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Pour apprendre vite, notre cerveau synchronise des ondes cérébrales

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Lors d'un apprentissage, le cerveau établit de nouvelles connexions. Le phénomène est connu... mais très lent. Il y a bien plus rapide, expliquent des chercheurs du MIT : la synchronisation d'ondes cérébrales entre le cortex préfrontal (celui des fonctions cognitives supérieures) et le striatum, impliqué dans l'apprentissage. Les reconnexions viendraient ensuite.

La synchronisation d’ondes du cerveau, celles que l'on détecte avec un électroencéphalogramme, permettrait une réflexion et un apprentissage rapides. © Petter Kallioinen, Wikimedia Commons, cc by sa 3.0

Le cerveau compte des milliards de neurones qui produisent des signaux électriques. La combinaison de ces signaux crée des ondes cérébrales que l'on peut détecter par un électroencéphalogramme (EEG). Dans une étude parue dans la revue Neuron, des chercheurs du MIT (Massachusetts Institute of Technology) se sont intéressés aux ondes cérébrales enregistrées dans deux aires impliquées dans l'apprentissage : le cortex préfrontal, qui contrôle les fonctions dites exécutives du cerveau, et le striatum.

Bonne pioche : ces travaux ont donné lieu à une découverte majeure. Les chercheurs ont observé que ces deux aires interagissent en synchronisant leurs ondes lors d'un apprentissage. Or, jusqu'à présent, on expliquait souvent ce processus par la plasticité synaptique, à savoir la capacité des neurones à créer et défaire des connexions entre eux.

Mais pour Earl Miller, professeur de neurosciences au MIT et auteur de l'étude, la plasticité neuronale prend du temps et ne permet pas une grande flexibilité de la pensée humaine : « si vous pouvez changer vos pensées d'un instant à l'autre, vous ne pouvez pas le faire en créant constamment de nouvelles connexions ».

Connexions entre neurones du cerveau. La synchronisation des ondes cérébrales pourrait précéder la formation de nouvelles synapses. © jgmarcelino (Newcastle upon Tyne, Royaume-Uni), cc by 2.0

Des ondes du cortex préfrontal et du striatum en rythme

Les chercheurs ont donc voulu savoir si le cortex préfrontal et le striatum travaillaient ensemble ou indépendamment lors d'un apprentissage. Pour cela, ils ont enregistré l'activité des deux aires chez des singes qui apprenaient à classer des motifs de points en deux catégories.

Au début, les animaux pouvaient mémoriser quels exemplaires appartenaient à quelle catégorie, mais ceux-ci augmentaient au fur et à mesure de l'expérience pour que les animaux apprennent les caractéristiques de chaque catégorie. Les singes, alors, comprenaient mieux l'exercice. À la fin de l'expérience, quand les chercheurs leur montraient 256 nouveaux exemplaires, les singes pouvaient les classer correctement. Ce passage de la mémorisation à l'apprentissage des catégories s'est traduit par des différences très nettes dans les profils des EEG. Les ondes bêta, produites indépendamment par le cortex préfrontal et le striatum, ont commencé à se synchroniser.

Les auteurs observent des synchronisations particulièrement fortes entre certaines paires de régions du cortex préfrontal et du striatum, et ce pour l'une ou pour l'autre des deux catégories présentées aux singes. Leur conclusion est que ces synchronisations permettent, dans un second temps de l'apprentissage, de former de nouveaux circuits de communication entre le cortex préfrontal et le striatum. Les singes, et nous aussi, probablement, parvenons donc à apprendre plus vite que le permettrait le seul établissement de nouveaux réseaux.

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