Comment le cerveau humain apprend-il?

Notre cerveau apprend des expériences: affronter notre environnement modifie notre comportement par la modification de notre système nerveux (Carlson, 2010).

Bien que nous soyons loin de connaître exactement et à tous les niveaux chacun des mécanismes neurochimiques et physiques impliqués dans ce processus, les différentes données expérimentales ont accumulé une connaissance assez approfondie des mécanismes impliqués dans le processus d'apprentissage encore.

Le cerveau change tout au long de notre vie. Les neurones qui le composent peuvent être modifiés en fonction de différentes causes: développement; l'état d'une lésion cérébrale; l'exposition à la stimulation de l'environnement et, fondamentalement, à l'apprentissage (BNA, 2003).

Caractéristiques de base de l'apprentissage du cerveau

L'apprentissage est un processus essentiel qui, avec la mémoire, est le principal moyen dont les êtres vivants ont besoin pour s'adapter aux changements récurrents de notre environnement.

Nous utilisons le terme d'apprentissage pour faire référence au fait que l'expérience produit des changements dans notre système nerveux (SN) qui peuvent être durables et impliquer des changements comportementaux (Morgado, 2005).

Les expériences elles-mêmes changent la façon dont notre corps perçoit, agit, pense ou plans, par la modification de la SN, modifiant les circuits impliqués dans ces processus (Carlson, 2010).

Ainsi, alors que notre corps interagit avec l'environnement, les connexions synaptiques dans notre cerveau subissent des changements, établir de nouvelles connexions, de renforcer celles qui sont utiles dans notre répertoire comportemental ou disparaître d'autres qui ne sont pas utiles ou efficaces (BNA, 2003).

Par conséquent, si l'apprentissage est lié aux changements qui surviennent dans notre système nerveux à la suite de nos expériences, lorsque ces changements sont consolidés, nous pouvons parler de souvenirs. (Carlson, 2010). La mémoire est un phénomène déduit de ces changements qui se produisent dans le SN et donne une impression de continuité dans nos vies (Morgado, 2005).

En raison des multiples formes de systèmes d'apprentissage et de mémoire, actuellement que le processus d'apprentissage et la formation de nouveaux souvenirs dépend de la plasticité synaptique, un phénomène par lequel les neurones modifient leur capacité à communiquer entre eux (BNA, 2003 ).

Types d'apprentissage du cerveau

Avant de décrire les mécanismes cérébraux impliqués dans le processus d'apprentissage, il sera nécessaire de caractériser les différentes formes d'apprentissage, dans lequel on peut distinguer au moins deux types d'apprentissage: l'apprentissage non associatif et l'apprentissage associatif.

Apprentissage non associatif

L'apprentissage non associatif se réfère à la modification de la réponse fonctionnelle qui se produit en réponse à la présentation d'un seul stimulus. L'apprentissage non associatif peut être de deux types: l'habituation ou la sensibilisation (Bear et al., 2008).

• Habituation: la présentation répétée d'un stimulus produit une diminution de l'intensité de la réponse à celle-ci (Bear et al., 2008).

Ex.:Si je vivais dans une maison avec un seul téléphone. Lorsqu'il sonne, il répond à l'appel, mais à chaque fois, l'appel s'adresse à une autre personne. Comme cela se produit à plusieurs reprises, vous allez cesser de réagir au téléphone et même arrêter de l'entendre(Bear et al., 2008).

• Sensibilisation: la présentation d'un stimulus nouveau ou intense produit une réponse avec une amplitude accrue à tous les stimuli suivants.

Ex.:Supposons que vous marchiez le long d'un trottoir dans une rue bien éclairée la nuit et que soudainement il y ait une panne d'électricité. Tout stimulus nouveau ou étrange qui apparaît, comme entendre des bruits de pas ou voir les phares d'une voiture approcher, va le modifier. Le stimulus sensoriel (black-out) a donné lieu à une sensibilisation qui intensifie sa réponse à tous les stimuli suivants(Bear et al., 2008).

Apprentissage associatif

Ce type d'apprentissage repose sur l'établissement d'associations entre différents stimuli ou événements. Dans l'apprentissage associatif, nous pouvons distinguer deux sous-types: le conditionnement classique et le conditionnement instrumental (Bear et al., 2008).

• Conditionnement classique: Dans un tel apprentissage de l'association entre un stimulus qui induit une réponse non conditionnée (réponse non conditionnée ou réponse inconditionnelle, RNC / RI), ou stimulus inconditionnel (ENC / EI) et un autre stimulus qui provoque normalement pas de réponse a lieu stimulus conditionné (EC) et nécessitera une formation. La présentation appariée du CE et de l'EI impliquera la présentation de la réponse apprise (réponse conditionnée, RC) au stimulus entraîné. Le conditionnement ne se produira que si les stimuli sont présentés simultanément ou si la CE précède l'ENC dans un intervalle de temps très court (Bear et al., 2008).

Ex.:Un stimulus ENC / EC, dans le cas des chiens, peut être un morceau de viande. Lors de la visualisation de la viande, les chiens émettront une réponse de salivation (RNC / RI).Cependant, si un chien est présenté comme un stimulus, le son d'une cloche ne présentera aucune réponse en particulier. Si nous présentons les deux stimuli simultanément ou d'abord le son de la cloche (EC) et ensuite la viande, après un entraînement répété. Le son pourra provoquer la réaction de salivation, sans que la viande soit présente. Il y a eu une association entre la nourriture et la viande. Le son (EC) est capable de provoquer une réponse conditionnée (RC), la salivation.

• Conditionnement instrumentalDans ce type d'apprentissage, vous apprenez à associer une réponse (acte moteur) à un stimulus significatif (une récompense). Pour que le conditionnement instrumental ait lieu, il est nécessaire que le stimulus ou la récompense survienne après la réponse de l'individu. En outre, la motivation sera également un facteur important. D'autre part, un conditionnement instrumental se produira également si, au lieu d'une récompense, l'individu obtient la disparition d'un stimulus de valence aversif (Bear et al., 2008).

Ex.: Si nous introduisons un rat affamé dans une boîte avec un levier qui lui fournira de la nourriture, lorsque nous explorerons la boîte, le rat appuiera sur le levier (act motor) et observera la nourriture (récompense). Après avoir effectué cette action plusieurs fois, le rat associera la pression du levier à l'obtention de nourriture. Par conséquent, vous appuyez sur le levier jusqu'à ce qu'il soit saturé(Bear et al., 2008).

Neurochimie de l'apprentissage du cerveau

Potentialisation et dépression

Comme nous l'avons mentionné plus tôt, on pense que l'apprentissage et la mémoire dépendent de processus de plasticité synaptique.

Ainsi, différentes études ont montré que les processus d'apprentissage (parmi lesquels ceux décrits ci-dessus) et la mémoire entraînent des modifications de la connectivité synaptique qui altèrent la force et la capacité de communication entre les neurones.

Ces changements de connectivité seraient le résultat de mécanismes moléculaires et cellulaires qui régulent cette activité en conséquence de l'excitation et de l'inhibition neuronale qui régule la plasticité structurale. Ainsi, l'une des principales caractéristiques des synapses excitatrices et inhibitrices est le niveau élevé de variabilité de leur morphologie et de leur stabilité résultant de leur activité et du passage du temps (Caroni et al., 2012).

Les scientifiques spécialisés dans ce domaine sont particulièrement intéressés par les changements à long terme de la force synaptique, conséquence des processus de potentialisation à long terme (PLP) et de la dépression à long terme (DLP).

• Autonomisation à long terme: une augmentation de la force synaptique se produit à la suite de la stimulation ou de l'activation répétée de la connexion synaptique. Par conséquent, une réponse cohérente apparaîtra en présence du stimulus, comme dans le cas d'une sensibilisation.
• Dépression à long terme (DLP): une augmentation de la force synaptique se produit en raison de l'absence d'activation répétée de la connexion synaptique. Par conséquent, l'ampleur de la réponse au stimulus sera inférieure ou même nulle. On pourrait dire qu'un processus d'accoutumance se produit.

Habituation et sensibilisation

Les premières études expérimentales visant à identifier les changements neuronaux qui sous-tendent l'apprentissage et la mémoire ont utilisé des formes d'apprentissage simples telles que l'habituation, la sensibilisation ou le conditionnement classique.

Dans ce panorama, le scientifique américain Eric Kandel a axé ses études sur le réflexe de rétraction des branchies de l'Aplysia Califórnica, en partant du principe que les structures neuronales sont analogues entre celles-ci et les systèmes supérieurs.

Ces études ont fourni des preuves préliminaires que la plasticité des connexions synaptiques entre les neurones qui participent au comportement modulaient la mémoire et l’apprentissage, révélant que l’apprentissage conduit à des changements structurels profonds qui accompagnent le stockage de la mémoire (Mayford et al. al., 2012).

Kandel, comme Ramón y Cajal, conclut que les connexions synaptiques ne sont pas immuables et que les changements structurels et / ou anatomiques sont à la base du stockage de la mémoire (Mayford et al., 2012).

Dans le contexte des mécanismes neurochimiques d'apprentissage, différents événements auront lieu à la fois pour l'habituation et pour la sensibilisation.

Habituation

Comme nous l'avons mentionné précédemment, l'habituation consiste à diminuer l'intensité de la réponse suite à la présentation répétée d'un stimulus. Lorsqu'un stimulus est perçu par le neurone sensible, un potentiel excitateur est généré qui permet une réponse efficace.

À mesure que le stimulus se répète, le potentiel excitateur diminue progressivement jusqu'à ce qu'il ne parvienne pas à dépasser le seuil de décharge minimum nécessaire pour générer un potentiel d'action postsynaptique, ce qui rend possible la contraction du muscle.

La raison pour laquelle ce potentiel excitateur diminue est due au fait que, lorsque le stimulus est répété en continu, une production croissante d’ions potassium est produite (K⁺), ce qui provoque la fermeture des canaux calciques (Ca²⁺), ce qui empêche l’entrée des ions calcium. Par conséquent, ce processus est produit par une diminution de la libération de glutamate (Mayford et al, 2012).

Sensibilisation

La sensibilisation est une habituation d'apprentissage plus complexe, dans lequel un stimulus intense produit une réaction exagérée à tous les stimuli suivants, y compris ceux qui ont déjà causé une réponse peu ou pas, il peut aussi être vu dans le réflexe de retrait de l'aplysie branchiale, produite par un excès de libération de glutamate en présence d'un nouveau stimulus (Mayford et al, 2012).

Bien qu’il s’agisse d’une forme d’apprentissage de base, elle comporte différentes étapes, à court et à long terme. Alors que la sensibilisation à court terme impliquerait des changements synaptiques rapides et dynamiques, une sensibilisation à long terme conduirait à des changements durables et stables résultant de profonds changements structurels.

À cet égard, en présence du stimulus sensibilisateur (intense ou nouveau) il y aura une libération de glutamate, lorsque le montant libéré par le terminal présynaptique est excessive, activer les récepteurs AMPA post-synaptiques.

Cela permettra à l'entrée de Na2 + dans le neurone post-synaptique permettant sa dépolarisation et la libération des récepteurs NMDA, qui jusqu'à présent ont été bloqués par des ions Mg2 +, les deux événements permettent un afflux massif de Ca2 + dans le neurone post-synaptique.

Si le stimulus de sensibilisateur est présenté car cela pourrait causer une augmentation persistante Ca2 + entrée, qui activent différentes kinases, conduisant à la mise en œuvre de l'expression précoce des facteurs génétiques et la synthèse des protéines. Tout cela conduira à des modifications structurelles à long terme.

Par conséquent, la différence fondamentale entre les deux processus réside dans la synthèse des protéines. Dans le premier, en soulevant une action à court terme il ne faut pas que cela se produise, alors que la sensibilisation à long terme est essentielle pour la synthèse des protéines se produit pour des changements durables et stables qui se produisent comme objectif la formation et le maintien de nouveaux apprentissages.

Consolidation de l'apprentissage dans le cerveau

L'apprentissage et la mémoire sont le résultat de changements structurels résultant de la plasticité synaptique.

Pour que ces changements structurels aient lieu, il est nécessaire de maintenir le processus de potentialisation à long terme ou de consolidation de la force synaptique.

Comme dans l'induction d'une sensibilisation à long terme, il est nécessaire à la fois la synthèse des protéines et l'expression de facteurs génétiques qui conduiront à des changements structurels. Pour que ces événements se produisent, une série de facteurs moléculaires doit avoir lieu:

• L'augmentation persistante entrée Ca2 + dans le terminal active kinases différentes, entraînant la mise en œuvre de l'expression précoce des facteurs génétiques et la synthèse des protéines qui se traduira par l'induction de nouveaux récepteurs AMPA à insérer dans le membrane et maintiendra le PLP.

Ces événements moléculaires entraîneront une altération de la taille et de la forme dendritique, pouvant entraîner une augmentation ou une diminution du nombre d'épines dendritiques de certaines zones.

Outre ces changements localisés, les recherches actuelles ont montré que des changements se produisent également à l’échelle mondiale, car le cerveau agit comme un système unifié. Par conséquent, ces changements structurels sont à la base de l'apprentissage. De plus, lorsque ces changements auront tendance à durer, nous parlerons de mémoire.

Références

1. (2008). Dans l'association B. N., & BNA, Neurosciences La science du cerveau Une introduction pour les jeunes étudiants. Liverpool
2. Bear, M., Connors, B. et Paradiso, M. (2008). Neuroscience: explorer le cerveau. Philadelphie: Lippincott Wiliams & Wilkings.
3. Caroni, P., Donato, F., et Muller, D. (2012). Plasticité structurelle lors de l'apprentissage: régulation et fonctions. Nature, 13, 478-490.
4. Principes fondamentaux de la physiologie du comportement. (2010). Dans N. Carlson. Madrid: Pearson.
5. Mayford, M., Siegelbaum, S.A., & Kandel, E.R. (s.f.). Synapses et stockage de mémoire.
6. Morgado, L. (2005). Psychobiologie de l'apprentissage et de la mémoire: fondements et avancées récentes. Rev Neurol, 40 ans(5), 258-297.