu’arrivent les informations provenant des récepteurs situés dans les cavités nasales. 

La face médiale du cerveau, et le diencephale

La face médiale  du cerveau n’est visible que sur une coupe de cerveau. Celle-ci permet de voir des régions qui jouent un rôle important dans la régulation et l’expression des émotions, dans la mémoire (notamment au niveau de l’hippocampe, petite structure bilatérale qui se trouve dans la face médiale du lobe temporal, à la forme évocative et qui joue un rôle crucial dans la mémoire à court terme et la mémoire à long terme, ainsi que la navigation spatiale et la mémoire des lieux), la vie végétative*.
 
Le diencéphale est visible dans ce schéma de l’hémisphère droit. 
Ses structures incluent notamment  le thalamus (zone de relais qui fait converger les informations provenant de différentes parties du cerveau vers le cortex frontal, jouant un rôle aussi dans la conscience et les aspects émotionnels des sensations), au dessous duquel se trouve l’hypothalamus (en charge de la régulation de l’homéostasie, fondamentale à la vie, et qui opère en connexion avec le système nerveux périphérique autonome). 
 

* L’expression « système limbique » est souvent employée pour désigner e avec celui de « cerveau reptilien, mais ces termes prêtent à confusion. Le lobe limbique correspond à une partie du cortex qui relie entre elles des composantes du système limbique (le système du ressenti des émotions, dont le contrôle se trouve au niveau du cortex préfrontal). Le terme cerveau reptilien induit à penser que cette partie profonde du cerveau est la même chez l’homme et chez les reptiles, ou que ceux-ci ont un cerveau plus ancien que le nôtre, alors que le cerveau des reptiles a évolué autant que le nôtre.

Le tronc cérébral

Le tronc cérébral, partie de l’encéphale, est en avant du cervelet et sous le cerveau. Organe de petite taille il est impliqué dans de multiples fonctions. Constitué anatomiquement du mésencéphale, du pont et du bulbe rachidien, il est par ce dernier en continuité avec la moelle épinière.
 
Il est le siège où arrivent et d’où partent les informations relatives à la tête et au cou (y compris les informations relatives à des sens comme l’audition, le goût, l’équilibre). Il est la voie de passage des informations entre cerveau et moelle épinière. Il gère les états de veille et de sommeil. Il régule des comportements moteurs rythmiques et automatiques indispensables aux fonctions vitales (par exemple, la respiration).
 
C'est enfin un organe fondamental pour les états de conscience 
 

Le cervelet

Le cervelet est  situé en-dessous du tronc cérébral, auquel il est relié par des fibres nerveuses. Il joue un rôle clé dans la modulation du mouvement, dans la posture et dans les apprentissages moteurs. Les lésions du cervelet ont pour effet de diminuer le tonus musculaire, de rendre difficile la coordination des mouvements du corps et des mouvements oculaires ainsi que l’équilibre. 

Un exemple du rôle du cervelet dans l’apprentissage moteur

Lorsque nous bougeons la tête, un réflexe (le réflexe vestibulo-oculaire) ajuste rapidement les mouvements des yeux dans la direction opposée à celle du mouvement de la tête, de manière à maintenir les rétines rivées sur l’objet observé. Il existe des lunettes, composées de prismes, qui permettent d’inverser les champs visuels droit et gauche. Pendant une période, le port de ces lunettes rend très difficile d’orienter correctement les yeux, car le réflexe oculo-vestibulaire fait en sorte que les yeux s’opposent au mouvement de la tête. Cependant, si on continue à porter ces lunettes un processus d’apprentissage se met en place, et le réflexe vestibulo-oculaire s’inverse. 

 

Dans la colonne vertébrale

La moelle épinière

La moelle épinière est logée au centre de la colonne vertébrale. Elle contrôle les mouvements et reçoit les sensations de provenance d'une grande partie du corps.

En émergent les nerfs (31 paires) qui innervent une grande partie du corps (le visage et le cou sont innervés par les nerfs crâniens, qui émergent directement du tronc cérébral, le nerf optique et le nerf olfactif pénètrent directement dans le cerveau).

Par ces nerfs, la moelle reçoit les informations sensorielles provenant du corps (des récepteurs de la peau, des muscles, des tendons et articulations, des viscères …) et les achemine vers l’encéphale.

Par les fibres motrices de ces mêmes nerfs, la moelle transmet aux muscles les informations provenant des niveaux cérébraux. 

 

 

 


Janvier 2016

Elena Pasquinelli, membre associé de l'institut Jean Nicod, Département d'études cognitives, ENS Paris, membre  de la Fondation La main à la pâte et Anne Bernard-Delorme, membre de la Fondation La main à la pâte
 
 

 

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