Synapses

Une fois captées par les organes sensoriels, les informations de l’environnement arrivent au cerveau où elles peuvent modeler les connexions dans le cortex cérébral. Il s’agit de la plasticité corticale, clé de voûte de tout apprentissage, présente dès la naissance et mobilisable tout au long de la vie.

Clémence Bernard (PhD, chercheur postdoctoral au Centre for Developmental Neurobiology, King’s College London, Royaume-Uni)

Le développement du cerveau continue après la naissance

Le cerveau humain est composé d’une centaine de milliards de neurones, qui communiquent via des millions de milliards de connexions. Si tous ces neurones, ou presque, sont présents à la naissance, le développement du cerveau est loin d’être terminé. En effet, la grande majorité des connexions entre les neurones, appelées synapses, se forme après la naissance.

Chaque neurone est constitué d’un corps cellulaire et de nombreux prolongements (un axone et plusieurs dendrites). L’axone forme un contact fonctionnel, la synapse, sur le corps cellulaire ou sur les prolongements d’autres neurones. Les synapses permettent donc un transfert rapide et efficace de l’information d’un neurone à l’autre et la bonne formation des synapses est essentielle pour le fonctionnement du cerveau. Jusqu’à la fin de l’adolescence, de nouvelles synapses sont créées : pour optimiser la communication entre les neurones, les synapses les plus utilisées sont consolidées, et les autres sont éliminées.

Les connexions du cortex cérébral sont sculptées par l’expérience…

Le cortex cérébral est la partie la plus périphérique du cerveau des mammifères. Il est découpé en plusieurs régions fonctionnelles appelées aires corticales : les aires sensorielles, les aires motrices et les aires d’association. La taille et l’importance fonctionnelle de ces régions varient selon les mammifères. Par exemple, le cortex préfrontal (siège des fonctions cognitives supérieures) représente pratiquement un quart du cortex humain alors qu’il est quasi absent et peu différencié chez les rongeurs.

Le cortex cérébral postnatal (de l’enfant et de l’adolescent) est particulièrement sensible aux informations du monde extérieur. Jusqu’à la fin de l’adolescence, ces informations vont sculpter les synapses corticales : selon les stimuli de l’environnement, certaines synapses seront renforcées et d’autres éliminées. Ce processus permet de (re)modeler les réseaux de connexions corticales pour adapter le fonctionnement du cerveau à son environnement et pour optimiser le transfert de l’information. Cette capacité du cortex cérébral à réorganiser ses connexions en réponse à des changements de l’environnement est appelée plasticité corticale. Cette plasticité corticale a été décrite pour la première fois il y a une cinquantaine d’années par David Hubel et Torsten Wiesel, lors de leurs travaux sur le développement du système visuel des chatons. Leur expérience consistait à fermer un des deux yeux de chatons à la naissance, à ré-ouvrir cet œil 6 mois plus tard chez le chat devenu adulte, à le stimuler et à observer la réponse de neurones du cortex visuel. L’œil ré-ouvert était intact, mais les circuits de neurones dans le cortex visuel se sont révélés irréversiblement modifiés. Priver le chaton d’une expérience visuelle normale pendant le développement postnatal a donc des conséquences durables sur la connectivité et la physiologie de son cortex visuel, et donc sur sa vision.

Après la naissance et l’ouverture des yeux, le cortex visuel doit répondre à ce nouveau flux d’information : les neurones de la rétine informent les neurones du cortex visuel sur les changements de stimuli du monde extérieur. La plasticité du cortex visuel provoque le renforcement ou l’élimination de synapses pour assurer un calibrage du cortex juvénile avec son environnement. En effet, les synapses mises en place et consolidées pendant le développement postnatal se maintiennent durablement à l’âge adulte. Depuis les travaux fondateurs d’Hubel et Wiesel, récompensés par le prix Nobel en 1981, ces expériences de privation sensorielle ont été répétées sur d’autres modèles animaux (rongeurs, primates) et pour d’autres aires fonctionnelles du cortex (somato-sensoriel par exemple), montrant que ce phénomène de plasticité était commun à de nombreuses régions du cortex cérébral.

… pendant des périodes spécifiques du développement, appelées périodes critiques

Cependant, les mêmes expériences de privation sensorielle effectuées à l’âge adulte ne modifient que très peu les connexions corticales : obturer un œil chez un chat ou un rongeur adulte n’entraine pas ou peu de réorganisation des connexions du cortex visuel. La capacité du cortex à réorganiser la structure de ses réseaux de synapses a lieu en effet pendant des périodes spécifiques du développement postnatal, appelées périodes critiques. Pendant ces périodes critiques, le cortex est particulièrement plastique en réponse aux informations du monde extérieur : un nouveau stimulus (par exemple une nouvelle mélodie) va créer et renforcer durablement certaines synapses (dans le cortex auditif).

Toutes les aires corticales ne sont pas plastiques en même temps. Le cortex cérébral n’ « apprend » pas tout au même âge et chaque région corticale a sa propre période critique. Des périodes critiques ont été identifiées pour les aires sensorielles (vision, audition) et motrices, mais aussi pour des fonctions cognitives comme le langage et les interactions sociales. Ces périodes de forte plasticité sont étalées dans le temps pendant le développement postnatal : certaines ont lieu pendant la petite enfance, d’autres à l’adolescence. Au cours du développement postnatal, les aires sensorielles et motrices sont plastiques plus tôt que les aires qui gèrent des fonctions cognitives supérieures. Cette plasticité du cortex cérébral lui permet donc d’intégrer une à une les informations du monde extérieur (sons, images, etc.) pour sculpter durablement les interactions entre les neurones qui le composent.

La plasticité : sculpter le cortex par et pour l’apprentissage

Ces périodes critiques de plasticité ont été observées chez de nombreuses espèces. La période critique pour l’apprentissage du chant chez les oiseaux passereaux est un exemple fameux. Chaque passereau possède un chant spécifique à son espèce, que l’oisillon apprend en écoutant son « tuteur » pendant une période critique de son développement, peu après l’éclosion. Une fois adulte, le jeune oiseau chante cette même mélodie, qui restera inchangée pour le reste de sa vie. Les oisillons élevés en isolation acoustique ne produisent qu’un chant pauvre et stéréotypé et une mélodie entendue avant ou après la période critique ne contribue pas au développement du chant de l’oisillon. Il est très intéressant de noter que les oisillons qui n’entendent qu’un enregistrement de cette même mélodie l’apprennent mal, ce qui suggère que l’interaction sociale est essentielle à l’apprentissage.

La parole humaine présente de nombreux parallèles avec le chant des oiseaux et des périodes critiques pour l’apprentissage de la parole ont aussi été identifiées pour l’espèce humaine. Les douze premiers mois de la vie d’un enfant présentent de nombreuses étapes spécifiques pour la perception et la production de sons et sont donc essentiels pour l’apprentissage de la parole. Comme pour les passereaux, l’apprentissage de la parole chez les enfants requiert une expérience auditive : les rares exemples d’ « enfants sauvages » montrent que ces enfants qui grandissent sans interaction sociale et sans entendre la parole d’autrui n’apprennent ensuite à parler qu’avec une grande difficulté. Un célèbre cas d’enfant sauvage est celui de Victor de l’Aveyron, qui inspira le cinéaste François Truffaut (L’enfant sauvage, 1970). Trouvé dans les bois à l’âge d’environ 12 ans et pris en charge par un médecin, Jean Itard (1774-1838), qui tenta de lui apprendre à parler, Victor n’a jamais pu articuler que quelques sons.

Dans l’Éthique à Nicomaque, Aristote (384-322 avant J.-C.) remarquait déjà : « La façon dont on est élevé dès l’enfance n’a pas, dans ces conditions, une mince importance. Que dis-je ? Cette importance est extrême, elle est tout à fait essentielle. »

Un autre exemple moins extrême est l’apprentissage d’une nouvelle langue. L’aptitude à apprendre une seconde langue diminue graduellement au cours du développement postnatal. Des enfants qui ont appris une nouvelle langue entre l’âge de 3 et 7 ans parlent cette langue comme des locuteurs natifs. Après l’âge de 6-8 ans, leurs performances diminuent. Une nouvelle langue apprise après la puberté sera toujours parlée avec un accent, des intonations et des accentuations étrangers à cette langue.

Les changements anatomiques et structuraux provoqués sur le cortex humain par l’apprentissage sont observés principalement par imagerie à résonance magnétique fonctionnelle. Ces études ont montré par exemple un remodelage des aires sensorielles du cortex chez des enfants malvoyants ayant appris à lire le braille (écriture tactile à l’usage des aveugles et malvoyants inventée par Louis Braille (1809-1852)) : les aires somato-sensorielles (du toucher) envahissent les aires habituellement dédiées à la vision. Comme l’apprentissage d’une nouvelle langue, l’ampleur de ces modifications structurales diminue fortement à l’âge adulte. Mais si la forte plasticité du cortex juvénile diminue avec l’âge, elle ne disparait pas pour autant. Une certaine forme de plasticité persiste et permet l’apprentissage à l’âge adulte. Nous pouvons donc heureusement apprendre des choses nouvelles toute notre vie ! Au lieu de créer ou éliminer des synapses, c’est surtout l’efficacité des réseaux de synapses existants qui est modifiée au cours de l’apprentissage adulte. L’exercice et la répétition d’une tâche permettent le renforcement des connexions pour un meilleur apprentissage, tout au long de la vie.

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Références

Ressources conseillées

Conférence de Stanislas Dehaene – Semaine du cerveau 2019
Apprendre : comment la plasticité cérébrale de l’enfant diffère de celle de l’adulte

Nicolas Giret, Institut des neurosciences Paris-Saclay (2017) Le Journal du CNRS
Étudier les oiseaux chanteurs pour comprendre l’apprentissage

Apprendre : comment la plasticité cérébrale de l’enfant diffère de celle de l’adulte

Sources de l’auteur

Hensch, T. K. (2016). The power of the infant brain. Scientific American, 314(2), 64-69.

Doupe, A. J., & Kuhl, P. K. (1999). Birdsong and human speech: common themes and mechanisms. Annual review of neuroscience, 22(1), 567-631.

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