Introduction aux Neurosciences Cognitives Licence 1ère année de Psychologie – S1UE1
Ce document est destiné aux étudiants en 1ère année de Psychologie qui suivent l’enseignement « Introduction aux Neurosciences Cognitives » à l’université de Rouen. Il sert de support au cours de Vincent Roy. Une version PDF est téléchargeable sur mon site d’enseignement ou vous trouverez également des annales des examens ainsi que des liens connexes au cours : http://psychobiologierouen.free.fr
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[email protected] – Septembre 2013
Introduction aux Neurosciences Cognitives Licence 1ère année de Psychologie – S1UE1 Organisation de l’enseignement Semaine 1 : CM1 – Vincent Roy Semaine 2 : CM2 – Vincent Roy Semaine 3 : CM3 – Vincent Roy Semaine 4 : TD1 – Vincent Roy Semaine 5 : TD2 – Vincent Roy Semaine 6 : TD3 – Vincent Roy
Contrôle Continu
Semaine 7 : CM4 – Pierre Chapillon Semaine 8 : CM5 – Pierre Chapillon Semaine 9 : CM6 – Pierre Chapillon Semaine 10 : TD4 – Pierre Chapillon ou intervenant Semaine 11 : TD5 – Pierre Chapillon ou intervenant Semaine 12 : TD6 – Pierre Chapillon ou intervenant
Contrôle Continu
Introduction : Pourquoi des Neurosciences cognitives dans un cursus de Psychologie ?
Pour comprendre les bases neurobiologiques du comportement • Comportements normaux • Sensations, perception et motricité • Sommeil, comportement alimentaire, comportement sexuel… • Apprentissages et mémoire, résolution de problème, émotions, conscience…
• Troubles du comportement et atteintes du système nerveux • Dépression, Anxiété, Troubles moteurs et perceptifs, Maladie d’Alzheimer, Maladie de Parkinson, Sclérose en plaques, Epilepsies, Méningites…
• Développement et Vieillissement
Pour comprendre le monde qui nous entoure •
Le neuromarketing s’appuie sur des résultats obtenus en neurosciences pour vendre des produits ou communiquer. Des données de la psychologie avait déjà été utilisées pour les messages subliminaux.
•
Le secteur judiciaire s’intéresse également aux neurosciences : détecter les mensonges en imagerie par résonance magnétique fonctionnelle ?
•
Les « neuro-mythes » : la mémoire de 3 secondes du poisson rouge, on utilise seulement 10% de notre cerveau…
•
Les substances qui augmenteraient la mémoire (avant les partiels) ou celles qui la détériore (drogue du violeur)
•
Les jouets et média « interactifs » qui rendraient les enfants plus « intelligents ».
Partie 1 : Qu’est-ce que le Système Nerveux ?
http://lecerveau.mcgill.ca/
A quoi sert le système nerveux ?
Gérer les relations de notre organisme avec le monde extérieur Entretenir la vie de notre organisme
Le fonctionnement du système nerveux ne peut donc se concevoir indépendamment du corps (milieu intérieur) et du monde qui nous entoure (milieu extérieur).
Les fonctions du système nerveux La fonction sensitive Message tactile au niveau de la peau Taux de sucre (glycémie) dans le sang
La fonction d’intégration Traitement conscient ou non du message
La fonction motrice Motricité pour saisir un objet Libération d’insuline par le pancréas
Sur le plan anatomique on distingue le système nerveux central (SNC) du système nerveux périphérique (SNP)
SNC
SN Central = Encéphale + Moelle épinière
SNP
Sur le plan fonctionnel on distingue le système nerveux cérébro-spinal du système nerveux autonome Le système nerveux cérébro-spinal permet de gérer les relations de notre organisme avec le monde extérieur. Il est aussi appelé système nerveux somato-sensoriel
Volontaire
Involontaire
Le système nerveux autonome, aussi appelé système nerveux végétatif ou neurovégétatif permet d’entretenir la vie de l’organisme SNA sympathique « Activation »
SNA parasympathique « Inhibition »
Description du Système Nerveux
•
Système Nerveux Central •
L’encéphale • Le cerveau • Le cervelet • Le tronc cérébral Les cellules du système nerveux
•
•
La moelle épinière
Système nerveux périphérique • •
Les nerfs crâniens Les nerfs spinaux
Le système nerveux central (SNC) L’encéphale • L’encéphale comprends les éléments dans la boîte crânienne. • Il est donc composé du Cerveau mais aussi du Cervelet et du Tronc cérébral
Cerveau
Cervelet
Tronc cérébral
Cervelet
Le cerveau
Forme ovoïde
Deux hémisphères interconnectés
Scissure inter-hémisphérique ou Fissure longitudinale
Observer le cerveau
Coupe coronale ou frontale Coupe sagittale ou médiane Coupe horinzontale ou axiale
Le cerveau Scissure Centrale (de Rolando)
Lobe Pariétal Lobe Frontal Lobe Temporal
Scissure Latérale (de Sylvius)
Lobe Occipital
Le cerveau Circonvolution Temporale 1 Sillon
T1 T2 T3
T4 et T5 en vue inférieure
Le cerveau : vue interne
Matière blanche Matière grise
La matière grise : cellules nerveuses et cellules gliales La matière blanche : des fibres nerveuses
Les cellules du système nerveux
Axone
Dendrites Cellule nerveuse (neurone) avec ses prolongements
• Cellules nerveuses ou Neurones • Grace à sa membrane excitable et à ses prolongements, le neurone peut recevoir, conduire (voie électrique) et transmettre (voie chimique) des messages nerveux. La transmission se fait au niveau des synapses
Environnement
Récepteur sensoriel
Effecteur (ex : muscle)
• Il existe de très nombreux types de Neurones
• Cellules gliales
Suite de la description de l’encéphale
• Le tronc cérébral régule des fonctions vitales de l’organisme. Il a donc un rôle majeur dans le fonctionnement du SN autonome. • Rythme cardiaque, respiration, sommeil…
• Le cervelet est impliqué dans l’équilibration, la posture, le tonus musculaire et la motricité fine. • Il joue également un rôle dans la régulation des apprentissages, des émotions...
La moelle épinière et la colonne vertébrale
Le système nerveux périphérique (SNP) 12 paires de Nerfs Crâniens
31 paires de nerfs spinaux Vers le cerveau
Entrée sensorielle Sortie motrice
L’arc réflexe au niveau de la moelle épinière
Partie 2 : Évolution des idées sur le cerveau et le comportement
Le débat cardiocentrisme versus cérébrocentrisme • Théorie cardiocentriste : le cœur est le centre de la pensée • Aristote : le cœur est le siège de l’âme ; le cerveau est un organe de « refroidissement » • La bible fait mention du cœur et des entrailles - « Donne moi un cœur plein de sagesse » - mais pas du cerveau • Expressions courantes dans le langage
• Théorie cérébrocentriste : le cerveau est le centre de la pensée • Hippocrate : Non seulement nos plaisirs, nos joies et nos rires mais également nos tristesses, nos peines et nos chagrins proviennent du cerveau, et du cerveau uniquement. Grâce à lui nous pensons et comprenons, pouvons voir et entendre ; il nous permet de distinguer le laid du beau, ce qui est agréable de ce qui ne l’est pas, ce qui est bon de ce qui est mauvais.
Premiers liens entre système nerveux et comportements
Galien (131-201)
Vivisections chez l’animal : - La section des nerfs provoque des réactions directement observables Soigne des gladiateurs : - Des blessures à la tête provoquent des changements dans le comportement
Le dualisme cartésien > Traité de l’homme (1633 mais publié seulement en 1664) > Animal machine : Engrenage / Systèmes hydrauliques > Homme : Ame d’origine divine, matérialisée par la glande pinéale
Descartes (1596-1650)
Réflexe spinal
Le matérialisme darwinien et la théorie de la sélection naturelle > L’origine des espèces au moyen de la sélection naturelle (1859) > Bases biologiques communes au comportement chez l’homme et chez les autres animaux
Darwin (1809-1892)
Phalène du bouleau
Les théories localisationniste et holistique au 19ème siècle
Comment notre cerveau régule t’il nos comportements ? M. Gazzaniga dans Neurosciences Cognitives – On vous donne un problème à résoudre : Soit une masse de tissu biologique dont on sait qu’elle pense, qu’elle se souvient, fait attention, résout des problèmes, désire faire l’amour, joue, écrit des romans, manifeste des préjugés et fait une infinité d’autres choses.
Vous êtes censé arriver à comprendre comment elle fonctionne…
Est-ce que le cerveau fonctionne comme un tout ? Chacune de ses parties contribue également au comportement ?
Est-ce que chaque partie du cerveau remplie une fonction particulière de façon indépendante du reste du cerveau ?
Est-ce que la bonne solution est intermédiaire ?
La Phrénologie : Franz Joseph GALL (1757 – 1828) « Art de reconnaître les instincts, les penchants, les talents et les dispositions morales et intellectuelles des hommes et des animaux par la configuration de leur cerveau et de leur tête » Début du 19ème siècle GALL envisage l’existence des localisations corticales en développant la cranioscopie (phrénologie).
● Une disposition intellectuelle particulière se traduit par une hypertrophie du cerveau au niveau de la région qui régule cette disposition et donc par une déformation du crâne à cet emplacement. ● L’analyse des bosses du crâne révèlerait donc les capacités intellectuelles d’une personne…
La conception holistique du fonctionnement cérébral : le cerveau fonctionne comme un tout et il n’existe pas de localisation des fonctions
Pierre Jean Marie Flourens (1794-1867)
Des lésions d’aires cérébrales particulières ne s’accompagnent pas de troubles comportementaux définis chez l’oiseau
« Il n’y a donc pas de siège pour les différentes facultés, ni pour les diverses sensations… » (1842)
La conception localisationniste du fonctionnement cérébral : chaque zone du cerveau serait associée à une fonction dont elle a le contrôle
John Hughlings Jackson (1835-1911)
> Observations sur des patients épileptiques > Observations sur des patients lésés dans l’hémisphère droit > Idées de compensation et de restauration fonctionnelle
La conception localisationniste du fonctionnement cérébral Broca et l’aphasie de Production Il localise une zone responsable de la production du langage dans le tiers postérieur de la 3ème circonvolution frontale > Dans l’hémisphère GAUCHE
Paul Broca (1824-1880)
Aphasie de BROCA = Aphasie de production
> Flourens module les résultats de Broca – cf. Travaux dirigés
Wernicke (1848-1905) et l’aphasie de compréhension Il localise une zone responsable de la compréhension du langage dans le lobe temporal supérieur et dans le tissu pariétal adjacent
> Dans l’hémisphère GAUCHE Aphasie de WERNICKE = Aphasie de compréhension
Aphasie de Conduction Les fibres de passage qui relient les zones de Broca et de Wernicke sont endommagées
Le comportement est une constellation d'activités indépendantes (mais liées) et non un tout unitaire ● Claude Bernard : Il faut observer un organisme dans son ensemble pour en comprendre le fonctionnement ● Head et Von Monakov : Un cerveau lésé est un nouveau système, pas le système de base moins un élément ● Hughlings Jackson : Il faut bien distinguer la localisation des symptômes et la localisation d’une fonction
Comportement / symptômes Entrées sensorielles
Karl Lashley (1890 – 1958) : Psychologue expérimental
● Des lésions cérébrales focales ont très peu d’effet sur les performances d’apprentissage de rats dans des labyrinthes ► L’apprentissage sensorielles
est
réalisé
à
partir
de nombreuses modalités
A partir de 1900… Les débuts de l’histologie : Camillo Golgi et Santiago Ramon Y Cajal Golgi (1843 – 1926)
Cajal (1852 – 1934)
Exemple de neurones colorés par la méthode de Golgi
Représentation des neurones du cortex par Ramon y Cajal
► Idée d’un syncytium neuronal
► Doctrine Neuronale : les neurones sont unitaires et forment un réseau
Luigi Galvani (18ème siècle) : Les cellules nerveuses produisent de l’électricité Johannes Muller et Hermann von Helmholtz (19ème siècle) : L’activité électrique d’une cellule nerveuse affecte une autre cellule de façon prédictible
Charles Sherrington (1857 – 1952) : Il introduit le terme de Synapse en 1897 et le concept d'unidirectionnalité pour la transmission synaptique
Donald Hebb (1904 – 1985) : Définit le concept de plasticité synaptique, qui représente une base biologique pour les apprentissages et à la mémoire
Brodmann et les cartes cytoarchitectoniques (1868 – 1918) > En se basant sur des différences neuroanatomiques au niveau des couches corticales, Brodmann décrit 52 aires et dessine ses cartes cytoarchitectoniques (1909)
Wilder Penfield (1891 – 1976) et les homunculi La stimulation électrique de zones corticales précises chez des patients éveillés conduit à des sensations ou des mouvements
Homunculus moteur
Homunculus sensoriel
Roger Sperry (1913-1994) et les patients “split brain” Le corps calleux permet le transfert des informations d’un hémisphère à l’autre dans le cerveau. En étudiant des patients « split brain », Sperry montre la spécialisation hémisphérique pour certaines fonctions.
http://www.nobelprize.org/educational/medicine/split-brain/splitbrainexp.html
Depuis les années 1950 ► Des neurones individualisés sont la base du système nerveux ► Les idées localisationnistes sont plutôt bien admises
Est ce que la compréhension des mécanismes unitaires permettrait de comprendre comme le cerveau fait jaillir l'esprit ?
Il faut s'intéresser aux différents niveaux, on ne peut pas toujours partir de la base biologique pour comprendre un processus
Développement des Neurosciences cognitives ► Notion de réseaux neuraux impliquant plusieurs structures cérébrales pour une même fonction
Exemple d’une illustration des réseaux neuraux impliqués dans la compréhension du langage (Vigneau et al. 2006)
► Recherches sur les interfaces « Neurones – Machine » Une culture de neurones fœtaux de rat est disposée dans une coupelle et reliée à une interface informatique par le biais de microélectrodes.
La culture de cellules « dialogue » alors avec un programme informatique et elle « apprend » à se déplacer dans un environnement virtuel en évitant des obstacles. Cf. par exemple les travaux de Steve Potter, Georgia Inst. of Technology (Atlanta)
► Recherches sur les interfaces « Neurones – Machine » Le robot Gordon (K. Warwick, Université de Reading, GB) : Une culture de 50000 à 100000 neurones de rat dirige un robot pour lui éviter des obstacles.
Les neurones mis en culture établissent des connexions après 24h puis commencent à s’envoyer des messages nerveux. Ces messages sont captés par des microélectrodes en vue de « diriger » le robot.
► Recherche sur les interfaces « Cerveau – Machine » Une plaquette de microélectrodes est implantée dans le cortex moteur d’un patient paraplégique et l’activité enregistrée est envoyée à un ordinateur qui va la traduire pour permettre au patient de contrôler un curseur, une prothèse ou bien de jouer à un jeu sur un écran.
Hochberg et al. 2006 ; Nature
« Profitons de ces expériences pour réexaminer le trop grand écart qui existe (en Europe) entre la raison et le corps sensible » (Alain Berthoz). « Notre intelligence, notre créativité, nos sens, nos émotions, nous les devons à de simples messages électrochimiques »
Partie 3 : Les principaux outils d’exploration du système nerveux et de son fonctionnement
Exploration anatomique et histologique du système nerveux
La neuroanatomie consiste à décrire la structure et l’organisation des différentes régions du système nerveux • Description visuelle • Techniques d’imagerie cérébrale
Les techniques d’imagerie cérébrale • Scanner à rayon X (Computerized Tomography)
Les techniques d’imagerie cérébrale • Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) Anatomique
L’histologie du système nerveux a pour objectif de décrire les tissus nerveux et leurs constituants • Techniques de coloration • Techniques de microscopie
Coloration des cellules nerveuses
Coloration de la myéline
Microscopie optique et fluorescence
Microscopie électronique
Exploration fonctionnelle du système nerveux Etudier le fonctionnement du système nerveux et de ses constituants
Des cellules du système nerveux, les neurones, produisent et conduisent des courants électriques que l’on peut mesurer. Pour fonctionner, les neurones ont besoin notamment de glucose et d’oxygène, apportés par le sang. On peut mesurer le débit sanguin dans le cerveau.
L’électrophysiologie permet de mesurer l’activité électrique au niveau d’une cellule nerveuse ou d’un tissu nerveux • Electroencéphalogramme (EEG)
• Rythmes d’éveil / veille • Mort cérébrale • Localisation de foyers épileptiques
• Les potentiels évoqués (PE)
N1
mV
N2
P3
Temps en ms. P1
Signal électrique « moyen »
Les signaux EEG obtenus à chaque présentation du stimulus sont « moyennés » afin d’isoler le potentiel électrique moyen évoqué par un stimulus (son, image, mot…)
L’imagerie cérébrale fonctionnelle permet d’observer les régions du cerveau en fonctionnement
• La Tomographie par Emission de Positrons (TEP)
• L’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf)
Hémoglobine oxygénée Hémoglobine désoxygénée
Au repos
« Activation »
Le « contraste » entre l’activité au repos et l’activité durant une tâche cognitive permet de déterminer les régions impliquées dans cette tâche.
• L’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf)
FIN
Et plein d’autres nouvelles techniques… • Neurosciences cognitives (la biologie de l'esprit) : Gazzaniga, Michael S ; Ivry, Richard B. ; Mangun, George Ronald, Editeur : De Boeck université (2001) – BU Sciences Mont-Saint-Aignan Salle Fresnel 612.8 GAZ & BU Lettres Salle de lecture 159.91 GAZ • Psychobiologie : Rosenzweig, Mark R. ; Leiman, Arnold L. ; Breedlove, S. Marc, Editeur : De Boeck université (1998) – BU Lettres Salle de lecture 159.9 ROS & BU Sciences Mont-Saint-Aignan Salle Fresnel 612.821 ROS • Neurosciences : Purves, D. ; Augustine G.J., 2e éd. française avec CD-Rom incorporé, Editeur : De Boeck (2003) – BU Sciences Mont-Saint-Aignan Salle Fresnel CD 612.8 NEU • Le Cerveau à tous les Niveaux : http://lecerveau.mcgill.ca/ • Histoire du cerveau : Parent, A. Presses universitaires de Laval. BU Sciences Mont-Saint-Aignan 612.82 PAR • Cerveau et comportement : Kolb, B. & Whishaw, I., Editeur : De Boeck (2002), 1ère Edition
