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Nombre, Cerveau & Apprentissage Philippe Pinel Unité INSERM 562 de neuro-imagerie cognitive, Service Hospitalier Frederic Joliot / CEA,

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1 Nombre, Cerveau & Apprentissage Philippe Pinel Unité INSERM 562 de neuro-imagerie cognitive, Service Hospitalier Frederic Joliot / CEA, Orsay (Directeur; Stanislas Dehaene)

2 Premiers liens entre arithmétique mentale et cerveau

3 Lésions chez 5 patients acalculiques Gerstmann 1924 Acalculie Agraphie Indistinction D/G Agnosie digitale Historique… 1919 Henschen : un centre du calcul (acalculie) 1925 Goldstein : acalculies central (abstraction) / instrumentale 1926 Berger : acalculies primaires (trouble du calcul) et acalculies secondaires (trouble calcul & langage, memoire…) 1961 Hécaen : acalculies droite / gauche, visuospatiale / langage 1/13 Sillon intrapariétal Lobe temporal Lobe occipital Lobe pariétal Lobe frontal

4 Patient MAR Patiente BOO Dehaene et Cohen, Double dissociation between rote verbal and Quantitative knowledge of arithmetic. Cortex /13 Gradient du déficit

5 1. système de lecture Distinguer plusieurs réseaux 3. Faits arithmétiques Récupération en mémoire décomposition opérandes font font font font font font 15 2 x 2 font 4 2 x 3 font 6 2 x 4 font 8 2 x 5 font 10 2 x 6 font 12 2 x 7 font 14 Multiplication Addition simples 3/13 Mots "vingt-sept" Chiffres arabes "27" Quantités 2. Sens du nombre Hypothèse : Représentation logarithmique compressée et approximative de la sémantique numérique 5 6 > < ? risque derreur 5 9 > < ? risque derreur < Représentation cérébrale des quantités a- question arithmétique b- transcodage symbole c- comparaison des distributions Représentation cérébrale des quantités quantité 57 < < appréhension de la numérosité : comparaison, estimation, approximation… manipulation des quantités : additions complexes, soustractions…

6 Apport de limagerie cérébrale Scanner fMRI (imagerie par résonance magnétique fonctionnelle)

7 Meta analyse de 8 études de tâches arithmétiques Hypothèse : 3 système pariétaux impliqués dans les tâches numérique Dehaene, Piazza, Pinel, & Cohen (2003) 4/13 Comparaison de 2 nombres (pt nb) Soustraction exacte > Comparaison Soustraction exacte > Multiplication Addition approchée Estimation de numérosité Effet de distance numérique (pt nb) Perception subliminale de nombre Addition complexe > Addition élémentaires Effet de distance numérique (gd nb) Multiplication > Comparaison Multiplication > Soustraction Calcul exact > approché Soustraction Détection de phonèmes Addition élémentaires > Addition complexe z = 44 x = 39x = - 48 Left hemisphere Right hemisphere 50 % 22 % z = 49 Axial slice

8 Caractériser le support des représentations numériques ?

9 Caractériser le format de ces différentes manipulations numériques Spelke et al., Cognition (2000) 5/13 Bilingue Anglais – Russe : A) apprentissage de faits arithmétiques exacts ou approchés dans une langue ( 54+47=±100 ou ±70 ? / 54+47=102 ou 112 ? ) B) test sur des problèmes a-appris ou nouveaux b-exprimés dans la langue dapprentissage ou dans lautre Balance physiologique entre calcul exact et approximation Dehaene, S., Spelke, E., Stanescu, R., Pinel, P., & Tsivkin, S. Science = 11 ? = 15 ? = 14 ? = 15 ? = 8 ? = 4 ? = 5 ? = 6 ? Petit calculGrand calcul Exact Approché Calcul exact Calcul approché Format langage Format abstrait

10 Passage dun type de calcul à lautre par lapprentissage Delazer et al., (2003) Cognitive Brain Research Activation cérébral pour un calcul complexe Activation cérébral pour un calcul non appris vs. un calcul appris Activation cérébral pour un calcul appris vs. un calcul non appris 6/ x

11 Firing rate … échelle logarithmique Firing rate 1 er présentation de 3 2 ème présentation de 3 3 ème présentation de 3 Évolution de la décharge neuronale Ratio / cible Caractériser les fonction numérique du sillon intrapariétal 1. Sensibilité à la numérosité % dactivation à une cible numérique après une période dhabituation % dactivation Ration / cible Régions répondant à un changement de numérosité 7/13 % activation cérébrale Distance numérique entre les nombres à comparer 0 0,2 0,4 0,6 0, Temps de réponse 2. Cohérence avec la comparaison de 2 nombres 57 <

12 Trouble numérique : apprentissage en échec Developmental dyscalculia affects around 6% of the population, and can have grave academic and professional consequences. Landerl, Bevan & Butterworth (2004): Dyscalculic children are slower at numerical comparison than controls (as well as other numerical tasks). Butterworth Journal of Child Psychology and Psychiatry 46:1 (2005), pp 3–18 8/13

13 1. Activation cérébrale atypique durant une tâche arithmetique (syndrome X-fragile) Rivera, Menon, White, Glover & Reiss, Stanford School of Medicine Mutation dun gene FMR-1 du chromosome X qui produit la protéine FMRP (prévalence: 1/2000 à 1/4000 naissances) Tâche arithmétique (soustraction) et contrôle : est-ce que… = 5 ? 0 est il présent dans… ? est-ce que… = 6 ? 0 est il présent dans… ? Score sujet sainsFragile X soust.simple99%92% soust.cx94%70% => déficit de recrutement du réseau pariétal, modulé par la concentration en FMRP 2. Deficit de matiere grise chez des enfant prématurés avec trouble du calcul Isaacs et al. (2001). Calculation difficulties in children of very low birthweight: A neural correlate. Brain 9/13 Enfants prématurés (< 30 semaines de gestation) Difficultés en arithmétiques (< score WISC-III prédit par le QI) étude structurelle : => déficit de matière grise très localisée

14 z=52 Le système pariétal est modulé par… a- le type de tâche approché / exact b- la taille des problèmes (peu recruté pour les petites additions exactes et plus pour les grandes) Performance des patient dyscalculiques dans ces tâches 3. Activation cérébrale atypique durant une tâche arithmetique (syndrome de Turner) Molko et al Calcul exact Calcul approché Recrutement intraparietal des patient dyscalculiques 10/13 absence partielle ou complète dun chromosome X (prévalence: 1/2500 naissances) difficulté en estimation de dimension, quantification de pt group de point (<4), addition et soustraction.

15 Anomalie structurale : anomalie dans la densité de matière grise du sillon pariétal droit Analyse par VBM réduction de la matière grise dans le sillon pariétal droit, correspondant au problème de recrutement fonctionnel de cette région Anomalie morphologique : anormalité dans la forme du sillon pariétal droit Anomalie fonctionelle : absence de recrutement des régions intraparietales lorsquun calcul nécessite un accès au sens des nombres. Extraction automatique des sillons (Riviere et al. 2002) et mesures de la longueur et de la profondeur des sillons pariétaux, centraux et temporaux Analyse par fMRI 11/13

16 Des voies de ré-éducation ?

17 12/13 M. Plaza (Hôpital Pitié-salpêtrière), S. Dehaene (INSERM U562) D. Cohen (psycho. de l'enfant et adolescent, Pitié-salpêtrière) L. Cohen (Neurologue, Hôpital Pitié-salpêtrière), A. Wilson (INSERM U562) N. Déchambre (Orthophoniste, Hôpital Pitié-salpêtrière) Enfants avec difficultés de calculs (7-9 ans ; CE1-CE2) score 80 Jeu adaptatif, visant à améliorer le fonctionnement des processus cognitifs de base, et leur articulation par entraînement intensif dans un contexte ludique (cf. résultat en dyslexie). Adaptation de la difficulté dans un espace 3D : -notation & complexité: points, points et chiffres, chiffre, calculs intermédiaires… -distance entre les numérosité à comparer -vitesse de réponse requise => Exploration par le logiciel de lapprentissage en conservant un taux de succès de 75% Problèmes posés dans lEspace dapprentissage échec succès Vitesse requise distance Complexité symbolique

18 13/13 Résultats préliminaires (2005, 9 enfants). Amélioration des performances dans les tâches impliquant laccès au sens du nombre: le comptage, la soustraction, la comparaison de grandeurs, et le "subitizing" (reconnaissance des petits quantités). Les tâches reposant sur lautre système (addition, comptage) progresse peu. Succès à une tâche de soustraction / tâche daddition Score à une tâche de comptage TR pour des symboles Comparaison de quantités numérique TR pour des nuages de points 0% 20% 80% 100% Small addition Large addition Vitesse Complexité symbolique 100 essais distance 200 essais 300 essais Vitesse Complexité symbolique distance Vitesse Complexité symbolique distance

19 Conclusion Arithmétique mentale décomposable en plusieurs sous-réseaux Ces réseaux représente le nombre sous des formats différents : g. angulaire (verbal) versus s. pariétal (abstrait, espace orienté, représentation digitale, etc…) Système dynamique : modulation et articulation de ces réseaux => contrainte à lapprentissage de larithmétique et/ou son développement -contrainte de format des représentation (ex: bilinguisme) -forte contrainte biologique et génétique

20

21 2- Racines de cette représentation pariétale des quantités numériques

22 Subtraction task Ocular saccade Grasping task Number habituation Grasping Numerical tasks Size distance effect Saccades Z = 53 mmZ = 49 mm Shape habituation target detection 2-attentional bias 1-irrelevant number Biais attentionnel. x x x Nombre et représentation digitale. 10/16 Right – Left hand Reaction time Biais spatial.

23 Réseau du calcul mental…? Tâche A – Tâche B Tâche A : Réseau du calcul mental-repos Tâche B : Réseau de la lecture Choix dun seuil statistique Carte Statistique (3D) associée à lactivation pour chaque tâche et chaque voxel : « Probabilité dêtre plus actif dans la tâche A que dans la tâche B » P seuil a b c Principe pour établir des cartes dactivation statistiques 5/16

24 Variabilité des réseaux individuels : exemple du calcul

25

26 nombre codé Dehaene, S., & Changeux, J. P. (1993). Journal of Cognitive Neuroscience. Codage neuronal (tuning curve)


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