Éducation, plasticité cérébrale et recyclage neuronal (résumé cours 06/01/2015)

Dans le domaine de l’apprentissage, il est vain d’opposer l’inné et l’acquis, l’environnement et l’hérédité. Dès 1949, le psychologue canadien Donald Hebb l’énonce :

Deux facteurs déterminent la croissance intellectuelle : un potentiel inné, absolument indispensable, et un environnement stimulant, tout aussi indispensable. Il est inutile de se demander lequel est le plus important. On pourrait supposer que l’intelligence croît jusqu’à la limite fixée par l’hérédité ou par l’environnement – le minimum des deux. Dans un environnement parfait, c’est la structure innée qui donne le rythme ; mais en partant d’une hérédité de génie, c’est l’environnement qui domine.

Les neurosciences contemporaines confirment qu’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, elles-mêmes gouvernées 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. Même une vaste lésion pré- ou post-natale, affectant la quasi-totalité d’un hémisphère cérébral, lorsqu’elle survient à un âge précoce, peut n’avoir que des conséquences limitées sur la mise en place du langage, des compétences visuo-spatiales, de la motricité et même des cartes visuelles. Sans bouleverser radicalement l’organisation des circuits cérébraux, la plasticité peut réorienter les fonctions cérébrales vers des circuits corticaux proches ou symétriques des circuits habituellement concernés. Une lésion similaire à l’âge adulte conduit à des conséquences bien plus dramatiques : hémiplégie, champ visuel aveugle, aphasie, etc.

Cependant, qu’entendons-nous exactement par plasticité cérébrale ? Ces vingt dernières années, de nombreuses expériences montrent que l’apprentissage repose sur le renforcement ou, au contraire, l’élimination de synapses. Ces points de contact entre les neurones, qui définissent les réseaux par lesquels les informations sont codées et relayées, constituent les traces de mémoire de nos expériences et modifient le comportement de nos neurones. Les méthodes récentes d’imagerie démontrent que ces synapses se remodèlent en permanence. L’activité neuronale, ou son absence, module sélectivement la stabilité des synapses. Les épines dendritiques, structures qui accueillent les synapses excitatrices sur les neurones pyramidaux du cortex, apparaissent ou disparaissent à des échelles de temps relativement rapides, de quelques secondes à quelques jours. Le branchement des axones se réorganise également, quoique de façon moins rapide. Enfin, la myélinisation des axones peut également être modifiée par l’usage.

Ces changements ont lieu tout au long de la vie, mais avec une intensité particulière dans l’enfance. On appelle « période critique » ou « période sensible » une fenêtre temporelle pendant laquelle les circuits neuronaux présentent une capacité particulière de s’adapter aux entrées qu’ils reçoivent de leur environnement. L’existence de périodes critiques est attestée dans le système visuel : en l’absence de vision binoculaire dans les premiers mois ou années de vie, les entrées visuelles en provenance d’un œil cessent d’être utilisées efficacement (amblyopie). Il existerait également une hiérarchie de périodes critiques dans d’autres domaines, tout particulièrement le langage. La capacité d’apprentissage d’une seconde langue présente une baisse continue avec l’âge, particulièrement prononcée à la puberté. La capacité de discrimination des phonèmes de la langue maternelle n’est présente que si l’enfant a interagi avec un locuteur de cette langue avant 12 mois. Les enfants sourds doivent rapidement recevoir un implant cochléaire (avant 3 ans et demi, voire 18 mois selon certaines données), faute de quoi leurs compétences pour le langage parlé diminuent fortement.

L’ouverture et la fermeture des périodes critiques sont étroitement liées à la maturation des circuits inhibiteurs qui reposent sur le neurotransmetteur GABA. Les cellules « PV » (exprimant la parvalbumine) sont de grands neurones inhibiteurs également appelés « cellules en panier » (basket cells), présents dans le cortex et l’hippocampe. Leur maturation joue un rôle essentiel dans la fermeture de la plasticité en modulant le rapport excitation/inhibition. Au cours de la maturation cérébrale, ces neurones s’entourent de réseaux péri-neuronaux figés (protéines + sucres), ce qui limite la plasticité à l’âge adulte. Cependant, ces phénomènes ne dépendent pas uniquement de l’âge, mais aussi de facteurs environnementaux et pharmacologiques. L’étude de la plasticité dans l’hippocampe de la souris montre que, même à l’adulte adulte, l’enrichissement de l’environnement augmente considérablement les capacités d’apprentissage, tandis qu’inversement, la peur conditionnée les réduit. Ces modulations de la capacité d’apprentissage sont liées à un changement de la fraction de synapses inhibitrices sur les cellules PV.

Pouvons-nous extrapoler ces résultats à l’espèce humaine ? L’exemple des orphelinats de Roumanie le suggère. Après avoir passé leurs premiers mois ou années de vie dans un environnement dépourvu de stimulations et d’interactions sociales, les orphelins développent des anomalies irréversibles de volume de matière grise, avec des conséquences importantes dans de nombreux domaines du langage et des apprentissages. Cependant, ces troubles cognitifs, s’ils sont pris en charge rapidement, ne sont pas irréversibles. Le « Bucharest Early Intervention Project » dirigé par Chuck Nelson montre l’importance d’un placement familial précoce. Les enfants placés dans des familles montrent de nets avantages de développement physique et mental, notamment dans les domaines du langage et des compétences sociales. Plus le placement est précoce, plus l’effet est net. Dans de nombreux domaines, aucune anomalie n’est détectée lorsque les enfants ont été placés avant 20 mois.

Comment théoriser ces effets à la fois massifs et contraints de l’exposition à l’environnement ? Pour comprendre comment des circuits cérébraux d’un haut degré d’organisation innée, issus de notre évolution, parviennent néanmoins à se réorienter pour acquérir des compétences nouvelles, j’ai proposé l’hypothèse du recyclage neuronal. Celle-ci souligne l’importante des contraintes anatomiques héritées de son évolution. Des cartes neurales et des circuits cérébraux organisés sont présents dès l’enfance et biaisent les apprentissages. Les acquisitions culturelles nouvelles ne sont possibles que dans la mesure où elles sont compatibles avec ces architectures neurales préexistantes, qu’elles recyclent. Chaque objet culturel doit donc trouver sa « niche neuronale » dans le cerveau : un circuit dont le rôle initial est assez proche, et dont la flexibilité est suffisante pour être reconverti à ce nouvel usage. Chaque circuit possède des propriétés intrinsèques, qui le rendent plus ou moins approprié à son nouvel usage. Ces propriétés contraignent les formes culturelles et leur confèrent des traits universels. Nous apprenons tous à lire ou à calculer en faisant appel aux mêmes circuits cérébraux. C’est pourquoi il est essentiel de comprendre comment ces circuits sont organisés dans la petite enfance et se transforment sous l’effet de l’éducation, afin d’en optimiser le fonctionnement. L’éducation tire profit de la très longue fenêtre de plasticité de l’espèce humaine, mais celle-ci n’est pas infinie et obéit à des règles précises.

Quelles sont les conséquences éducatives de ces découvertes ? Puisque le cerveau de l’enfant est plastique et doté de puissants algorithmes d’inférence statistique, la famille et l’école doivent lui fournir, dès le plus jeune âge, un environnement enrichi, structuré et stimulant. Comme la plasticité cérébrale est modulée, positivement par l’enrichissement de l’environnement, et négativement par la peur et les émotions négatives, cet environnement familial et scolaire doit être varié, riche en renforcements positifs, et libéré de toute peur. Les parents et les enseignants doivent également savoir que même des lésions cérébrales massives peuvent être en partie surmontées, et qu’ils ne doivent donc pas céder au découragement. Toutefois, la plasticité ne doit pas non plus être surestimée. Le cerveau de l’enfant est structuré dès la naissance, ce qui lui confère des intuitions profondes dans le domaine des objets, de l’espace, des nombres ou du langage, mais impose également des limites à l’apprentissage. Tous les enfants seront confrontés à des difficultés similaires. Il existe des limites biologiques universelles à la plasticité cérébrale. L’existence de périodes critiques fait que certaines stimulations, tout particulièrement l’exposition aux langues, doivent impérativement être fournies précocement.