samedi 26 mai 2018

Rôles de la plasticité et des réseaux de neurones dans l’apprentissage

Comment les neurones stockent, récupèrent ou perdent l’information au niveau des synapses et réseaux?

(photographie : Chloe Dewe Mathews)




Comment les neurones stockent-ils une information ?


Un élément clé est la règle de Hebb.  Si deux neurones sont actifs en même temps, les synapses entre ces neurones seront renforcées ("neurons that fire together wire together").

De cette règle découle le modèle de potentialisation à long terme (PLT). La potentialisation à long terme correspond à un renforcement durable de l’efficacité́ de la transmission synaptique qui fait suite à certains types de stimulation (comme une série de stimulations intenses) entre neurones actifs simultanément. 

En plus d’être associative entre deux neurones actifs, la PLT peut aussi être coopérative : l’activité convergente de plusieurs neurones sur un seul facilite le renforcement de ses synapses.

Lorsque l’activité d’une synapse est en corrélation avec celle d’autres synapses, des changements peuvent se produire qui renforcent durablement la connexion synaptique. Ces synapses augmentent leur efficacité à la suite d’un apprentissage en facilitant par la suite le passage de l’influx nerveux dans un circuit particulier.

Les connexions entre neurones peuvent en effet avoir un poids plus ou moins important au sein du réseau. Il y a plus ou moins de chances qu’une voie donnée de connexion soit parcourue. La « force » des synapses entre neurones continue dès lors à être modifiée pendant toute la vie. Leur effet visible est la possibilité d’apprendre de nouvelles connaissances et d’acquérir de nouvelles capacités toute la vie.

Si deux neurones près l’un de l’autre s’activent en même temps, ils se connectent ensemble et renforcent leur connexion. Il est dès lors importance que des neurones s’activent de façon synchronisée pour se connecter. :

  1. Le renforcement des connexions augmente ainsi la probabilité que ces neurones s’activent à nouveau ensemble. 
  2. Un cycle de renforcement se produit : les neurones s’activent ensemble et se connectent ensemble, ce qui fait qu’ils s’activent davantage ensemble et qu’ils se connectent ensemble encore davantage. 
  3. L’activation des neurones est centrale à l’établissement des nouvelles connexions et au renforcement des connexions présentes. 


Un principe à trois temps


1. Le cerveau stocke de l’information dans des réseaux de synapses modifiées


  1. Aucun neurone isolé ne contient en lui-même l’information nécessaire à la restitution d’un souvenir.
  2. Le façonnage d’un réseau s’effectue à partir de et grâce à un câblage préexistant. Certains de ces réseaux précablés, comme ceux de l’hippocampe par exemple, jouent un rôle clé dans la formation des souvenirs.
  3. Les neurones impliqués dans l’établissement d’un réseau doivent déjà être connectés par des synapses pour que celles-ci soient renforcées, multipliées ou affaiblies. Il n’y a pas de réorganisation complète du système nerveux, mais uniquement des variations et développements locaux à l’échelle des synapses.
  4. Les changements dans les réseaux se font à des échelles de temps rapides, à l’échelle de quelques minutes, de quelques heures, de quelques jours. Les épines dendritiques peuvent ainsi augmenter ou diminuer la force de certains circuits par rapport à d’autres. Il y a une sélection et une amplification de certains circuits synaptiques. Les épines dendritiques, structures qui accueillent les synapses excitatrices (sur les neurones pyramidaux du cortex), peuvent ainsi apparaitre ou disparaitre.
  5. Le branchement des axones se réorganise également, mais de façon moins rapide.
  6. La myélinisation est également un facteur important dans ce domaine. Les axones vont s’entourer d’une gaine de myéline qui va faciliter et accélérer le transfert des informations entre neurones.


2. La disposition de ces synapses constituant l’information


  1. Plusieurs souvenirs peuvent être encodés à l’intérieur du même réseau de neurones par différents patterns de connexions synaptiques.
  2. Un souvenir peut aussi faire appel à l’activation simultanée de plusieurs assemblées de neurones réparties dans différentes aires du cerveau.
  3. Les traces de mémoire se traduisent à l’échelle élémentaire à la capacité d’un neurone d’en exciter ou d’en inhiber un autre.


3. Le cerveau récupère cette information en activant ces réseaux


  1. Pour se remémorer une information des jours ou des années plus tard, il faut réussir à réactiver ces circuits nerveux. On comprend qu’il sera d’autant plus facile de le faire que le circuit aura été fortement façonné par un passage répété de l’influx nerveux dû à un long apprentissage.
  2. Si une information n’a été répétée que quelques fois, les connexions entre les nouveaux neurones sont plus faibles, et le nouveau circuit plus difficile à réactiver.
  3. La trace mnésique est plutôt latente, ou encore virtuelle, dans la mesure où son existence ne peut être mise en évidence que lorsqu’un réseau de plusieurs neurones interconnectés est activé.


Tous nos souvenirs (événements, mots, images, émotions, etc.) correspondent donc dans notre cerveau à l’activité particulière de certains réseaux de neurones ayant des connexions renforcées entre eux. C’est leur utilité et le sens qui déterminent leur appartenance à divers réseaux et favorisent naturellement leur maintien

Les synapses qui acheminent de l’information sans contexte peuvent être perdues. En effet, quand l’activité d’une synapse n’est pas de lien avec celle d’autres synapses, il arrive que ses connexions s’affaiblissent



Quels liens avec l’apprentissage ?


Lorsqu’on entend un nouveau mot, de nouvelles connexions entre certains de nos neurones sont sollicitées. Certains neurones du cortex visuel vont reconnaître l’orthographe, d’autres du cortex auditif vont analyser la prononciation, d’autres encore dans les régions associatives du cortex vont faire le lien avec d’autres connaissances.

Pour apprendre ce nouveau mot, on va le répéter un certain nombre de fois, ce qui a pour effet de sélectionner et de renforcer les connexions entre ces différents circuits du cortex. C’est cette nouvelle association durable entre certains neurones qui formera le souvenir de ce mot.
  
Nos neurones sont un peu comme une forêt où l’on fait circuler de l’information. À force de prendre le même chemin dans une forêt, il se crée un sentier. Et ce sentier est d’autant plus facile à trouver qu’il s’est profondément creusé à force d’y passer.

Il n’existe aucune contradiction à affirmer, simultanément, l’origine génétique des principaux circuits du cerveau humain, et leur capacité à se modifier sous l’effet de règles d’apprentissage. Cette dernière est elle-même gouvernée par des mécanismes cellulaires et moléculaires innés. L’éducation tire profit de la plasticité innée de certains circuits cérébraux, qui est maximale chez l’enfant, mais reste active toute la vie.

L’efficacité de la plasticité fonctionnelle liée à l’apprentissage va dépendre également de plusieurs facteurs comme le mode d’apprentissage ou d’enseignement suivi, l’attention ou l’intérêt.

L’apprentissage repose sur le renforcement ou, au contraire, l’élimination de synapses :
  • Les synapses définissent les réseaux par lesquels les informations sont codées et relayées, constituent les traces de mémoire de nos apprentissages et modifient le comportement de nos neurones. 
  • Les synapses se remodèlent en permanence. L’activité neuronale (ou son absence) liée à l’apprentissage va moduler sélectivement la stabilité des synapses, certaines vont être stabilisées, certaines vont être déstabilisées.



Les facteurs clés du phénomène mis en évidence montrent que :
  1. L’élève doit être actif pour mémoriser, il n’y a pas d’apprentissage passif.
  2. L’apprentissage nécessite une pratique régulière.
  3. Il s’agit d’activer les bons réseaux, l’élève a besoin de comprendre l’information qu’il souhaite mémoriser le plus parfaitement possible pour la rendre récupérable. Au mieux une information est comprise, au plus nombreux seront les réseaux mobilisés et au plus efficace sera la mémorisation.
Pour être durables, un souvenir ou une connaissance doivent être donc répétés, repassés en tête, mais aussi intégrés et reliés à d’autres informations.




(mise à jour le 30/05/2020)

Bibliographie


Dortier, Jean-François, La plasticité, une adaptation permanente, Sciences Humaines, Hors-série n°4, décembre 2011 : https://www.scienceshumaines.com/la-plasticite-une-adaptation-permanente_fr_27967.html

Pasquinelli, Elena, Le cerveau se modifie : maturation, développement, plasticité et apprentissage, 2016, https://www.fondation-lamap.org/fr/page/34321/le-cerveau-se-modifie-maturation-developpement-plasticite-et-apprentissage

Campbell, Neil & Reece, Jane, Biologie 9e édition, Pearson, 2012

La Plasticité des réseaux de neurones  http://lecerveau.mcgill.ca

Gerrig, Richard & Zimbardo, Philip, Psychologie, 18e édition, Pearson, 2013

Stanislas Dehaene « Éducation, plasticité cérébrale et recyclage neuronal » Collège de France
06 janvier 2015 09:30 11:00 https://www.college-de-france.fr/site/stanislas-dehaene/course-2015-01-06-09h30.htm

Élagage synaptique. (2018, mai 11). Wikipédia, l’encyclopédie libre. Page consultée le 21:46, mai 11, 2018 à partir de http://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=%C3%89lagage_synaptique&oldid=148359259.

Steve Masson, Activer ses neurones, 2020, Odile Jacob

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