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La réorganisation fonctionnelle des

aires cérébrales du langage et de l"organisation visuospatiale Influence des régularités environnementales lors d"un entraînement non verbal : études en IRMf

Directeur de thèse :

Professeur Francis Lowenthal

Service de sciences cognitives Dissertation doctorale présentée par Laurent LEFEBVRE en vue de l"obtention du grade de docteur en psychologie

Faculté de Psychologie et des

Sciences de l"Education

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Première partie :

le contexte théorique

Introduction

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Introduction

Histoire des neurosciences

Dès le début du XIX

è siècle, un intérêt croissant est apparu concernant l"étude des localisations cérébrales des fonctions cognitives dans le cerveau. Deux conceptions s"opposent : une première vue, prônée par Franz Joseph Gall, affirme que le cerveau est composé de parties spécialisées et que les aspects de la perception, de l"émotion ou du langage sont localisés dans divers systèmes neuronaux anatomiquement distincts. A la même époque, Jean-Pierre-Marie Flourens défend une position diamétralement opposée, postulant que les fonctions cognitives sont des

propriétés globales existant grâce à l"activation intégrée du cerveau entier. Flourens a

développé pour ce faire l"idée d"" aggregate fields », champs reprenant l"ensemble des zones cérébrales impliquées pour une même fonction. L"approche phrénologique proposée par Gall, également appelée " localisationniste », sera à l"origine de la psychologie expérimentale, fin du XIX è siècle. Initialement, ses fondateurs, Gustav Fechner et Wihlelm Wundt se sont centrés sur l"étude des mécanismes psychophysiques, c"est-à-dire l"analyse des relations quantitatives pouvant exister entre les stimuli physiques et les sensations subjectives. Le succès important de leur démarche a encouragé les psychologues à étudier des comportements plus complexes à partir d"une approche rigoureuse : le behaviorisme. Fondé par Watson, suivi par Skinner, le behaviorisme postule que la psychologie ne peut être approchée que par l"étude des stimuli observables et des réponses engendrées, et non par les processus non-observables qui interviennent entre le stimulus et la réponse. Cette approche a permis la mise en évidence de résultats intéressants sur les principes généraux du comportement et de l"apprentissage.

Introduction

4 Néanmoins, dans les années 1960, les limites du behaviorisme favorisent l"émergence d"une nouvelle approche qui s"intéressera, cette fois, aux processus cognitifs et aux représentations internes mis en jeu pour élaborer la réponse à partir du stimulus. Cette approche, la psychologie cognitive, va cibler plus précisément certains aspects de la cognition et plus généralement, de la vie mentale. La cognition regroupe l"ensemble des activités qui découlent du fonctionnement cérébral chez l"homme et chez l"animal : sensori-motricité, perception, langage, apprentissage, mémoire, représentation des connaissances, décision et raisonnement. L"étude de la cognition ne peut toutefois pas être étudiée par une seule discipline. Elle implique nécessairement une interaction forte entre divers domaines de recherche qui ont pourtant longtemps été considérés comme relativement séparés. Les scientifiques actuels distinguent entre autre l"intelligence artificielle, la linguistique, la modélisation mathématique, les neurosciences et la psychologie cognitive, regroupés sous le terme de " sciences cognitives » (Tiberghien, 2002). Chacune de ces disciplines a développé son propre champ de compétence et ses propres modèles. Les études actuelles tentent maintenant d"intégrer ces différents champs et de réunir les apports de chacun d"eux afin d"unifier des domaines finalement moins distincts que présupposé. Notamment, les neurosciences associées à la psychologie et l"informatique vont permettre d"accroître considérablement les connaissances dans un domaine fondamental de la psychologie : la neuropsychologie. Celle-ci a été définie par Hécaen (1972) comme la " discipline qui traite des fonctions mentales supérieures dans leurs rapports avec les structures cérébrales ». La neuropsychologie moderne tente de développer les connaissances fonctionnelles et neuroanatomiques du cerveau.

Introduction

5 Il est traditionnellement acquis que la naissance de la neuropsychologie apparaît suite aux travaux de Broca et de Wernicke au milieu de XIX

è siècle. Par des

observations anatomocliniques, ces deux neurologues ont établi un lien précis entre

les fonctions cognitives atteintes et les zones cérébrales lésées (la zone frontale

inférieure gauche soutenant la production langagière pour Broca, et la zone temporale supérieure gauche, la compréhension du langage oral pour Wernicke). Suite à ces études princeps, la neuropsychologie se développera par l"étude de

patients cérébrolésés adultes, en vue d"établir des liaisons entre structures cérébrales

et processus cognitifs. Cette démarche est d"ailleurs largement inspirée du courant phrénologique prôné par Gall et Purzheim. La neuropsychologie souffrira toutefois du fait que les études corrélationnelles entre les atteintes cérébrales et cognitives ne puissent se dérouler que post-mortem, avec tous les problèmes de validité expérimentale que cela entraîne. Le développement des technologies informatiques récentes va alors résoudre ce problème. En effet, la découverte de techniques d"imagerie va permettre l"investigation in vivo de la partie anatomique et fonctionnelle de l"activité mentale : le cerveau. L"imagerie fonctionnelle, selon Dehaene (1997), deviendra alors le principal outil des neurosciences cognitives et de la neuropsychologie, et va " jeter un regard neuf sur des questions de psychologie et de neuropsychologie demeurées en suspens ». Cette avancée fondamentale dans la compréhension de l"être humain sert aujourd"hui de fondement à l"analyse du lien entre les diverses fonctions cognitives et leurs substrats anatomiques. En corollaire du développement de l"informatique, une autre discipline va également permettre l"essor de la neuropsychologie : les neurosciences. Celles-ci vont permettre de mieux comprendre l"aspect neurobiologique de la physiologie

cérébrale. Les premières études cellulaires du système nerveux, remontent aux

années 50, et vont prouver combien les neurosciences peuvent apporter à la psychologie et inversement. Les neuroscientifiques vont en effet récupérer les méthodes expérimentales rigoureuses du behaviorisme et les appliquer à l"approche

Introduction

6 cellulaire pour analyser les stimuli sensoriels résultant de réponses neuronales, et mettre ainsi en évidence les supports biologiques des fonctions cognitives. Cette technique va permettre d"étudier le comportement et la cognition en passant de la description à l"exploration des mécanismes sous-tendant les représentations internes du monde externe. Les premières études en neurosciences ont été publiées par Mountcastle (1957). Cet auteur va utiliser des approches cellulaires pour analyser les processus sensoriels dans le cortex cérébral de chats. Son travail représente une avancée aussi considérable dans la compréhension de l"organisation du cerveau que la découverte des neurones par Ramon y Cajal (1894). Mountcastle observe, au travers de techniques physiologiques cellulaires, que le cerveau filtre et transforme l"information sensorielle dans le cortex, et que ces transformations sont le fondement de la perception. Les systèmes sensoriels analysent, décomposent, et ensuite restructurent les informations sensorielles brutes selon certaines règles et selon certaines connexions. Mountcastle va démontrer notamment que certaines cellules nerveuses spécifiques dans le cortex primaire répondent à des stimuli particuliers, certaines répondant à un toucher superficiel, d"autres à une pression plus intense, parfois même aux deux. Il constate que les différents types de cellules sont isolés en colonnes verticales et comprennent des centaines de neurones qui s"étendent de la surface corticale à la matière blanche située en dessous. Mountcastle affirme alors que chaque colonne sert d"unité intégrative, qu"elle compose un module logique, et que ces colonnes sont le mode élémentaire de l"organisation corticale. Alors que les études de cellules uniques ont énormément apporté à la compréhension du fonctionnement anatomique cérébral, le développement technologique va permettre de s"intéresser à l"aspect fonctionnel du cerveau, par l"étude des divers réseaux et des nombreux neurones s"activant de concert. Il est en effet établi aujourd"hui que les neurones, en des points distincts des zones corticales, peuvent travailler ensemble en tant qu"unités fonctionnelles (Pulvermüller, 1999).

Introduction

7 Pour mesurer l"activité de larges populations de neurones, deux grandes approches sont communément utilisées. La première, à l"aide de dispositifs d"électrodes, va étudier l"activité électrique du cortex. La seconde, permettant de scanner le cerveau dans sa globalité, se base sur l"étude de la modification du débit

sanguin cérébral consécutif à l"activité neuronale. Ces approches sont encore

complétées par l"étude de patients cérébrolésés et par des méthodes moléculaires, tels

que la délivrance de marqueurs ou d"autres molécules à des neurones spécifiques. Les deux grands thèmes actuels des neurosciences sont l"activation du cerveau et la neuroplasticité. Le premier s"intéresse à la manière dont les communications se développent entre cellules, comment ces cellules fonctionnent et échangent. La plasticité caractérise le fait que le système nerveux peut s"adapter ou changer selon les événements vécus durant la vie. L"expérience peut ainsi modifier l"activation du système nerveux. En effet, les connexions entre neurones ne sont pas fixes mais modifiables. Ainsi, des études chez les invertébrés ont montré que des formes simples d"apprentissages, comme l"habituation, la sensibilisation ou le conditionnement classique, résultent de changements fonctionnels et structurels entre neurones. L"intérêt croissant pour ce carrefour de la biologie et de la psychologie que forment les neurosciences, soutenu par les apports de l"informatique, amènera encore sûrement de nombreuses découvertes primordiales dans la compréhension du système cérébral humain.

Eléments de Neuroanatomie

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Chapitre I : Eléments de Neuroanatomie

Ce chapitre aborde les aspects neurophysiologiques du cerveau : les parcellisations corticales et sous-corticales, ainsi que la principale carte cytoarchitectonique utilisée par les neuropsychologues, celle de Brodmann (1909). Le système nerveux humain contient environ 300 milliards de cellules, classées en deux catégories : les cellules gliales et les neurones. Les cellules gliales (appelées également neurogliales ou glies) sont des cellules présentes dans le cerveau, environ 10 fois plus nombreuses que les neurones. Elles se retrouvent aussi bien dans le système nerveux central que périphérique. Les types de cellules gliales sont différents selon le système. Il est fréquent de distinguer trois types de cellules : les astrocytes, les oligodendrocytes et les microglies : - L"astrocyte est une large cellule en rapport direct avec la vascularisation du cerveau. Elle est en contact fréquent avec les vaisseaux sanguins à des endroits spécifiques appelés " end-feet » (les points de connexions). Cela permet à l"astrocyte de transporter des ions à travers les parois vasculaires et de créer entre les tissus du système nerveux central et le sang une barrière appelée la " Blood- brain barrier ». Elle protège le système nerveux central des divers composants sanguins, notamment chimiques, susceptibles d"affecter l"activité neuronale (e.g. des drogues ou des agents neuroactifs comme la dopamine). Elle explique également la non applicabilité de certains traitements contre la maladie de Parkinson (le parkinsonien a un déficit de dopamine dans les ganglions de la base) car injecter de la dopamine dans le sang ne pourrait atteindre les cellules nerveuses ; - l"oligodendrocyte, présente dans le système nerveux central, est à la base de la myélinisation des axones. Dans le système périphérique, elle est appelée " cellule de Schwann » ; - enfin, la microglie, plus petite, joue un rôle quand des tissus sont endommagés. Elle est surtout présente dans des zones cérébrales endommagées et joue un rôle phagocytaire : elle supprime les cellules détruites (Godaux, 1990).

Eléments de Neuroanatomie

9 Le neurone est le principal élément de communication du système nerveux : il transmet l"information au sein du cerveau, et vers le système nerveux périphérique. Il existe deux types de neurones dans le cortex : les neurones pyramidaux et non-pyramidaux (Petit et Crivello, 2002). Les premiers envoient leurs axones vers les structures sous-corticales (efférences corticales), le cortex du même hémisphère (efférences intracorticales) et vers l"autre hémisphère via le corps calleux (efférences callosales). Les neurones non-pyramidaux se projettent quant à eux localement au sein même du manteau cortical. La distribution de ces deux types de cellules est relativement peu homogène dans le cortex, ce qui a permis d"élaborer des cartes de distribution architecturale par des critères cytoarchitectoniques (i.e. marquage des cellules), myéloarchitectoniques (i.e. marquage des fibres myélinisées), angioarchitectoniques (i.e. observation de l"arrangement des vaisseaux sanguins) et pigmentoarchitectoniques (i.e. observation de la densité de lipofuscine 1 dans les neurones).

I.1. Les aires cérébrales

I.1.1. Les structures corticales

Les études sur le cerveau ont amené les scientifiques à parcelliser celui-ci, afin de s"accorder sur les localisations. Les recherches fonctionnelles ont par ailleurs permis de définir une topographie cérébrale fonctionnelle du cortex. Les neuroscientifiques distinguent généralement la face corticale où différents lobes se distinguent (i.e. la face externe du cerveau ; voir figure 1) et la partie sous-corticale, composée d"une partie du lobe limbique et d"un ensemble complexe de petites structures (i.e. interne ; voir figure 2).

1 La lipofuscine est un pigment lipidique, de couleur brunâtre qui peut s"accumuler dans certains tissus

Eléments de Neuroanatomie

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Figure 1 : Parcellisation externe

Les limites entres les lobes sur la face corticale sont précises, quoi qu"arbitraires : - le lobe frontal (bleu), situé au pôle antérieur du cerveau, est limité postérieurement par le sillon de Rolando, et en bas par la scissure de Sylvius ; - le lobe pariétal (mauve) est limité antérieurement par le sillon de Rolando, postérieurement par une ligne virtuelle qui part de l"encoche que fait le sillon pariéto-occipital et en bas par la continuité virtuelle de la scissure de Sylvius ; - le lobe occipital (orange) est limité antérieurement en bas par l"incisure préoccipitale de Meynert et la continuité virtuelle de celle-ci verticalement ; - le lobe temporal (jaune) est limité supérieurement par la scissure de Sylvius et postérieurement par l"incisure préoccipitale de Meynert. Houdé et al. (2002) ont tenté de définir les rôles fonctionnels des différents lobes.

Sillon de Rolando

Scissure de Sylvius

Incisure préoccipitale

de Meynert

Eléments de Neuroanatomie

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I.1.1.1. Le lobe frontal

Il s"agit du lobe de l"action, de l"organisation du mouvement jusqu"aux fonctions de planification et de prise de décision (i.e. les fonctions exécutives). L"anatomie fonctionnelle du lobe frontal se décline de manière postéro-antérieure, des régions motrices vers les aires multimodales associatives. Dans les zones périrolandiques antérieures siègent les aires motrices et prémotrices qui commandent et préparent le mouvement. Plus antérieurement, les aires du contrôle de l"activité oculomotrice et de la mémoire de travail ont été mises en évidence. Enfin, une zone particulièrement importante, la zone de Broca, se situe dans le lobe frontal inférieur gauche. Sa partie la plus postérieure soutient le traitement phonologique (i.e. représentation plus motrice du langage) alors que la zone du stockage, de la sélection du mot, et du traitement syntaxique se situe dans la partie antérieure.

I.1.1.2. Le lobe pariétal

Lobe de la perception, le lobe pariétal contient dans sa partie antérieure les aires sensitives primaires et dans sa partie inféro-postérieure, les zones d"intégration multimodale, reliant les informations issues des domaines visuel, auditif, tactile et olfactif. La partie supérieure du lobe pariétal est quant à elle dédiée au traitement de l"espace.

I.1.1.3. Le lobe occipital

Il est le siège du cortex visuel. Sa partie postérieure, appelée V1, est une zone de perception dite " primaire », s"activant dès la perception visuelle du stimulus. La

partie plus antérieure du lobe occipital traite quant à elle les caractéristiques

physiques du stimulus, à savoir sa forme, sa couleur et le mouvement de celui-ci.

Eléments de Neuroanatomie

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I.1.1.4. Le lobe temporal

Sa partie supérieure est dédiée au traitement auditif des sons de l"environnement, tant dans le traitement que dans la compréhension de ceux-ci. Elle est composée d"une zone de perception primaire, appelée gyrus de Heschl, s"activant

dès la perception du stimulus, et d"une partie dite " secondaire » qui détaille les

caractéristiques physiques du stimulus auditif. La partie inférieure traite quant à elle la forme d"objets ou de visages, mais également des chiffres et des lettres. La structure temporale, en association avec la partie limbique qui se trouve en dessous, gère enfin l"encodage en mémoire à long-terme des informations déclaratives et

épisodiques.

Si les structures corticales ont été relativement bien décrites ces dernières années, un intérêt croissant se manifeste pour les structures dites " sous-corticales », dont l"implication dans les fonctions cognitives fait l"objet d"une étude récente.

I.1.2. Les structures sous-corticales

Figure 2 : Parcellisation interne2

2 http://www.inrp.fr/Acces/biotic/neuro/plasticite/images/hippocampe-dans-cerveau.jpg (11/01/2006)

Eléments de Neuroanatomie

13 Les structures sous-corticales se composent de nombreuses structures souvent en interrelation. Longtemps, cette partie du cerveau a été décrite comme le siège des fonctions dites " primaires » de l"être humain, comme dormir ou manger. Les études actuelles tendent à montrer que ces structures auraient un rôle bien plus large dans le fonctionnement cérébral de l"homme. Elles se concentrent autour des ventricules cérébraux. Une description succincte des différentes parties est proposée, seuls les noyaux gris, particulièrement importants dans les fonctions cognitives, seront plus largement développés.

I.1.2.1. Le gyrus cingulaire (ou lobe limbique)

Le lobe limbique entoure le corps calleux et se poursuit avec les structures hippocampiques et parahippocampiques. Sa définition est relativement complexe, car le lobe limbique englobe des structures corticales, des faisceaux de fibres et des noyaux gris. Il gère dans sa partie antérieure les informations émotionnelles et les manifestations neurovégétatives. Il joue également un rôle fondamental dans le cadre de l"intégration de données en mémoire à long-terme en association avec le lobe temporal.

I.1.2.2. Le corps mamillaire

Structure formant avec le thalamus, le fornix et l"hippocampe, le circuit de Papez. Ce circuit est décrit comme la zone neuronale permettant l"encodage en mémoire.

Eléments de Neuroanatomie

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I.1.2.3. Le corps calleux

Il s"agit d"une structure enroulée autour du diencéphale3. Il est composé, d"avant en arrière, du rostrum (bec), du genou et du splénium. Le corps calleux est constitué de fibres inter-hémisphériques qui unissent des points symétriques du cortex des deux hémisphères. Il s"agit de la principale structure de communication entre les deux hémisphères cérébraux.

I.1.2.4. Le fornix

Structure également enroulée autour du diencéphale, il se compose d"un corps et de quatre piliers (colonnes) : les piliers antérieurs se terminent dans les corps mamillaires et les piliers postérieurs se terminent dans l"uncus et l"hippocampe. Il s"agit de la principale voie d"association du système limbique et il fait partie du circuit de Papez.

I.1.2.5. L"amygdale

L"amygdale est le centre de contrôle et de décodage des émotions, et en particulier des stimuli menaçants pour l"organisme. En effet, l"évolution a regroupé plusieurs circuits du système d"alarme dans l"amygdale. Par conséquent, plusieurs inputs sensoriels convergent vers l"amygdale pour l"informer des dangers potentiels issus de son environnement. Cette information sensorielle lui parvient soit directement du thalamus, soit des cortex sensoriels.

I.1.2.6. L"hypothalamus

Il s"agit de la partie du cerveau qui orchestre le lien entre le système nerveux et le système hormonal.

3 Portion du cerveau constituée du thalamus, de l"hypothalamus, des noyaux gris centraux, de la

capsule interne, du troisième ventricule, de l"épithalamus, du sous-thalamus et du métathalamus.

Eléments de Neuroanatomie

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I.1.2.7. La région septale

Elle comprend le septum lucidum (fine couche gliale séparant les cornes frontales des 2 ventricules latéraux) et contient à sa base les noyaux du septum, l"aire septale et la portion basale de la face interne du lobe frontal. Elle reçoit des afférences, entre autre, de l"hippocampe, de l"amygdale, du thalamus, de la formation réticulée, du gyrus cingulaire. Elle envoie ses efférences vers la formation réticulée ou vers l"hippocampe, par le fornix.

I.1.2.8. Les noyaux gris

Les noyaux gris sont particulièrement intéressants, car ils sont activés lors de nombreuses activités cognitives dites supérieures. Selon Petit (2002), les noyaux gris centraux représentent une grande partie de la substance grise à l"intérieur des

hémisphères cérébraux, bordant les ventricules. Selon cet auteur, les noyaux gris

peuvent être distingués en deux groupes fonctionnels distincts : les ganglions de la base et le thalamus.

Les ganglions de la base

Gazzaniga et al. (2002) définissent les ganglions de la base comme une collection de groupes neuronaux sous-corticaux dans la partie interne du cerveau localisée près de la portion antérieure des ventricules latéraux. Les neurophysiologistes ne s"accordent toutefois pas sur la définition précise des éléments les constituant. Pour Gazzaniga et al. (2002), les ganglions de la base sont subdivisés en trois parties : le globus pallidus, le noyau caudé et le putamen (les deux derniers formant le néostriatum car phylogénétiquement les plus récents dans les ganglions de la base ; voir figure 3). Wise et al. (1997) définissent quant à eux les ganglions de la base comme un ensemble de structures, incluant le néostriatum, le globus pallidus, mais également le nucléus sous-thalamique et la substance noire. Il aquotesdbs_dbs45.pdfusesText_45

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