Méthodes de recherche en neuroéducation

Méthodes de recherche en neuroéducation

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Livres
330 pages

Description

Depuis quelques années, un nombre croissant de chercheurs en neuro­sciences et en éducation s’intéressent à la neuroéducation, un domaine de recherche en émergence qui étudie les relations entre le cerveau, l’apprentissage et l’enseignement. Cependant, ces chercheurs sont souvent freinés par le fait qu’un projet de recherche en neuroéducation nécessite une expertise à la fois en neurosciences et en pédagogie. Fruit d’une collaboration entre deux laboratoires de recherche, l’un consacré à l’éducation et l’autre aux neurosciences, le présent ouvrage a pour objectif de guider le chercheur et l’étudiant-chercheur à travers le processus d’une recherche en neuro­éducation. Le chercheur en éducation y trouvera de l’information technique (concernant notamment l’utilisation de l’imagerie cérébrale), et le chercheur en neurosciences y trouvera quant à lui des points de repère pédagogiques (lui permettant entre autres de comprendre comment les techniques des neurosciences peuvent s’appliquer à la résolution des problèmes de recherche liés à l’éducation).

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Date de parution 25 octobre 2018
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EAN13 9782760548480
Licence : Tous droits réservés
Langue Français

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Méthodes de recherche en neuroéducation
Sous la direction deSteve MassonetGrégoire Borst
Préface d’Olivier Houdé
Presses de l’Université du Québec Le Delta I, 2875, boulevard Laurier, bureau 450, Québec (Québec) G1V 2M2 Téléphone :418 657-Télécopieur :418 657-2096 4399 Courriel :puq@puq.caInternet :www.puq.ca
Révision Mélissa Guay Correction d’épreuves Sandra Guimont Mise en pages et adaptation numérique Studio C1C4 Images de couverture iStock ISBN 978-2-7605-4846-6 ISBN PDF 978-2-7605-4847-3 ISBN EPUB 978-2-7605-4848-0 e Dépôt légal : 4 trimestre 2017 Bibliothèque et Archives nationales du Québec Bibliothèque et Archives Canada
© 2017 – Presses de l’Université du Québec Tous droits de reproduction, de traduction et d’adaptation réservés
Préface
L’école des cerveaux
Pour améliorer les apprentissages à l’école, il faut aujourd’hui rassembler et faire converger l’ensemble des approches fondées a) sur l’enfant, ses actions, sa logique interne de raisonnement, sa curiosité (depuis Maria Montessori en Italie, Célestin Freinet en France, Jean Piaget en Suisse et les néopiagétiens dans le monde) et b) le cerveau finement exploré, en sciences cognitives, par l’imagerie 1 cérébrale et l’étude des processus mentaux . Ce travail contemporain de synthèse, d’allers-retours du labo à l’école, commence à être réalisé par les scientifiques, notamment en psychologie expérimentale du développement cognitif appliquée à l’éducation scolaire et déjà, aussi, par des praticiens en quête d’innovation pédagogique et soucieux d’intégrer rapidement les progrès de la science. e Au début du XX siècle, le courant de l’éducation nouvelle a réuni des médecins et des psychologues (Montessori, Freinet, mais également Decroly en Belgique et bien d’autres) ; Alfred Binet en France s’était aussi intéressé, avant Piaget, à la psychologie scolaire par le biais des différences interindividuelles d’intelligence et d’attention chez les enfants et aux sources du QI. e En ce début de XXI siècle, ce sont encore des médecins, des biologistes neuroscientifiques et des psychologues, appuyés par des informaticiens, que le courant des sciences cognitives réunit pour une approche nouvelle de l’éducation. Il ne s’agit pas de tout réinventer, mais au contraire de miser sur les acquis intéressants et scientifiquement validés de l’éducation nouvelle, développée depuis un siècle et trouvant des racines dans le Siècle les lumières, voire l’Antiquité (Houdé, 2016), et les découvertes plus récentes sur le cerveau et la cognition des enfants. Dans leVocabulaire des sciences cognitives(Houdéet al., 2003), conçu en collaboration avec des spécialistes de neuroscience, de psychologie, d’intelligence artificielle, de linguistique et de philosophie, nous avons décrit l’histoire récente de ces nouvelles sciences cognitives qui, depuis le e milieu du XX siècle, tentent d’élucider par l’expérimentation, la modélisation et l’usage de technologies de pointe (dont l’imagerie cérébrale) le mystère de l’esprit et ses rapports avec la matière : le cerveau, le corps et l’ordinateur (voir aussi Andler, 1992, pour une introduction antérieure ; Andler, 2016, pour un point de vue critique). L’origine de cette révolution, située dans les années 1940-1950, est la naissance de la cybernétique (du greckubernêtikê, dekubernân, gouverner), science des mécanismes de commande, de pilotage ou de contrôle (autorégulation) des êtres vivants et des machines. Au Siècle des lumières déjà, ce programme était annoncé par le philosophe Julien Offray de La Mettrie dansL’Homme machine(1748), qui préconisait de considérer l’esprit comme une organisation sophistiquée de la matière dans le cerveau humain. On se rappelle aussi, à la même époque, les automates de Vaucanson.
Aujourd’hui, la cybernétique a laissé sa place à la robotique et à l’intelligence artificielle (IA) qui, après de timides succès dans les années 1980 et des espoirs déçus dans les années 1990, connaît un regain extraordinaire d’intérêt dans tous les domaines de la société, où des machines de plus en plus intelligentes sont inventées chaque jour. Ces innovations sont démultipliées, dans desstart-up d’IA notamment, sous l’impulsion de la révolution numérique et des progrès en matière de développement de la logique et de l’algorithmique. Dans cet esprit, il existe aujourd’hui de grands projets de recherche internationaux en Europe et aux États-Unis qui visent à reconstituer les connaissances actuelles sur le cerveau, pièce par pièce, dans des modèles et des simulations informatiques utilisant des circuits dits « neuromorphiques », avec des puces spécialisées dans la simulation des neurones et de leurs connexions. Ce renouveau de l’IA est corrélatif avec l’essor des neurosciences. Dans les années 1980, on doit au neurobiologiste Jean-Pierre Changeux d’avoir anticipé avecL’Homme neuronal(1983) ce nouveau champ des sciences humaines « neurocognitives », en relation avec l’imagerie cérébrale (voir aussiL’Homme neuronal, trente ans aprèspar Changeux, Morangeet al., 2016). L’ambition était grande : celle d’une science naturelle et cognitive de l’humain (le cerveau dans son corps et en contexte social). Nous en sommes encore aujourd’hui aux tout premiers pas de cette science de la pensée et des apprentissages, en particulier en matière d’éducation scolaire. Il ne faut toutefois pas se méprendre sur le caractère matérialiste et prétendument réductionniste qu’incarnerait cette approche – ainsi dénoncée, souvent, par les tenants des sciences de l’éducation traditionnelles ou de la psychanalyse, toutes griffes dehors. Au contraire, singularité et cerveau ne s’opposent pas, ni cerveau et histoire, sociologie, administration, organisation ou politique de l’éducation, ni même encore cerveau et didactique ou enseignement spécialisé. Le cerveau humain est social et culturel ! Comme l’a très bien écrit Antonio Damasio : « en découvrant les secrets de l’esprit, nous le percevons comme l’ensemble des phénomènes biologiques le plus élaboré de la nature, et non plus comme un mystère insondable. L’esprit survivra à l’explication de sa nature [et l’éducation aussi], tout comme le parfum de la rose continue d’embaumer, même si l’on en connaît la structure moléculaire » (2000, p. 81). Il faut toujours se rappeler cela en matière d’éducation et ne pas craindre le prétendu réductionnisme des neurosciences : a) elles n’enlèvent rien mais, au contraire, ajoutent des informations à l’explication des phénomènes, à la compréhension de l’enfant et des apprentissages, et b) l’éducation n’est pas un processus insondable ! Sans céder à une vision trop scientiste et naïve, voire idéologiquement dangereuse, d’une technoscience de l’éducation parfaitement contrôlée et contrôlable, on ne peut refuser l’idée qu’une recherche pédagogique nouvelle, exploitant les ressources actuelles de l’imagerie cérébrale et de la psychologie expérimentale, puisse éclairer certains mécanismes neurocognitifs élémentaires d’apprentissage dont dépendent des phénomènes éducatifs, sociaux et culturels plus complexes. Avec l’imagerie cérébrale, ce que l’on découvre aujourd’hui est la structure et le fonctionnement du cerveau qui apprend. Or ce cerveau, « théâtre de l’éducation », lieu de toute synthèse individuelle ou collective, est encore l’angle mort de l’éducation nationale. On éduque aujourd’hui « à l’aveugle » des millions de cerveaux en manipulant les entrées (rythmes scolaires, pédagogies en 2 classe ou en groupes) et les sorties (résultats aux évaluations : contrôles, PISA ) sans connaître les mécanismes internes du cerveau humain qui apprend.
Tous les organes du corps imposent leurs lois à notre santé. C’est le rôle de la médecine expérimentale de les découvrir. De même, le cerveau, organe de la pensée et de l’apprentissage, impose ses lois à l’éducation. C’est le rôle des « nouvelles sciences de l’éducation » de les découvrir, avec les outils de l’imagerie cérébrale et de la psychologie expérimentale. Michael Posner, l’un des psychologues pionniers en la matière, écrivait dans la revueScienceen 1993 : « Le microscope et le télescope ouvrirent, en leur temps, de vastes domaines de découvertes scientifiques insoupçonnées. Maintenant que de nouvelles méthodes d’imagerie permettent de visualiser les systèmes cérébraux de la pensée normale et pathologique, la cognition humaine pourrait être à l’aube d’une période aussi riche » (p. 673-674). Deux principales techniques d’imagerie cérébrale sont utilisées, depuis les années 1990, pour étudier les réseaux neuronaux qui sous-tendent les fonctions cognitives chez l’Homme : la tomographie par émission de positons (TEP) et l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), l’une et l’autre assistées par ordinateur (Dehaene, 1997 ; Houdéet al., 2002). Dans le cas de la TEP, on mesure le débit sanguin cérébral dans différentes régions du cerveau par le biais de la concentration d’une molécule d’eau radioactive injectée à un individu (avec une dose très faible de radioactivité artificielle, sans danger pour lui). Dans le cas de l’IRMf, on suit la concentration en désoxyhémoglobine, une molécule qui reflète l’oxygénation du sang (technique non invasive et indolore utilisée aujourd’hui chez l’enfant d’âge préscolaire et scolaire dans des protocoles validés préalablement par un comité d’éthique ; Houdéet al., 2011). Dans les deux cas, la mesure tient à ce que le débit sanguin augmente localement pour réguler le métabolisme neuronal des régions du cerveau qui participent à l’accomplissement de la tâche cognitive proposée par le psychologue. On voit ainsi le « cerveau en action » au cours des processus de pensée et d’apprentissage. La résolution (précision) spatiale est très bonne, de l’ordre du millimètre. Afin d’obtenir, en complément, une résolution temporelle maximale (en millisecondes), on utilise l’électroencéphalographie (EEG), technique d’enregistrement cérébral plus classique, mais aujourd’hui à haute densité (EEG-HD). Ces technologies d’imagerie du cerveau s’ajoutent à la boîte à outils traditionnelle des psychologues qui comportait déjà, depuis les années 1980, grâce aux premiers ordinateurs (après les chronomètres manuels), des mesures comportementales fines, en millisecondes, des temps de réponse : la « chronométrie mentale » (Borst et Cachia, 2016). Les expériences de psychologie sont ainsi assistées par ordinateur et programmées avec des logiciels spécialisés (communs à tous les laboratoires des sciences cognitives dans le monde) afin de bien contrôler, de façon synchronisée, les paramètres étudiés : stimulations présentées à l’écran, types de réponses, temps de réponse et signal cérébral, hémodynamique (TEP, IRMf) ou électrique (EEG). C’est grâce à cette instrumentation performante que l’on peut aujourd’hui explorer d’un regard neuf la question des apprentissages à l’école. C’est un domaine que l’on appelle la « neuroéducation » ou « neuropédagogie ». Il s’agit de comprendre comment les apprentissages sont contraints par les lois de fonctionnement du cerveau – que les professeurs doivent donc connaître (comme un médecin pour les organes) – et, en retour, comment l’environnement, et l’école en particulier (telle pédagogie, telle méthode, telle pratique) modifie et fait progresser le cerveau des élèves. Dans ce domaine très nouveau, l’ouvrage collectif dirigé par Steve Masson et Grégoire Borst, spécialistes et pionniers en la matière, aidera les chercheurs et les étudiants-chercheurs de ce nouveau
domaine à mieux percevoir la dynamique générale de « la recherche en train de se faire ». C’est un guide pour aller plus loin.
Paris, le 7 juillet 2017, Olivier Houdé Professeur de psychologie à l’Université Paris-Descartes Directeur du Laboratoire de psychologie du développ ement et de l’éducation de l’enfant (LaPsyDÉ, CNRS) Sorbonne, Paris, France.
Bibliographie
ANDLER, D. (dir.) (1992).Introduction aux sciences cognitives, Paris, Gallimard. ANDLER, D. (2016).La silhouette de l’humain, Paris, Gallimard. BORST, G. et A. CACHIA (2016).Les méthodes en psychologie, Paris, Presses universitaires de France. CHANGEUX, J.-P. (1983).L’Homme neuronal, Paris, Fayard. CHANGEUX, J.-P., MORANGE, M., WOLFF, F. et F. WORMS (2016).L’Homme neuronal, trente ans après, Paris, Éditions Rue d’Ulm. DAMASIO, A. (2000). « Le cerveau et l’esprit », Dossier « La science en 2050 »,Pour la science,267. DEHAENE, S. (dir.) (1997).Voir le cerveau en action, Paris, Presses universitaires de France. HOUDÉ, O. (dir.) (2003).Vocabulaire des sciences cognitives, Paris, Presses universitaires de France. HOUDÉ, O. (2016). Histoire de la psychologie, Paris, Presses universitaires de France. HOUDÉ, O. (2017). « Les sciences cognitives et les apprentissages à l’école primaire », dans A. Bentolila (dir.),L’essentiel de la pédagogie, Paris, Nathan, 69-90.
HOUDÉ, O., PINEAU, A., LEROUX, G., POIREL, N., PERCHEY, G., LANOE, C. et B. MAZOYER (2011). « Functional magnetic resonance imaging study of Piaget’s conservation-of-number task in preschool and school-age children : A neo-Piagetian approach ».Journal of Experimental Child Psychology,110(3), 332-346. HOUDÉ, O.et al.(2002).Cerveau et psychologie, Paris, Presses universitaires de France. POSNER, M. (1993). « Seeing the mind »,Science,262, 673-674.
Encadrés
Liste des encadrés, des figures et des tableaux
1.1 En quelle année la neuroéducation est-elle née ?
1.2 Plusieurs définitions de ce qu’est la neuroéducation
3.1 Les mouvements de la tête comme source de variance
4.1 Méta-analyse ou revue de la littérature ?
4.2 Les femmes ont-elles la bosse du langage ?
4.3 Le réseau cérébral du contrôle cognitif
4.4 Effet nul ou effet non significatif ?
4.5 Les mécanismes cérébraux de la compréhension du langage non littéral
4.6 ALE ou KDA : quelle est la différence ?
4.7 Identifier les corrélats neuronaux du trouble déficitaire de l’attention avec hyperactivité (TDAH) à partir d’une méta-analyse SDM
5.1 Les avantages et les limites de l’EEG
5.2 Des exemples de sujets d’étude possibles en neuroéducation au moyen des potentiels évoqués
5.3 Les artéfacts dans le signal EEG
6.1 Les développements méthodologiques logiciels au service des analyses EEG en continu
7.1 Attention !
7.2 Le QI, une mesure fiable de l’intelligence ?
7.3 Les difficultés liées à l’évaluation des fonctions exécutives
7.4 Le saviez-vous ?
7.5 En bref : les régions cérébrales associées au langage
7.6 L’adaptation des tests neuropsychologiques
Figures
1.1 Ligne du temps présentant certains des événements importants de l’histoire de la neuroéducation
3.1 Illustrations d’artéfacts
3.2 Présentation des principales étapes de prétraitement
3.3 Représentation du décalage d’acquisition entre les coupes pour une acquisition de type entrelacée
3.4 Représentation de l’effet du décalage d’acquisition entre les coupes sur la réponse hémodynamique
3.5 Effet du mouvement de la tête du sujet sur l’activation d’un voxel
3.6 Illustration d’un exemple de couronne d’activation située a. dans la partie basse du cerveau (lobe occipital et cervelet) et b. dans la partie supérieure du cerveau (lobes frontal et pariétal) caractéristique des mouvements effectués lors d’une tâche cognitive réalisée dans la machine
3.7 Illustration de l’alternance de bandes d’intensités différentes caractéristiques de mouvements a. légers, b. importants intervenus au cours de l’acquisition d’un volume entier
3.8 Illustration de la procédure de correction de la distorsion
3.9 Comparaison d’images fonctionnelle et structurelle chez un même individu
3.10 Illustration de la variabilité anatomique entre les cerveaux de plusieurs sujets adultes
3.11 Illustration du a. système de coordonnées stéréotaxiques, b. point d’origine de ce système de coordonnées, soit le point [0 0 0], situé au niveau de la commissure antérieure (centre de la croix blanche sur les coupes coronales, sagittales et axiales)
3.12 Modélisation du signal BOLD mesuré
3.13 Illustration de la matrice de conception (design matrix) telle que présentée dans SPM
3.14 Tableau des résultats issus de SPM
3.15 Aperçu de la délimitation de régions d’intérêt dans la partie antérieure du cerveau, d’après, par exemple, a. l’atlas AAL et b. les aires définies par Brodmann
3.16 Illustration de la correspondance entre a. les résultats fonctionnels obtenus, c’est-à-dire la carte d’activation seuillée d’après les statistiques de SPM (par exemple statistiques de T) et b. l’atlas AAL, superposé sur le cerveau anatomique moyen normalisé spatialement de l’ensemble des sujets de l’étude
3.17 Exemple d’images présentées sous la forme de cerveaux de verre
3.18 Exemple d’une carte statistique
3.19 Exemple de rendus 3D avec a. le logiciel SPM, b. le logiciel Brainvisa et c. le logiciel FreeSurfer