Utilisation pédagogique des données de neuroimagerie (IRM) Exemple de la vision

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1 Utilisation pédagogique des données de neuroimagerie (IRM) Exemple de la vision Formation Continue, enseignants SVT Académie de Montpellier, avril 2012 L encéphale d après Vésale De humani corporis fabrica (1534) G. Molinatti, LIRDEF, MCF médiation des sciences et sociétés Université Montpellier 2

2 Développement des neurosciences : paradigmes dominants Déterminisme génétique et épigenèse : le modèle du «calendrier cérébral» - Homéogènes et neuro-organogenèse - Plasticité développementale et réactionnelle Activation de la main droite main gauche Réorganisation du cortex cérébral après amputation et greffe des deux mains A. Sirigu, Institut des sciences cognitives (Bron) avant la greffe 6 mois après recouvrement Logiciel NeuroAnatomist, banque NeuroPedda, INRP D après Wicker, Keysers, Gallese et Rizzolatti. Neuron 2003 Rizzolatti, G., Fadiga, L., Gallese, V., & Fogassi, L., Premotor cortex and the recognition of motor actions. Cognitive Brain Research, 3, = L avènement de la neuropsychologie: réduction des états mentaux à des états cérébraux

3 Les neurosciences: des sciences en société Drogues, Pathologies cérébrales - AVC, tumeurs, lésions, - pathologies neurodégénératives (FRC, Semaine du cerveau, Neurodon ).) Neurosciences et idéologies «Le cerveau humain a un tel besoin d unité et de cohérence que toute théorie de quelque importance risque d être utilisée de manière abusive et de déraper vers le mythe», «Plus un domaine scientifique touche aux affaires humaines plus [ ] les données qu apporte la science vont être manipulées et utilisées à des fins idéologiques et politiques». (Jacob F., 1981, p 108 et p 44) Innéisme / préformation / essentialisme génétique versus épigenèse / environnementalisme

4 Des débats actualisés Shaywitz B., Shaywitz S., Pugh K., Constable T.$, Skudlarski P., Fullbright R., Bronen R., Fletcher J., Shankweiler D., Katz L. et Gore J., 1995, Nature, 373 «Sex differences in the functional organization of the brain for language»,, p. PET and MRI show differences in cerebral asymmetry and functional connectivity between homo- and heterosexual subjects. Proceedings of the National Academy of Sciences, Lecture et neuroimagerie Un consensus de la communauté scientifique sur la question de l apprentissage de la lecture Stanislas Dehaene, membre de l Institut, professeur au Collège de France, directeur de l unité INSERM-CEA de Neuro-imagerie cognitive, au SHFJ, écrit notamment : La région cérébrale [spécialisée pour la lecture] paraît ne pas fonctionner par reconnaissance globale du mot. Au contraire, elle décompose les mots écrits en éléments simples les lettres, les graphèmes) avant de pouvoir les identifier.

5 Des données de neuroimagerie pour l enseignement secondaire Un enjeu de formation : développement des connaissances en neurosciences, implications sociales Techniques non invasives Possibilités de suivis longitudinaux Un défaut d instrumentation dans l enseignement des neurosciences Échelle d observation Envisagés dans les programmes officiels Première S : BOEN spécial N 9 du 30 septembre 2010, Thème 3 - Corps humain et santé / A Feminin, Masculin, Sexualité et bases biologiques du plaisir / C De l oeil au cerveau : quelques aspects de la vision, Cerveau et vision : aires cérébrales et plasticité Première ES / L : BOEN spécial N 9 du 30 septembre 2010, Thème La représentation visuelle Des photorécepteurs au cortex visuel, Aires visuelles et perception visuelle, Aires cérébrales et plasticité / Thème Féminin, Masculin, Vivre sa sexualité, système de récompense et sexualité Terminale S BOEN spécial n 8 du 13 octobre 2011 Thème 3 - Corps humain et santé Thème 3- B-2 De la volonté au mouvement Thème 3-B-3 Motricité et plasticité cérébrale Des images - significations aux images documents A présenter comme des modèles ou des résultats d expérience avec explicitation des codes et légendes (recontextualisation)

6 Objectifs méthodologiques Apprendre à se repérer dans les différents plans de coupe Appréhender des protocoles expérimentaux simples pour répondre à un problème scientifique (Images de soustraction ) Construire une image cérébrale fonctionnelle En sélectionnant, dans une banque de données, des images : Anatomiques et fonctionnelles Pour un ou plusieurs sujets Correspondant à des paradigmes expérimentaux différents Envisager un traitement statistique extrêmement simple de ces images Faire varier le seuillage, le codage en fausses couleurs Envisager les contraintes d étude intra et interindividuelles

7 Etapes de construction d une IRM fonctionnelle Anatomie non normalisée Anatomie normalisée Image fonctionnelle Données d acquisition Moyenne séquence Test T

8 Superposition d une IRM fonctionnelle sur une IRM anatomique

9 Sélection des zones significativement différentes Réglage de la «significativité statistique de l image» en affichant que les voxels dont les différences entre les deux enregistrements sont significatives. On utilise ce curseur pour régler les seuil minimal et maximal de «signification» (correspondant au résultats du test T) Ex : Stimulation de la langue

10 Objectifs de connaissance Identifier les principales structures anatomiques cérébrales Identifier l importante variabilité interindividuelle à la fois sur le plan anatomique et fonctionnelle Approcher la spécialisation fonctionnelle de certaines aires du cortex cérébral (somesthésie, vision ) ainsi que l activation coordonnée de différentes aires cérébrales Approcher l organisation anatomo-fonctionnelle des aires sensorielles et motrices primaires (somatotopie, rétinotopie) Approcher les propriétés de plasticité anatomique et fonctionnelle (la neuroplasticité développementale et réactionnelle, ex : récupération post opératoire du langage)

11 Organisation et indexation de la banque de données Problèmes éthiques posés par la constitution d une banque de données de neuroimagerie Recours dans la majorité des cas à des données publiées Anonymat, données recueillis sur des sujets sains avec consentement éclairé

12 Organisation des voies visuelles sujet 1212 anatomie IRM / anat / generalites / IRMsujet1212anat.ima Couplé à des données de pathologies, de lésions

13 Vision des mouvements IRM / fonc / sensorimoteur / Vision / visionmouvements/ IRMsujet131321anat.img et fontionvisionmouvements superposée

14 Vision des couleurs IRM / fonc / sensorimoteur / Vision / visioncouleurs/ IRMsujet131331anat.img et fontionvisioncouleurs superposée

15 Retinotopie IRM / fonc / sensorimoteur / Vision / retinotopie/ IRMsujet131311anat.img et fontionvisionretinotopie superposée

16 Diversité et évolution des conceptions sur le cerveau Quelques constantes des conceptions sur le cerveau - persistance des conceptions dualistes concernant les rapports entre le cerveau et l âme Descartes René, ( ). Discours de la méthode «Novum Organon», Paris, Hachette. - déterminismes du développement et du fonctionnement cérébral Modèle linéaire causal et «informatif» (et modèles additifs) et non Modèle complexe «interactif» (D après Clément & Forissier, 2000) Génotype Génotype Environnement images Phénotype Phénotype - le concept de plasticité cérébrale n est peu ou pas évoqué

17 Diversité et évolution des conceptions sur le cerveau Les conceptions des jeunes enfants Modèles du cerveau entéroïde et du cerveau - ordinateur (Mein et Clément, 1990, Savy, 2003) Les conceptions des adolescents et leur évolution - Les limites de la culture scolaire malgré un vernis lexical - Le modèle du cerveau muscle (x% utilisés) - Les pathologies cérébrales : un exemple de savoirs médiatisés superficiels - L évolution des conceptions relatives à la plasticité cérébrale «plus on apprend, plus ça se connecte», «notre cerveau évolue au cours de notre vie, il y a des nouvelles connexions, les neurones se renouvellent», (adolescentes, lycée d altitude, Briançon, Première S), il faut «faire des connexions, des synapses» (adolescent, lycée Saint Charles, Marseille, Première S).