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Le cerveau dans les deux premières années

Certains des changements physiques les plus spectaculaires qui se produisent au cours des deux premières années de développement du cerveau. Nous naissons avec la plupart des cellules cérébrales que nous aurons jamais, c’est-à-dire environ 85 milliards de neurones dont la fonction est de stocker et de transmettre des informations (Huttenlocher &Dabholkar, 1997). Si la plupart des neurones du cerveau sont présents à la naissance, ils ne sont pas complètement matures.

Figure 3.4.1. Les recherches montrent que dès 4-6 mois, les nourrissons utilisent des zones du cerveau similaires à celles des adultes pour traiter les informations. Image de Deen et al, 2017.

La communication au sein du système nerveux central (SNC), qui se compose du cerveau et de la moelle épinière, commence par des cellules nerveuses appelées neurones. Les neurones se connectent à d’autres neurones via des réseaux de fibres nerveuses appelés axones et dendrites. Chaque neurone possède généralement un seul axone et de nombreuses dendrites qui sont réparties comme les branches d’un arbre (certains diront qu’il ressemble à une main avec des doigts). L’axone de chaque neurone rejoint les dendrites d’autres neurones à des intersections appelées synapses, qui sont des liens de communication essentiels dans le cerveau. Les axones et les dendrites ne se touchent pas, au contraire, les impulsions électriques dans les axones provoquent la libération de substances chimiques appelées neurotransmetteurs qui transportent l’information de l’axone du neurone émetteur vers les dendrites du neurone récepteur.

Figure 3.4.2. Neurone.

Synaptogenèse et élagage synaptique

Si la plupart des 100 à 200 milliards de neurones du cerveau sont présents à la naissance, ils ne sont pas totalement matures. Chaque voie neuronale forme des milliers de nouvelles connexions pendant l’enfance et la petite enfance. La synaptogenèse, ou la formation de connexions entre les neurones, se poursuit dès la période prénatale, formant des milliers de nouvelles connexions pendant la petite enfance et l’enfance. Au cours des prochaines années, les dendrites, ou connexions entre les neurones, connaîtront une période d’exubérance transitoire ou de croissance spectaculaire temporaire (exubérante parce que rapide et transitoire parce qu’en partie temporaire). Il y a une telle prolifération de ces dendrites pendant ces premières années qu’à l’âge de 2 ans, un seul neurone peut avoir des milliers de dendrites.

Après cette augmentation spectaculaire, les voies neuronales qui ne sont pas utilisées seront éliminées par un processus appelé élagage synaptique, où les connexions neuronales sont réduites, rendant ainsi celles qui sont utilisées beaucoup plus fortes. On pense que l’élagage permet au cerveau de fonctionner plus efficacement, ce qui permet de maîtriser des compétences plus complexes (Hutchinson, 2011). L’expérience déterminera lesquelles de ces connexions sont maintenues et lesquelles sont perdues. Au final, environ 40 % de ces connexions seront perdues (Webb, Monk et Nelson, 2001). Une exubérance passagère se produit au cours des premières années de la vie, et l’élagage se poursuit pendant l’enfance et l’adolescence dans diverses zones du cerveau. Cette activité se produit principalement dans le cortex ou la fine enveloppe extérieure du cerveau impliquée dans l’activité volontaire et la pensée.

La vidéo 3.4.1. How Baby Brains Develop explique certains des changements cérébraux attendus au cours des premières années de vie.

Myélinisation

Un autre changement important se produisant dans le système nerveux central est le développement de la myéline, un revêtement de tissus gras autour de l’axone du neurone (Carlson, 2014).La myéline aide à isoler la cellule nerveuse et à accélérer le taux de transmission des impulsions d’une cellule à l’autre. Cette augmentation favorise la construction des voies neuronales et améliore la coordination et le contrôle des mouvements et des processus de pensée. Pendant la petite enfance, la myélinisation progresse rapidement, un nombre croissant d’axones acquérant une gaine de myéline. Cela correspond au développement des capacités cognitives et motrices, notamment la compréhension du langage, l’acquisition de la parole, le traitement sensoriel, la marche à quatre pattes et la marche. La myélinisation des zones motrices du cerveau au cours de la petite et moyenne enfance entraîne une amélioration considérable de la motricité fine et globale. La myélinisation se poursuit à l’adolescence et au début de l’âge adulte et, bien qu’elle soit en grande partie terminée à ce moment-là, des gaines de myéline peuvent être ajoutées dans les régions de la matière grise, comme le cortex cérébral, tout au long de la vie.

Structures cérébrales

À la naissance, le cerveau représente environ 25 % de son poids adulte, et à l’âge de deux ans, il représente 75 % de son poids adulte. La plupart de l’activité neuronale se produit dans le cortex ou la fine enveloppe extérieure du cerveau impliquée dans l’activité volontaire et la pensée. Le cortex est divisé en deux hémisphères, et chaque hémisphère est divisé en quatre lobes, chacun séparé par des plis appelés fissures. Si l’on observe le cortex en commençant par l’avant du cerveau et en se déplaçant vers le haut, on voit d’abord le lobe frontal (derrière le front), qui est principalement responsable de la pensée, de la planification, de la mémoire et du jugement. Il est suivi du lobe pariétal, qui s’étend du milieu à l’arrière du crâne et qui est principalement responsable du traitement des informations relatives au toucher. Vient ensuite le lobe occipital, situé tout à l’arrière du crâne, qui traite les informations visuelles. Enfin, devant le lobe occipital, entre les oreilles, se trouve le lobe temporal, responsable de l’audition et du langage.

Figure 3.4.3. Lobes du cerveau.

Bien que le cerveau se développe rapidement pendant la petite enfance, les régions cérébrales spécifiques ne mûrissent pas au même rythme. Les aires motrices primaires se développent plus tôt que les aires sensorielles primaires, et le cortex préfrontal, qui est situé derrière le front, est le moins développé. À mesure que le cortex préfrontal mûrit, l’enfant est de plus en plus capable de réguler ou de contrôler ses émotions, de planifier des activités, d’élaborer des stratégies et d’avoir un meilleur jugement. Cette maturation ne s’accomplit pas complètement pendant la petite enfance et l’enfance, mais se poursuit pendant l’enfance, l’adolescence et à l’âge adulte.

Latéralisation

La latéralisation est le processus par lequel différentes fonctions se localisent principalement d’un côté du cerveau. Par exemple, chez la plupart des adultes, l’hémisphère gauche est plus actif que le droit pendant la production du langage, tandis que le schéma inverse est observé pendant les tâches impliquant des capacités visuospatiales (Springer & Deutsch, 1993). Ce processus se développe au fil du temps, cependant, des asymétries structurelles entre les hémisphères ont été rapportées même chez les fœtus (Chi, Dooling, & Gilles, 1997 ; Kasprian et al., 2011) et les nourrissons (Dubois et al., 2009).

Neuroplasticité

Enfin, la neuroplasticité fait référence à la capacité du cerveau à changer, à la fois physiquement et chimiquement, pour améliorer son adaptabilité aux changements environnementaux et compenser les blessures. La neuroplasticité nous permet d’apprendre et de nous souvenir de nouvelles choses et de nous adapter à de nouvelles expériences. Les expériences environnementales, telles que les stimulations, et les événements survenant dans le corps d’une personne, tels que les hormones et les gènes, influencent la plasticité du cerveau. Il en va de même pour l’âge. Notre cerveau est le plus « plastique » lorsque nous sommes de jeunes enfants, car c’est à cette époque que nous apprenons le plus sur notre environnement. Les cerveaux adultes font preuve de neuroplasticité, mais ils sont influencés plus lentement et moins largement que ceux des enfants (Kolb &Whishaw, 2011).

Vidéo 3.4.2. Potentialisation à long terme et plasticité synaptique explique comment l’apprentissage se produit grâce aux connexions synaptiques et à la plasticité.

Le contrôle de certaines fonctions corporelles spécifiques, telles que le mouvement, la vision et l’audition, est effectué dans des zones spécifiques du cortex. Si ces zones sont endommagées, l’individu perdra probablement la capacité de réaliser la fonction correspondante. Par exemple, si un nourrisson subit des dommages aux zones de reconnaissance des visages dans le lobe temporal, il est probable qu’il ne sera jamais capable de reconnaître les visages (Farah, Rabinowitz, Quinn, & Liu, 2000). D’autre part, le cerveau n’est pas divisé de manière totalement rigide. Les neurones du cerveau ont une capacité remarquable à se réorganiser et à s’étendre pour remplir des fonctions particulières en réponse aux besoins de l’organisme, et à réparer les dommages. Par conséquent, le cerveau crée constamment de nouvelles voies de communication neuronales et recâble les voies existantes.

Maturation du cerveau pendant l’enfance

Le cerveau atteint environ 75 % de son poids adulte à l’âge de trois ans. À l’âge de 6 ans, il est à 95 pour cent de son poids adulte (Lenroot &Giedd, 2006). La myélinisation et le développement des dendrites se poursuivent dans le cortex et, ce faisant, nous observons un changement correspondant dans ce que l’enfant est capable de faire. Un plus grand développement du cortex préfrontal, la zone du cerveau située derrière le front qui nous aide à penser, à établir des stratégies et à contrôler l’attention et les émotions, permet de plus en plus d’inhiber les débordements émotionnels et de comprendre comment jouer.

Figure 3.4.4. Corpus Callosum.

Croissance des hémisphères et du Corpus Callosum

Entre 3 et 6 ans, l’hémisphère gauche du cerveau se développe de façon spectaculaire. Ce côté du cerveau ou de l’hémisphère est généralement impliqué dans les compétences linguistiques. L’hémisphère droit continue de se développer tout au long de la petite enfance et est impliqué dans les tâches qui nécessitent des compétences spatiales, telles que la reconnaissance des formes et des motifs. Le corps calleux, une bande dense de fibres qui relie les deux hémisphères du cerveau, contient environ 200 millions de fibres nerveuses qui relient les hémisphères (Kolb &Whishaw, 2011).

Le corps calleux est situé à quelques pouces sous la fissure longitudinale, qui s’étend sur toute la longueur du cerveau et sépare les deux hémisphères cérébraux (Garrett, 2015). Comme les deux hémisphères remplissent des fonctions différentes, ils communiquent entre eux et intègrent leurs activités par l’intermédiaire du corps calleux. De plus, parce que les informations entrantes sont dirigées vers un hémisphère, comme les informations visuelles de l’œil gauche dirigées vers l’hémisphère droit, le corps calleux partage ces informations avec l’autre hémisphère.

Le corps calleux subit une poussée de croissance entre 3 et 6 ans, ce qui entraîne une meilleure coordination entre les tâches des hémisphères droit et gauche. Par exemple, par rapport aux autres individus, les enfants de moins de 6 ans démontrent des difficultés à coordonner un jouet Etch A Sketch parce que leur corps calleux n’est pas assez développé pour intégrer les mouvements des deux mains (Kalat, 2016).

Développement cérébral de l’adolescent

Le cerveau humain n’est pas complètement développé au moment où une personne atteint la puberté. Entre 10 et 25 ans, le cerveau subit des changements qui ont des implications importantes sur le comportement. Le cerveau atteint 90% de sa taille adulte lorsqu’une personne a six ou sept ans. Le cerveau ne grandit donc pas beaucoup pendant l’adolescence. Cependant, les plis du cerveau continuent de se complexifier jusqu’à la fin de l’adolescence. Les changements les plus importants dans les plis du cerveau pendant cette période se produisent dans les parties du cortex qui traitent les informations cognitives et émotionnelles. Les modifications du cerveau influencent directement les changements de comportement et les processus mentaux. Nous allons aborder certaines de ces questions.

Figure 3.4.5. Le cerveau atteint sa plus grande taille au début de l’adolescence mais continue de mûrir jusque dans la vingtaine.

Modifications du cerveau

Jusqu’à la puberté, les cellules cérébrales continuent de fleurir dans la région frontale. Certains des changements les plus significatifs du développement du cerveau se produisent dans le cortex préfrontal, qui est impliqué dans la prise de décision et le contrôle cognitif, ainsi que d’autres fonctions cognitives supérieures. À l’adolescence, la myélinisation et l’élagage synaptique dans le cortex préfrontal augmentent, ce qui améliore l’efficacité du traitement de l’information, et les connexions neuronales entre le cortex préfrontal et les autres régions du cerveau sont renforcées. Cependant, cette croissance prend du temps, et la croissance est inégale.

Le système limbique

Le système limbique se développe des années avant le cortex préfrontal. Le développement du système limbique joue un rôle essentiel dans la détermination des récompenses et des punitions et dans le traitement des expériences émotionnelles et des informations sociales. Les hormones pubertaires ciblent directement l’amygdale, et les sensations fortes deviennent irrésistibles (Romeo, 2013). Les scanners cérébraux confirment que le contrôle cognitif, révélé par les études IRMf, n’est pas pleinement développé avant l’âge adulte, car le cortex préfrontal est limité dans ses connexions et son engagement (Hartley & Somerville, 2015). Rappelons que cette zone est responsable du jugement, du contrôle des impulsions et de la planification, et qu’elle est encore en cours de maturation au début de l’âge adulte (Casey, Tottenham, Liston, & Durston, 2005).

Figure 3.4.6. Le système limbique.

En outre, les changements à la fois dans les niveaux des neurotransmetteurs dopamine et sérotonine dans le système limbique rendent les adolescents plus émotionnels et plus sensibles aux récompenses et au stress. La dopamine est un neurotransmetteur du cerveau associé au plaisir et à l’adaptation à l’environnement lors de la prise de décision. Pendant l’adolescence, les niveaux de dopamine dans le système limbique augmentent, et l’apport de dopamine au cortex préfrontal augmente. L’augmentation de l’activité de la dopamine à l’adolescence peut avoir des répercussions sur la prise de risques et la vulnérabilité à l’ennui chez les adolescents. La sérotonine est impliquée dans la régulation de l’humeur et du comportement. Elle agit différemment sur le cerveau. Connue sous le nom de « substance chimique apaisante », la sérotonine atténue la tension et le stress. La sérotonine freine également l’excitation et parfois l’insouciance que la dopamine peut produire. S’il y a un défaut dans le traitement de la sérotonine dans le cerveau, un comportement impulsif ou violent peut en résulter.

Le cortex préfrontal

Le cortex préfrontal, la partie des lobes frontaux située juste derrière le front, est souvent appelé le « PDG du cerveau », le centre de contrôle cognitif. Cette région du cerveau est responsable de l’analyse cognitive, de la pensée abstraite, de la modération du comportement « correct » dans les situations sociales, de la capacité à exercer un bon jugement, de l’autorégulation et de l’orientation future. Le cortex préfrontal reçoit des informations de tous les sens et orchestre les pensées et les actions pour atteindre des objectifs spécifiques (Casey, Jones, &Hare, 2008 ; Walsh, 2004). Vers l’âge de 11 ans, cette région du cerveau entame un long processus d’élagage et de myélinisation qui ne s’achève que vers l’âge de 25 ans. Cette région du cerveau est l’une des dernières à atteindre sa maturité. Ce retard peut contribuer à expliquer pourquoi certains adolescents agissent comme ils le font. Les fonctions dites « exécutives » du cortex préfrontal humain comprennent :

• Focalisation de l’attention
• Organisation des pensées et résolution de problèmes
• Prévision et pondération des conséquences possibles du comportement
• Envisager l’avenir et faire des prédictions
• Formation de stratégies et planification
• Capacité à équilibrer les récompenses à court terme et les objectifs à long terme
• .court terme avec les objectifs à long terme
• Changer/ajuster son comportement lorsque les situations changent
• Contrôle des impulsions et retarder la gratification
• Modulation des émotions intenses
• Inhibition des comportements comportement inapproprié et initier un comportement approprié
• Considérer simultanément plusieurs flux d’informations lorsqu’on est confronté à des informations complexes et difficiles

Figure 3.4.7. Le développement du cerveau se poursuit au début de la vingtaine. Le développement du lobe frontal, en particulier, est important à ce stade.

La différence de calendrier de développement du système limbique et du cortex préfrontal contribue à une plus grande prise de risque à l’adolescence. Parce que les adolescents sont motivés par la recherche de sensations fortes qui découlent parfois d’un comportement risqué, ils sont plus susceptibles de s’adonner à la conduite imprudente, au tabagisme ou à la consommation d’alcool, et n’ont pas encore développé le contrôle cognitif nécessaire pour résister aux impulsions ou se concentrer également sur les risques potentiels (Steinberg, 2008). Laurence Steinberg, l’un des plus grands spécialistes mondiaux du développement des adolescents, compare cette situation à l’enclenchement d’un moteur puissant avant que le système de freinage ne soit en place. Il en résulte que les adolescents sont plus enclins aux comportements à risque que les enfants ou les adultes.

Intégration des régions cérébrales

Les études IRM du cerveau montrent que les processus de développement ont tendance à se produire dans le cerveau selon un schéma dos à dos, ce qui explique pourquoi le cortex préfrontal se développe en dernier. Ces études ont également révélé que les adolescents ont moins de matière blanche (myéline) dans les lobes frontaux de leur cerveau par rapport aux adultes, mais que cette quantité augmente à mesure que l’adolescent vieillit. L’augmentation de la myéline favorise la croissance d’importantes connexions cérébrales, ce qui permet une meilleure circulation des informations entre les régions du cerveau. Des recherches par IRM ont également révélé qu’à l’adolescence, la matière blanche augmente dans le corps calleux, le faisceau de fibres nerveuses qui relie les hémisphères droit et gauche du cerveau. Ce développement permet une meilleure communication entre les hémisphères, ce qui permet d’utiliser toute une gamme de stratégies analytiques et créatives pour répondre aux dilemmes complexes qui peuvent survenir dans la vie d’une jeune personne (Giedd, 2004).

En somme, l’adolescence est une période de profonds changements cérébraux. Il est intéressant de noter que deux des principales fonctions cérébrales se développent à des rythmes différents. Les recherches sur le cerveau indiquent que la partie du cerveau qui perçoit les récompenses du risque, le système limbique, passe à la vitesse supérieure au début de l’adolescence. La partie du cerveau qui contrôle les impulsions et s’engage dans une perspective à plus long terme, les lobes frontaux, mûrit plus tard. Ce retard peut expliquer pourquoi les adolescents au milieu de l’adolescence prennent plus de risques que les adolescents plus âgés.

A mesure que les lobes frontaux se développent, deux choses se produisent. Premièrement, la maîtrise de soi se développe car les adolescents sont mieux à même d’évaluer les causes et les effets. Deuxièmement, davantage de zones du cerveau sont impliquées dans le traitement des émotions, et les adolescents deviennent plus aptes à interpréter avec précision les émotions des autres.

Vidéo 3.4.4. Les changements cérébraux à l’adolescence décrit certains des changements physiques qui se produisent à l’adolescence.

Les neurosciences éducatives

Les neurosciences éducatives (ou neuroéducation) sont un domaine scientifique émergent qui réunit des chercheurs en neurosciences, en psychologie, en éducation et même en technologie, pour explorer les interactions entre les processus biologiques et l’éducation. Les chercheurs en neurosciences de l’éducation étudient les mécanismes neuronaux de processus tels que l’apprentissage, la mémoire, l’attention, l’intelligence et la motivation. Leurs recherches portent également sur les difficultés, notamment la dyslexie, la dyscalculie et le TDAH, en relation avec l’éducation. Les chercheurs dans ce domaine peuvent établir un lien entre les découvertes fondamentales des neurosciences cognitives et la technologie éducative afin d’aider à la mise en œuvre de programmes d’études dans des domaines académiques spécifiques, comme les mathématiques et la lecture. Les neurosciences éducatives visent à générer des recherches fondamentales et appliquées qui fourniront un nouveau compte transdisciplinaire de l’apprentissage et de l’enseignement, capable d’informer l’éducation.

Vidéo 3.4.5. Introduction aux neurosciences éducatives traite de la façon dont les neurosciences peuvent informer l’éducation et dissipe plusieurs mythes courants sur le fonctionnement du cerveau détenus par les enseignants et les étudiants.