Depuis les importantes avancées technologiques en imagerie cérébrale des années 1990, les neurosciences ont contribué de façon significative au développement des sciences cognitives. En étudiant les mécanismes associés à la perception, à la mémoire, à l’attention, aux émotions et à l’apprentissage, les chercheurs peuvent aujourd’hui tester certaines hypothèses sur la façon dont nous apprenons d’une manière qui n’était pas possible auparavant.

Ces avancées ne signifient pas que les neurosciences peuvent remplacer la psychologie de l’éducation, la pédagogie ou l’expérience des enseignants. Elles peuvent plutôt compléter ces domaines en apportant un autre niveau de compréhension des mécanismes biologiques et des contraintes qui interviennent dans l’apprentissage.

C’est notamment l’une des idées explorées par Olivier Houdé, spécialiste du développement cognitif et de l’apprentissage, dans son ouvrage L’école du cerveau : De Montessori, Freinet et Piaget aux sciences cognitives. Selon lui, comme selon un nombre croissant de chercheurs qui travaillent à l’intersection de l’éducation et des sciences cognitives, les neurosciences peuvent contribuer à notre compréhension de l’apprentissage — à condition que leurs résultats soient interprétés avec prudence et que leur transposition dans les pratiques éducatives fasse l’objet d’une évaluation scientifique appropriée.

Les neurosciences 101

Les neurosciences sont l’étude scientifique du système nerveux, depuis les neurones et les réseaux neuronaux jusqu’aux comportements et à la cognition. Elles font appel à de nombreuses disciplines, dont la biologie, la chimie, la psychologie, les mathématiques, l’informatique et la médecine.

Le domaine comprend lui-même plusieurs branches et sous-disciplines. Parmi celles qui présentent un intérêt particulier pour l’éducation, on trouve notamment les neurosciences cognitives, affectives et sociales.

Les neurosciences cognitives combinent les neurosciences et les sciences cognitives, notamment la psychologie, afin de mieux comprendre les systèmes neuronaux associés aux comportements et à la cognition. Les chercheurs peuvent utiliser des tests neuropsychologiques, des tâches cognitives, la psychophysique et des techniques d’imagerie cérébrale pour étudier des fonctions comme la perception, la mémoire, l’attention et le langage.

Les neurosciences affectives s’intéressent aux processus neuronaux associés aux émotions, tandis que les neurosciences sociales étudient les mécanismes biologiques qui interviennent dans les processus et comportements sociaux.

Ensemble, ces disciplines peuvent contribuer à une compréhension plus complète des processus cognitifs, émotionnels et sociaux qui participent à l’apprentissage.

Observer le cerveau pendant l’apprentissage

À la fin du XXe siècle, le développement de techniques sophistiquées d’imagerie cérébrale — notamment l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle, ou IRMf — a offert aux chercheurs de nouvelles façons d’étudier le cerveau pendant que des personnes réalisent des tâches cognitives.

Contrairement aux méthodes qui reposent uniquement sur l’observation des comportements ou sur les descriptions que les participants font de leurs propres processus mentaux, la neuro-imagerie offre une fenêtre indirecte sur les changements d’activité cérébrale associés à la cognition.

Il est toutefois important de bien comprendre ce que ces technologies permettent — et ne permettent pas — d’observer. L’IRMf ne mesure pas directement les pensées, l’intelligence ni l’activité des neurones. Elle détecte plutôt des variations de l’oxygénation du sang qui sont associées à l’activité neuronale. Les chercheurs doivent donc interpréter les résultats d’imagerie cérébrale en les combinant avec des données comportementales et d’autres mesures expérimentales. De même, l’activation observée dans une région du cerveau ne prouve pas nécessairement qu’un processus mental précis est en cours. Les processus cognitifs reposent généralement sur des réseaux neuronaux complexes et interactifs plutôt que sur des régions cérébrales isolées. Malgré ces limites, la neuro-imagerie a grandement contribué à notre compréhension de l’apprentissage.

Les chercheurs ont notamment étudié les processus neuronaux impliqués dans l’acquisition de compétences scolaires comme la lecture et l’arithmétique (Dehaene, 2007, 2011), les mécanismes de la neuroplasticité, les interactions entre émotion et cognition, ainsi que le rôle de fonctions exécutives telles que l’attention et le contrôle inhibiteur.

Ils ont également identifié plusieurs processus cognitifs qui semblent particulièrement importants pour un apprentissage efficace. Stanislas Dehaene, par exemple, a regroupé quatre grands facteurs favorisant l’apprentissage : l’attention, l’engagement actif, le retour sur erreur et la consolidation.

Il ne faut toutefois pas considérer ces éléments comme des règles universelles permettant d’expliquer toutes les formes d’apprentissage. Ils constituent plutôt un cadre utile pour comprendre certains mécanismes cognitifs importants dans l’acquisition et la rétention des connaissances.

Un autre domaine de recherche concerne l’inhibition cognitive, c’est-à-dire la capacité à inhiber une réponse intuitive ou automatique lorsqu’elle est inappropriée.

Olivier Houdé et ses collègues ont proposé que le contrôle inhibiteur joue un rôle particulièrement important dans le raisonnement et le développement cognitif. Houdé a notamment suggéré d’élargir les modèles traditionnels à deux systèmes de pensée en mettant davantage l’accent sur un mécanisme supplémentaire de contrôle inhibiteur capable de neutraliser certaines réponses intuitives mais trompeuses. Il s’agit toutefois d’un cadre théorique qui continue de faire l’objet de recherches, et non d’un modèle universellement accepté du fonctionnement de la pensée humaine.

Ce qui est particulièrement intéressant pour l’éducation, selon Steve Masson, professeur à la Faculté des sciences de l’éducation de l’Université du Québec à Montréal (UQAM) et directeur du Laboratoire de recherche en neuroéducation, c’est que les chercheurs ne cherchent plus seulement à comprendre comment fonctionne le cerveau, mais également comment l’apprentissage peut influencer son développement.

Dans son article Les apports de la neuroéducation à l’enseignement : des neuromythes aux découvertes actuelles, Masson souligne aussi une autre contribution potentielle des neurosciences à l’éducation : une meilleure compréhension de certaines contraintes imposées par la structure et le fonctionnement du cerveau.

Cette compréhension pourrait aider les chercheurs à déterminer pourquoi certains apprentissages sont particulièrement difficiles et à identifier des pistes pédagogiques qu’il serait pertinent d’évaluer.

Neuroéducation et neuropédagogie

Les termes « neuroéducation » et « neuropédagogie » sont souvent utilisés pour désigner des recherches situées à l’intersection des neurosciences, des sciences cognitives et de l’éducation.

Olivier Houdé explique dans L’école du cerveau :

« Les frontières des sciences humaines et sociales se renouvellent aujourd’hui, notamment pour une éducation scolaire éclairée par les sciences cognitives et les neurosciences. Dans cette perspective, au début des années 2000, à la suite de la première démonstration par imagerie cérébrale de l’impact d’une intervention pédagogique sur le cerveau d’élèves au cours d’un raisonnement, j’ai introduit en France le thème de la neuropédagogie. Il est strictement synonyme de neuroéducation. »

Ces approches visent à examiner comment les connaissances sur les processus cognitifs et neuronaux pourraient contribuer à la recherche en éducation.

La transposition des résultats obtenus en laboratoire vers la salle de classe demeure toutefois complexe. Le fait de démontrer l’existence d’un mécanisme cognitif ou neuronal ne nous indique pas automatiquement comment enseigner. Les interventions pédagogiques doivent encore être évaluées directement dans de véritables contextes d’apprentissage.

Les nouvelles sciences cognitives

Les technologies d’imagerie cérébrale continuent d’évoluer rapidement. L’IRM Iseult, installée au centre d’imagerie cérébrale NeuroSpin en France, en constitue un exemple remarquable. Avec un champ magnétique de 11,7 teslas, Iseult compte parmi les systèmes d’IRM les plus puissants conçus pour la recherche sur le cerveau humain.

La puissance exceptionnelle de son champ magnétique permet de produire des images à très haute résolution et de révéler des détails anatomiques difficiles, voire peu pratiques, à obtenir avec les appareils d’IRM cliniques conventionnels.

Ces développements s’accompagnent de progrès majeurs en intelligence artificielle et en informatique, qui permettent d’analyser des ensembles de données neuroscientifiques de plus en plus volumineux et complexes. Comme le rappelle Olivier Houdé, ces avancées technologiques s’inscrivent toutefois dans une histoire beaucoup plus longue des sciences cognitives.

Dans le Vocabulaire de sciences cognitives, Houdé et ses collègues décrivaient les sciences cognitives comme une démarche interdisciplinaire réunissant notamment les neurosciences, la psychologie, l’intelligence artificielle, la linguistique et la philosophie.

Depuis le milieu du XXe siècle, les chercheurs de ces différents domaines tentent de mieux comprendre les relations entre l’esprit, le cerveau, le corps et le calcul à l’aide de l’expérimentation, de la modélisation et de technologies toujours plus sophistiquées. Les laboratoires modernes en sciences cognitives combinent donc de nombreux outils : expériences comportementales, mesures des temps de réponse, évaluations neuropsychologiques, modélisation informatique, EEG, MEG, TEP, IRMf, entre autres. L’imagerie cérébrale constitue ainsi un outil parmi d’autres dans une boîte à outils scientifique beaucoup plus vaste.

Bien utiliser les neurosciences en éducation

L’accès scientifique accru au fonctionnement du cerveau a suscité beaucoup d’enthousiasme — mais aussi son lot de malentendus. L’un des principaux risques est l’apparition de « neuromythes », soit des affirmations éducatives qui semblent fondées sur les neurosciences, mais qui reposent en réalité sur des interprétations erronées, des simplifications excessives ou des données insuffisantes.

Mary Helen Immordino-Yang et Matthias Faeth ont notamment mis en garde contre ce phénomène dans Emotions, Learning, and the Brain: Exploring the Educational Implications of Affective Neuroscience.

Les éducateurs, naturellement désireux d’améliorer l’apprentissage, ont parfois adopté des approches dites « fondées sur le cerveau » qui ne reposent pas sur des données suffisamment solides. Parmi les exemples souvent cités, on trouve le fait de classer rigidement les élèves comme étant des apprenants visuels, auditifs ou kinesthésiques et de supposer que l’enseignement doit être adapté à ces catégories, ou encore l’idée que le simple fait d’écouter Mozart entraînerait des améliorations durables du développement cognitif. Les recherches disponibles ne justifient pas l’utilisation de ces idées comme principes généraux d’enseignement. 

Olivier Houdé invite lui aussi à la prudence dans l’interprétation des résultats neuroscientifiques. L’activité cérébrale est complexe, les chercheurs peuvent diverger quant à son interprétation et les résultats obtenus dans des conditions de laboratoire contrôlées ne peuvent pas toujours être transposés directement en classe.

Les neurosciences ne doivent donc pas être considérées comme un mode d’emploi de l’enseignement. Elles peuvent plutôt fournir des hypothèses et des pistes de réflexion qui doivent ensuite être évaluées au moyen de recherches en éducation. Les enseignants ont d’ailleurs un rôle essentiel à jouer dans ce processus.

Leur expérience fournit des connaissances sur les environnements d’apprentissage, les comportements des élèves et les défis pédagogiques que la recherche en laboratoire ne peut, à elle seule, saisir pleinement.

Houdé plaide ainsi pour un dialogue plus étroit entre scientifiques et éducateurs. Les nouvelles connaissances scientifiques peuvent éclairer les pratiques pédagogiques, tandis que les observations faites en classe peuvent faire émerger de nouvelles questions de recherche.

Le rôle des émotions dans l’apprentissage

Un domaine dans lequel les neurosciences et la psychologie ont profondément influencé notre compréhension de l’apprentissage concerne les relations entre les émotions et la cognition. Historiquement, l’émotion et la pensée rationnelle ont souvent été considérées comme des processus relativement distincts. Les recherches contemporaines montrent plutôt qu’elles interagissent continuellement.

Les émotions peuvent influencer l’attention, la motivation, la mémoire, la prise de décision et les comportements sociaux — autant de processus qui jouent un rôle important dans l’apprentissage. Mary Helen Immordino-Yang et ses collègues ont largement contribué à ce champ de recherche, notamment en soulignant que l’apprentissage se déroule toujours dans des contextes sociaux et émotionnels.

Cela ne signifie pas pour autant que les émotions positives entraînent automatiquement un meilleur apprentissage, ni que les neurosciences nous fournissent une recette simple pour créer une classe émotionnellement « idéale ».

Ces recherches soulignent plutôt l’importance d’étudier ensemble la cognition, la motivation, les émotions et les interactions sociales lorsqu’on cherche à comprendre l’apprentissage.

Du laboratoire à la salle de classe

La relation la plus productive entre neurosciences et éducation est donc probablement une relation collaborative plutôt que prescriptive. La psychologie de l’éducation, la psychologie du développement, les sciences cognitives, les neurosciences et la recherche en classe abordent chacune l’apprentissage sous un angle différent. Aucune de ces disciplines ne fournit à elle seule une explication complète.

Les neurosciences peuvent aider les chercheurs à mieux comprendre certains mécanismes biologiques et certaines contraintes qui sous-tendent l’apprentissage. La psychologie cognitive peut étudier des processus comme la mémoire, l’attention et le raisonnement. La recherche en éducation peut, quant à elle, déterminer si certaines stratégies d’enseignement améliorent réellement les apprentissages dans des contextes scolaires réels.

Ensemble, ces approches peuvent offrir un portrait plus riche de la façon dont l’apprentissage se produit. Comme le souligne Olivier Houdé, les neurosciences ne devraient pas effacer les fondements historiques de la pédagogie. De nombreux penseurs importants de l’éducation — Montessori, Freinet, Piaget, Vygotski, Bruner ou Skinner, entre autres — ont élaboré des théories à partir de l’observation, de la psychologie et de l’expérimentation bien avant l’apparition des techniques modernes d’imagerie cérébrale.

Les neurosciences peuvent parfois renforcer certaines de leurs idées, parfois les nuancer et parfois les remettre en question. Elles doivent toutefois être considérées comme une source de données supplémentaire plutôt que comme un substitut aux sciences de l’éducation. 

La question la plus importante pour les éducateurs n’est donc peut-être pas simplement :

« Que nous dit le cerveau sur ce que nous devons faire? »

mais plutôt :

« Que peuvent nous apprendre, ensemble, les neurosciences, la psychologie et la recherche en éducation sur la façon dont les humains apprennent? »

Abordées avec ce degré de prudence scientifique, les neurosciences peuvent apporter une contribution précieuse à l’éducation — non pas en fournissant des réponses simples, mais en nous aidant à poser de meilleures questions sur l’apprentissage.

Sources
Houdé, Olivier. L’école du cerveau : De Montessori, Freinet et Piaget aux sciences cognitives. Collection Le Livre de Poche, 2021.
Immordino-Yang, Mary Helen; Singh, Vanessa. « The Role of Emotion and Skilled Intuition in Learning », dans Emotions, Learning, and the Brain: Exploring the Educational Implications of Affective Neuroscience. New York : W. W. Norton & Company, 2016.
Masson, Steve. « Les apports de la neuroéducation à l’enseignement : des neuromythes aux découvertes actuelles ».
Dehaene, Stanislas. Les neurones de la lecture, 2007.
Dehaene, Stanislas. Apprendre à lire, 2011.
Note : Certaines citations ont été librement traduites.