Introduction à la cognition et aux sciences cognitives

La Cognition et les Sciences Cognitives : Approche Objective et Scientifique

Objectifs de l'Étude de la Cognition

• Définir la cognition et les fonctions cognitives.
• Comprendre son rapport au cerveau.
• Appréhender l'histoire des idées en sciences cognitives.
• Explorer comment son exploration peut être objective et scientifique.

Notions Clés

• Esprit : Concerne la pensée, la conscience et la subjectivité.
• Pensée : L'activité mentale supérieure qui permet de manipuler des informations.
• Intelligence : La capacité à apprendre, à comprendre, à s'adapter à des situations nouvelles et à résoudre des problèmes.
• Mémoire : La faculté de stocker et de récupérer des informations.
• Décision : Le processus de choix entre plusieurs options.
• Cerveau : L'organe biologique support de la cognition.
• Corps : L'entité physique interagissant avec l'environnement et influençant la cognition.

Les Connaissances à l'Origine des Fonctions Cognitives

Du Processus de Conscience

• De soi et de son existence (passé, présent, futur par projection).
• Des autres et de leur existence.
• De l'environnement.
• D'un monde unifié, reconstruit à partir d'entrées sensorielles fragmentées et partielles.

De la Personnalité

Ensemble des Processus Mentaux et Fonctions Cognitives

1. Sensation et Perception

Ce processus consiste à récupérer les informations de l'environnement pour les rendre accessibles au cerveau et à la pensée. Il repose sur le bon fonctionnement des appareils sensoriels et des zones cérébrales dédiées. Ces zones transforment les sensations brutes en une représentation globale et cohérente de l'environnement et de la place de l'individu en son sein.

• Appareils sensoriels : Visuel, auditif, olfactif, gustatif, somato-sensoriel (toucher, température, proprioception).
• Exemple : Voir une image (sensation visuelle) et l'interpréter consciemment comme un paysage familier (perception).

2. Attention

L'attention est un mécanisme de tri qui permet de gérer l'immense flux d'informations sensorielles. Elle filtre les informations inutiles (le bruit) et amplifie les informations pertinentes, évitant ainsi la surcharge cognitive et permettant aux autres fonctions cognitives de travailler efficacement.

• Filtration : Ignorer le bruit ambiant lors d'une conversation.
• Amplification : Se concentrer sur la voix d'un interlocuteur dans un environnement bruyant.

3. Mémoire

La mémoire est la capacité à retenir une information. Elle repose sur des mécanismes biologiques complexes impliquant :

• Le renforcement et la stabilisation synaptique.
• La modification cellulaire.
• Des réseaux de neurones et l'activité de zones cérébrales spécifiques.

Les structures clés de la mémoire incluent :

• L'hippocampe : Essentiel pour la formation de nouveaux souvenirs.
• Le cortex temporal.
• La commissure du fornix.
• Les noyaux gris centraux.
• Le néocortex frontal et cingulaire.

La mémoire est également modulée par l'âge et l'attention, et elle interagit fortement avec les émotions (cf. Thucydide).

4. Programmation Motrice

Cette fonction anticipe et guide l'action dans un futur immédiat. Elle nécessite des capacités d'anticipation, dépendantes de la mémoire et de la représentation, ainsi que de la conscience du temps. Elle permet la projection de soi pour orienter une action.

• Implique : Le cortex préfrontal (planification) et le cortex moteur (exécution).
• Exemple : Tendre la main pour attraper un objet. La programmation motrice anticipe la trajectoire de la main, la force nécessaire et la position de l'objet.

5. Langage

Le langage est une activité motrice de communication, une spécificité humaine acquise tardivement dans l'évolution (homo sapiens = homme métacognitif, qui sait qu'il sait). Son émergence est liée au besoin de communiquer et à l'aptitude à vocaliser et articuler des sons de manière sophistiquée.

• Implique : Les performances de l'appareil phonatoire et des zones cérébrales spécialisées dans la production et la compréhension des sons signifiants (mots, phrases, discours).
• Exemple : La zone de Broca est associée à la production du langage, tandis que la zone de Wernicke est liée à la compréhension.

6. Raisonnement

Le raisonnement consiste à articuler des représentations entre elles pour résoudre des problèmes et créer de nouvelles représentations. Il est le fondement de la pensée logique.

• But : Résoudre des énigmes, élaborer des stratégies.
• Exemple : Déduire une cause à partir d'un effet observé.

7. Résolution de Problèmes

Cette fonction gère des problèmes non directement résolubles, faisant appel à l'intelligence pour prendre des décisions. Le but est d'adapter le raisonnement et le comportement aux caractéristiques et modifications complexes de l'environnement.

• Exemple : Trouver le chemin le plus rapide pour aller à un endroit inconnu en tenant compte du trafic.

8. Conscience

La conscience permet une présence au monde et du monde à l'esprit. Elle implique la représentation des autres et de soi-même par rapport aux autres. La métacognition est l'aptitude à examiner ses propres activités cognitives.

• Exemple : Réfléchir à ses propres pensées ou émotions.

Modélisation des Fonctions de Base

Exemple de Modélisation du Système Cognitif Humain

1. Les appareils sensoriels : Cherchent l'information, la reproduisent et la modifient en représentations perceptives.
2. Les phénomènes d'attention : Filtrent et amplifient cette information.
3. Les phénomènes de décision : Interviennent pour choisir une réponse.
4. Les phénomènes de programmation motrice : Guidés par la décision, entraînent une action de l'appareil moteur.

Interdisciplinarité depuis l'Âge Classique aux Modèles Actuels

Chez les Grecs : La Mémoire selon Platon et Aristote

• Faculté d'impression : Capacité à saisir et retenir l'information.
• Durée : Temps de conservation des souvenirs.
• Justesse : Exactitude de l'évocation par rapport à la réalité.
• Disponibilité : Facilité et vitesse d'évocation.
• Amplitude : Quantité et performance des souvenirs retenus.

La Mémoire selon Thucydide

La Mémoire selon Plutarque

• La mémorisation : Un processus actif qui peut être entravé par l'âge avancé.
• L'oubli : Conçu non pas comme une simple usure, mais comme un processus actif et nécessaire.

Au Moyen Âge et à la Renaissance : La Pensée et les Méthodes

• D'apprentissage : Ex. les mnémotechniques, tables de multiplication, déclinaisons.
• D'éducation : À l'école et à l'université pour le savoir académique, artistique et manuel.
• De rééducation : Pour ceux qui perdent l'usage ou la performance de certaines fonctions cognitives (neurologie, psychiatrie).

La Révolution Interdisciplinaire des Sciences Cognitives

L'Approche Interdisciplinaire

Les Modèles "Boxologiques"

Exemple : La Mémoire à Long Terme (Tulving, 1995)

Rapport au Cerveau et Neuropsychologie

La Phrénologie (Franz Joseph Gall, ~1800)

La Cytoarchitectonie (Brodmann, 1910)

Des travaux cliniques célèbres, comme ceux de Paul Broca (1860) sur l'aphasie de production et de Karl Wernicke (1900) sur l'aphasie de compréhension, ont établi des liens directs entre des lésions cérébrales spécifiques et des troubles du langage. Ces concepts ont été affinés par Ludwig Lichtheim (1920) et Alexandre Louria (1940), contribuant à une cartographie fonctionnelle du cerveau.

L'Étude de l'Électricité Cérébrale

Les neurones sont des cellules électriques dont les membranes semi-perméables permettent le passage d'ions, créant une différence de potentiel. Un potentiel d'action est une inversion brutale de polarité de la membrane suite à une excitation, diffusée le long de l'axone. La mesure de cette activité électrique permet de sonder le fonctionnement cérébral.

• Potentiel de repos : Différence de potentiel stable à travers la membrane neuronale.
• Potentiel d'action : Dépolarisation et repolarisation rapide de la membrane, permettant la transmission de l'information.

Plasticité Cérébrale

L'Homunculus de Penfield (Penfield, Rasmussen et Jasper, 1950-1954)

• L'homunculus moteur (à gauche de la scissure de Rolando) contrôle la motricité.
• L'homunculus sensoriel (à droite de la scissure de Rolando, côté pariétal) reçoit les sensations.

Le Principe de Hebb (Stabilisation des Réseaux)

Le principe de Hebb, souvent résumé par "les neurones qui s'activent ensemble se connectent" ("neurons that fire together wire together"), décrit comment la connectivité synaptique est renforcée par une activité neuronale synchrone. Si un neurone A stimule un neurone B de manière répétée et efficace, la connexion entre A et B devient plus forte.

• Processus : Une stimulation répétée et synchrone entre deux neurones conduit à une modification structurale de la synapse, permettant ensuite à une seule information de déclencher la réponse.
• Conséquence : Élaboration de nouvelles connexions (sprouting) par apprentissage. Plus une synapse est utilisée, plus elle devient performante. Plus un neurone est fonctionnel, plus il facilite l'activité des neurones connectés et inhibe l'activité des neurones voisins, affinant ainsi le traitement de l'information.

Stabilisation des Réseaux (Blakemore et Cooper, 1970)

• Les chats élevés avec des stimulations uniquement horizontales développent des cellules capables de détecter les orientations horizontales, mais sont dépouillés de la capacité à voir les verticales.
• Inversement pour les chats élevés avec des stimulations verticales.

Vers une Objectivation de la Cognition

Chronopmétrie des Opérations Mentales (Thorpe et Fabre-Thorpe, 2001)

Le trajet de l'information visuelle vers une réponse motrice suit une séquence spécifique :

1. Rétine : Capture visuelle de l'information.
2. Cortex visuel ou occipital : Traitement primaire de l'information visuelle.
3. Cortex temporal : Reconnaissance et interprétation des objets.
4. Cortex frontal : Planification de la réponse.
5. Zones de Rolando (cortex moteur/somatosensoriel) : Intégration sensorimotrice.
6. Décision et mouvements : Exécution de la réponse motrice.

Méthodes Actuelles d'Objection de la Cognition

• Électro-encéphalographie (EEG) : Mesure l'activité électrique cérébrale via des électrodes sur le cuir chevelu. Elle excelle dans la détermination des délais temporels des événements neuronaux.
• Magnéto-encéphalographie (MEG) : Enregistre les champs magnétiques produits par l'activité électrique des neurones. Elle offre une excellente résolution temporelle et une meilleure résolution spatiale que l'EEG pour certaines sources.
• Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) : Se base sur le métabolisme des cellules (consommation d'oxygène et de glucose).
  • IRM par diffusion (IRMd) : Permet de cartographier les réseaux et les connexions cérébrales (faisceaux de fibres).
  • IRM fonctionnelle (IRMf) : Détermine le fonctionnement des structures cérébrales en mesurant les variations du flux sanguin liées à l'activité neuronale.

Approche Scientifique de la Cognition

• Déterminer une fonction mise en jeu dans un environnement.
• Rechercher les structures cérébrales et les connexions impliquées.
• Déterminer le schéma temporel de leur contribution.
• Rattacher les éléments structure/fonction à des étapes spécifiques du processus cognitif.

La nouvelle définition de la cognition est : « La cognition est un processus temporel de connexion entre des structures ayant chacune un fonctionnement dédié. »

Conclusion sur la Cognition

Le cerveau est en rapport direct avec la cognition ; son intégrité est indispensable à celle du cerveau. Toute atteinte cérébrale a des conséquences cognitives.

La cognition est objectivée par des moyens de mesure modernes :

• La localisation des fonctions (localisationnisme, atlas des fonctions) pour décrire les structures cérébrales impliquées.
• La chronométrie des opérations mentales (fonctionnalisme) pour décrire les décours temporels des processus.

La Cognition : Une Approche Objective et Scientifique (Fiche Récapitulative)

La cognition est l'ensemble des processus psychologiques et physiologiques permettant à un organisme d'acquérir des connaissances de son environnement, de soi-même, des autres, et de s'adapter, prédire et agir, notamment chez l'être humain. C'est un concept multidimensionnel nécessitant un bon fonctionnement physiologique des processus mentaux.

Définition et Objectifs

• Objectifs principaux :

  • Comprendre la cognition en soi.

  • Établir son lien avec le cerveau.

  • Appréhender l'histoire des idées en sciences cognitives.

  • Développer des méthodes objectives et scientifiques pour l'explorer.

• Notions clés : Esprit, pensée, intelligence, mémoire, décision, cerveau, corps.

• Les Sciences cognitives étudient la cognition, le fonctionnement/structures/connexions cérébrales, et les indices indirects de l'activité cognitive.

Les Connaissances à l'Origine des Fonctions Cognitives

• C'est le fondement du processus de conscience :

  • De soi, des autres, de l'environnement.

  • De son existence (passé, présent, futur).

  • D'un monde unifié à partir d'entrées sensorielles partielles.

• Façonne la personnalité comme une articulation coordonnée des différents types de consciences.

Les Processus Mentaux Clés (Fonctions Cognitives)

1. Sensation et Perception

• But : Récupérer les informations de l'environnement et les rendre disponibles pour le cerveau et la pensée.

• Fonctionnement : Repose sur les appareils sensoriels (visuel, auditif, olfactif, gustatif, somato-sensoriel) et les zones cérébrales dédiées qui transforment la sensation en représentation globale.

2. Attention

• Rôle : Trier l'immense flux d'informations pour ne conserver que les données utiles aux autres fonctions cognitives.

• Mécanismes : Filtration des informations inutiles (bruit) et amplification des informations pertinentes.

3. Mémoire

• Définition : Capacité à retenir une information.

• Mécanismes biologiques : Implique le renforcement et la stabilisation synaptique, la modification cellulaire, les réseaux neuronaux, et l'activité de zones spécifiques.

• Réseaux impliqués : Hippocampe, cortex temporal, commissure du fornix, noyaux gris centraux, néocortex frontal et cingulaire.

4. Programmation Motrice

• Fonction : Se projeter dans un futur immédiat pour guider l'action.

• Prérequis : Capacités d'anticipation dépendantes de la mémoire, de la représentation et de la conscience du temps.

• Zones cérébrales : Cortex préfrontal et cortex moteur.

5. Langage

• Nature : Activité motrice de communication, spécifique à l'être humain (acquise tardivement dans l'évolution).

• Spécificité humaine : L'homme métacognitif qui "sait qu'il sait".

• Facteurs d'émergence : Besoin de communication, aptitude à vocaliser et articuler des sons de manière sophistiquée.

• Performance : Dépend de l'appareil phonatoire et de zones cérébrales spécialisées dans la production et la compréhension des vocaux signifiants.

6. Raisonnement & Résolution de Problèmes

• Raisonnement : Articuler les représentations pour résoudre des problèmes et créer de nouvelles représentations.

• Résolution de problèmes : Nécessite une intelligence pour aborder des problèmes non directement résolvables, permettant la prise de décision et l'adaptation du comportement à l'environnement.

7. Conscience

• Rôle : Permet une présence au monde et du monde à l'esprit, ainsi que la représentation de soi par rapport aux autres.

• Métacognition : Aptitude à examiner ses propres activités cognitives.

Modélisation des Fonctions Cognitives

• Les fonctions cognitives ne sont pas isolées ; elles sont interdépendantes et forment des systèmes.

• Une altération d'une seule fonction peut impacter l'ensemble de la cognition.

• Exemple de modélisation : Les appareils sensoriels cherchent l'information, l'attention la filtre, la décision et la programmation motrice régulent l'action qui modifie l'environnement, bouclant le processus via les appareils sensoriels.

Historique des Idées en Sciences Cognitives

Chez les Grecs : La Mémoire

• Platon et Aristote la considèrent comme la base de toute pensée, composée de sous-fonctions :

  • Faculté d'impression : Saisir et retenir l'information.

  • Durée : Temps de conservation.

  • Justesse : Exactitude de l'évocation.

  • Disponibilité : Facilité et vitesse d'évocation.

  • Amplitude : Quantité de souvenirs retenus.

• Thucydide : met en lumière le lien entre émotions (peur, colère, joie) et la mémorisation stable des souvenirs.

• Plutarque : la mémoire évolue avec l'âge et l'attention. Il distingue la mémorisation (impactée par l'âge avancé) de l'oubli (un processus actif et non une simple usure).

Moyen Âge et Renaissance : La Pensée

• L'étude de la pensée progresse, perçue comme un ensemble intégré de sous-fonctions s'entremêlant et évoluant avec les circonstances et l'âge.

• Génère des méthodes d'apprentissage (mnémotechniques, éducation formelle et informelle) et de rééducation (neurologie, psychiatrie).

L'Interdisciplinarité : Un Pilier de la Cognition

• La cognition est un concept pluridisciplinaire (psychologie, neurosciences, linguistique, philosophie, informatique...).

• Révolution interdisciplinaire des sciences cognitives (Gardner, 1982) : approche pluri-, inter- et transdisciplinaire.

• Les modèles explicatifs actuels (dits "Boxologiques") relient les modules fonctionnels (étude du fonctionnel) aux entités anatomiques (étude du structural).

Constitution de la Mémoire à Long Terme (MLT)

• Mémoire déclarative (explicite) : Consciente, exprimable (sémantique pour les faits, non-sémantique pour les événements).

• Mémoire non-déclarative (implicite) : Inconsciente, non-exprimable (attitudes, procédures, réponses émotionnelles/motrices).

• Modèle de Tulving (1995) : Associe modules fonctionnels, caractéristiques de l'information et structures nerveuses impliquées. Une atteinte structurelle = atteinte fonctionnelle.

  Niveau Fonctionnel (MLT)	Niveau Structurel
  Mémoire déclarative (explicite)	lobe temporal médian
  Composante sémantique (faits)	néocortex
  Composante non-sémantique (événements)	néocortex
  Apprentissage non associatif	voies réflexes
  Procédures	striatum
  Réponse émotionnelle	amygdale
  Réponse motrice et musculaire	cervelet

Rapport Cerveau et Neuropsychologie

• Localisation cérébrale : Anciennement la phrénologie (Gall, 1800) – science des bosses (hypothèses balayées par les sciences modernes).

• Cytoarchitectonie : Brodmann (1910) montre que la constitution cellulaire du cerveau varie et est attachée à des fonctions spécifiques, établissant des correspondances anatomo-fonctionnelles. Ex: Broca, Wernicke, Lichtheim, Louria pour le langage (aphasies).

Étude de l'Électricité Cérébrale et Plasticité

• Les neurones sont des cellules électriques (membranes semi-perméables, potentiel d'action).

• Le potentiel d'action est une inversion brutale de polarité, diffusée le long des axones, permettant la mesure de l'activité neuronale.

• La plasticité cérébrale est la transformation structurelle du cerveau, principe de l'apprentissage (stabilisation des réseaux).

Homonculus de Penfield (1950-1954)

• Cartographie des zones motrices et sensorielles du corps sur le cortex cérébral grâce à des électrodes.

• Représentation en miroir : motricité (avant scissure de Rolando) et sensation (arrière, pariétal).

Principe de Hebb (Plasticité Synaptique)

• "Plus un neurone utilise une synapse, plus elle devient performante."

• L'activité synchrone répétée de deux neurones peut modifier la structure de leur communication : une stimulation multiple peut rendre une stimulation simple efficace.

• Sprouting : Élaboration de nouvelles connexions par apprentissage.

• Un neurone actif facilite l'activité des neurones connectés et inhibe les neurones voisins.

Stabilisation des Réseaux

• Exemple de Blakemore et Cooper (1970) : des chats élevés avec des stimulations visuelles orientées (verticales ou horizontales) développent des cellules aptes à percevoir majoritairement ces orientations, prouvant la modification des connexions cérébrales en fonction de l'expérience.

Objectiver la Cognition : Chronométrie et Méthodes Actuelles

• Chronométrie des opérations mentales (Thorpe et Fabre-Thorpe, 2001) : Met en relation la rapidité des opérations mentales avec les potentiels cognitifs et les contributions des modules neuro-biologiques.

• Trajet de l'information (ex. visuelle) : Rétine cortex visuel/occipital cortex temporal cortex frontal zones de Rolando décision et mouvements.

• L'électrophysiologie révèle la succession et la chronométrie des opérations cognitives (analyse sensorielle associative exécution motrice).

Méthodes d'Exploration (Choisir la bonne pour la bonne question)

• Électro-encéphalographie (EEG) : Mesure les déroulements temporels via des électrodes.

• Magnéto-encéphalographie (MEG) : Enregistre l'activité magnétique produite par l'activité électrique cérébrale.

• Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) : Basée sur le métabolisme cellulaire.

  • IRM par diffusion (IRMd) : Détermine les réseaux et connexions cérébrales.

  • IRM fonctionnelle (IRMf) : Détermine le fonctionnement des structures cérébrales.

Approche Scientifique de la Cognition : Nouvelle Définition

• Il faut déterminer la fonction mise en jeu, rechercher les structures et connexions impliquées, établir le schéma temporel de leur contribution.

• Nouvelle définition : "La cognition est un processus temporel de connexion entre des structures ayant chacune un fonctionnement dédié."

Conclusion Générale sur la Cognition

• Un phénomène complexe qui passionne l'humanité depuis toujours (pensée, esprit, âme, intelligence).

• Nécessite une compétence scientifique multi- et interdisciplinaire.

• Directement liée au cerveau : son intégrité est dépendante de celle du cerveau (toute atteinte cérébrale conséquences cognitives).

• Objectivée par des moyens de mesure :

  • Description des localisations cérébrales (localisationnisme, atlas des fonctions).

  • Description des déroulements temporels (fonctionnalisme, chronométrie).

• Implique la connaissance du monde et la conscience de soi dans ce monde.