04 04 2012

Introduction aux Neuro-Sciences Cognitives

Fonctions affectives et intellectuelles

B Millet

Plan:

-Neurosciences, neurosciences cognitives, de la démarche philosophique à l’approche scientifique…

-Approche scientifique …approche expérimentale

-Au sein des neurosciences cognitives …comment le cerveau pense et éprouve : la psychologie cognitive

-Les outils contemporains des neurosciences et…

-L’histoire des neurosciences … quelques étapes

-Entrer dans la complexité: décliner les différents étages des fonctions émotionnelles et cognitives moléculaire, cellulaire,macroscopique,, individuel, pathologique, social

-Ex1 : fonction cognitive : la mémoire-Ex 2: fonction émotionnelle : la peur

• Neurosciences: sciences en charge de la connaissance du fonctionnement du système nerveux responsable de la commande motrice, du développement des affects et des fonctions intellectuelles

Neurosciences: neuroanatomie, neuro et psycho physiologie, neuropathologie, neuroimagerie, neuropharmacologie, sciences comportementales, neurobiologie cellulaire et

moléculaire Médecine clinique: neurologie, psychiatrie, neurochirurgie

Les neurosciences cognitives sont récentes: elles contribuent à la réflexion de l’homme sur lui même, sur l’origine de ses pensées, sur le sens de son existence, sur l’interaction de son cerveau avec son environnement.

Les neurosciences cognitives

La psychologie

cognitive Les

neurosciences

L’intelligence

artificielle La philosophie

Analyse du comportement humain et

du fonctionnement du psychisme

Aspects neurobiologiques , neuro-anatomiques

sous-tendant le fonctionnement du système nerveux

Etude rationnelle de la pensée humaine

Etude de l’intelligence des machines comparée à celle de

l’homme

• Pendant longtemps, la réflexion sur notre fonctionnement psychique (comment nous réfléchissons, nous éprouvons des émotions…) a reposé sur une démarche introspective

(Descartes 1637 « Le discours de la méthode » je pense donc je suis…)

Les neurosciences cognitives introduisent la démarche scientifique dans la compréhension du fonctionnement du cerveau

La démarche scientifique reposant sur l’expérimentation:

base de « l’evidence based medicine »

• Observer, faire une hypothèse: le rationnel de l’étude

• Expérimenter: mise en place de la procédure expérimentale (critères d’inclusion, outils, statistiques…)

• Extraire les résultats avec analyse des données brutes

• Interpréter les résultats,

• Vérifier et comparer les résultats: discussion

• Reproduire l’expérience (définir le niveau de preuve)

Ex: Existe-t-il une altération de la reconnaissance des émotions dans la dépression ?

• Contexte : dépression 6% de la population (prévalence)

• Hypothèse : Existence d’un trouble de la reconnaissance des émotions communiquées par la voix au cours de la dépression

• Expérimentation: – étude comparative d’un groupe de sujets déprimés avec un groupe de

sujets sains contrôles appariés en sexe et en âge

– Instruments utilisés: échelle de dépression, échelle de démence

– Test de prosodie ( caractéristiques acoustiques influençant l’intonation et la production vocale) émotionnelle

• Résultats : les sujets déprimés reconnaissent moins bien globalement les stimuli chargés émotionnellement que les sujets contrôles sur le plan auditif

• Interprétation: réseaux cérébraux impliqués dans le domaine de la reconnaissance des émotions et altération dans la dépression

• Vérification et réplication manquentPeron…Millet 2011

Major depressive disorder skews the recognition of emotional prosodyPéron J, El Tamer S, Grandjean D, Leray E, Travers D, Drapier D, Vérin M, Millet B.Prog Neuropsychopharmacol Biol Psychiatry. 2011 Feb 3

Publications dans des journaux internationaux

Classement en fonction du niveau de notoriété des journaux

Impact factor : indice de citation

Les neurosciences cognitives doivent permettre de répondre à la

question :

Comment le cerveau nous permet-il de: voir, penser, juger, résoudre des

problèmes, éprouver des sentiments et des émotions, et nous

reconnaître nous-mêmes, et de reconnaître les autres, nous souvenir

et nous projeter dans le futur ?

En médecine, elles doivent nous permettrede comparer le fonctionnement psychique normal par rapport au fonctionnement pathologiquePuis de comprendre les

pathologies.

La psychologie cognitive

Sous-discipline de la psychologie qui se focalise sur la cognition

(processus de pensée)

La cognition : faculté mobilisée dans de nombreuses activités telles que :

Les émotions (tristesse, joie, colère, surprise, peur, dégôut)

Les humeurs : euthymie, dépression, manie (excitation psychique)

Les sensations (gustatives, olfactives, tactiles…)

La perception (des objets, des formes, des couleurs…)

La résolution de problèmes; Le raisonnement;

La prise de décision et le jugement;

La compréhension et la production du langage Les actions;

Contrôle des fonctions de base

Coordination des processus comportementaux et mentaux complexes

Evolution des espècesPhylogenèse

D’après Philips M 2008

Modèle neuronal de régulation émotionnelle

Ces champs d’investigation du comportement et de la pensée peuvent être explorés par la neuro-imagerie

• L’imagerie cérébrale:– Structurale: Scanner X, IRM: elles

permettent de visualiser les structures cérébrales: ventricules , cortex cérébral, structures sous corticales, substance blanche, substance grise

L’Imagerie Fonctionnelle: TEP, IRMf.- Permet d’évaluer la fonctionnalité des structures

cérébrales : l’activité du métabolisme du glucose dans le cerveau, de l’oxygène, de l’eau

[15O] water

PET : Tomographie par émission de positronsInjection dans la circulation sanguinede solutions contenant des molécules marquées radioactivement, qui vont au Contact des molécules présentes dans le cerveau émettre des positrons détectés par des capteurs autour de la tête de la personneExemples: Marqueur du Sang cérébral : eau avec 15O-Glucose : 18Fluor deoxy glucose

Les Neurosciences cognitives aujourd’hui: ce sont aussi des outils thérapeutiques

Stimulation cérébraleprofonde

Utilité : Soins et compréhension des mécanismes d’action

Stimulation Magnétique Trans-cranienne

Per-operative electrophysiology of the STNPer-operative electrophysiology

69% improved OCD symptomatology >25%88% improved global functioning >25%

-4 -2 0 2 4 6-50

0

50

100

PET signal change in vMPFC (normalized values)

YB

OC

S c

ha

ng

e (

off

-on

, in

%)

P 1

P 2

P 3

P 4

P 5

P 6

P 7

P 8P 9

P10

Possibilité d’enregistrer les signaux électrophysiologiques produits par des groupes de neurones avant et après

stimulation cérébrale

Level 1

Level 2

Level 3

Applications techniques de la stimulation cérébrale profonde:

developpement de stimulateurs intelligents

Electrodes permettant des enregistrements des signaux électriques issus des neurones

et pouvant en réponse moduler la stimulation en fonction des signaux biologiques

cérébraux

Approches invasives expérimentales dans le

respect de règles éthiques strictes +++• Approche pluridisciplinaire et collégiale• Information du patient• Comité de protection des personnes (CPP)• Comité National Consultatif d’Ethique• Obtention d’un consentement

– Écrit– Et librement consenti

– …Disposant de toutes ses facultés de compréhension

Les neurosciences aujourd’hui

Différents acteurs: Psychologue cognitiviste , Informaticien,

neurobiologiste, neuroanatomiste, neurophysiologiste,

psychophysicien, philosophe, sociologue, .

Au niveau médical clinique: Psychiatre, neurologue,

neurochirurgien, neuropharmacologue,

Différents nivaux d’analyse: moléculaire, cellulaire,

cognitif, comportemental

Paul Broca (neurologue français) (1861)-Fondateur de l’école d’Anthropologie (étude de l’homme)-Décrit le cas d ’un patient qui comprend ce qu ’on lui dit mais ne peut pas parler

A l’autopsie : lésion de la

partie postéro-inférieure du

lobe frontal gauche. Zone de la

motricité du langage.

Développement de la Neuropsychologie (étude des perturbations cognitives et émotionnelles provoquées

par des lésions du cerveau)

Karl Wernicke (1874) (neuropsychiatre allemand)

Décrit un patient qui peut parler

librement, mais ne peut

comprendre ni le langage parlé,

ni le langage écrit.A l’autopsie lésion de la partieTemporale gauche: zone de la

Compréhension du langage

Hanna et Antonio Damasio (1994)

• Cas de Phineas Gage: Contre-maître, ouvrier modèle, travaillant sur la construction d’une ligne de chemin de fer dans le Vermont: Accident avec traumatisme cranien provoqué par une barre de fer (1848)

• Dr. Harlow (1868): « Recovery from the passage of an iron bar through the head »

• Apparence normale mais changement total de comportement : incorrect, grossier avec ses collègues, irritable, querelleur…psychopathe

• 100 ans après reconstruction de l’évaluation de la lésion par neuro-imagerie …atteinte du Cortex Pre Frontal

Comparaison en psychiatrie:

personnalité psychopathique: carence affective et éducative

Delay et Deniker (1954)

Essai de la chlorpromazine à Sainte Anne: premier neuroleptique

médicaments à effet neurobiologique, utilisés entre autres dans le traitement

de certaines affections du système nerveux central — les psychoses telle que la schizophrénie et certains autres

syndromes comportant des hallucinations, du délire et de l'agitation psychomotrice —,

production d’un détachement

psychologique,…

la chlorpromazine était aussi efficace sur les

patients schizophrènes[

P Deniker

Camillo Golgi1873(corps de la cellule neuronale)

Hippocampe imprégné par la

méthode de coloration de Golgi

Ramon y Cajal (1859)

Montre que les neurones sont en contact les uns

avec les autres mais pas en

continuité

Méthode de coloration (tissu cérébral dans une solution de chrome argenté)

montrant le corps de la cellule neuronale.

Korbinian Brodmann (1910)(neuro-psychiatre allemand)

Montre que des aires différenciées sur le plan

cellulaire

(histologique)

jouent des rôles différents sur le plan fonctionnel: aires

auditives, aires de la motivation, aires de la compréhension etc…

• Les neurosciences cognitives permettent de franchir les frontières entre des modèles simples (unicellulaires , paucicellulaires…)

• Et des modèles cérébraux plus intégrées

Cortex

Striatum

GP/SNpr

Thalamus

Circuits Associatif

Cx OFL

Caud

Cx PFDL

Caud

GpiSNpr

GpiSNpr

VADM

VADM

Limbique

Cx Cing Ant

SV

PvSNpr

DM

Moteur

AMS

Put

GpiSNpr

AOM

Caud

GpiSNpr

VADM

VL

Cortex

Striatum

GP/SNpr

Thalamus

Circuits Associatif

Cx OFL

Caud

Cx PFDL

Caud

GpiSNpr

GpiSNpr

VADM

VADM

Associatif

Cx OFL

Caud

Cx PFDL

Caud

GpiSNpr

GpiSNpr

VADM

VADM

Limbique

Cx Cin

SV

PvSNpr

DM

Limbique

SV

PvSNpr

DM

Moteur

AMS

Put

GpiSNpr

AOM

Caud

GpiSNpr

VADM

VL

Moteur

AMS

Put

GpiSNpr

AOM

Caud

GpiSNpr

VADM

VL

Alexander 1986

Les circuits cortico-sous-corticaux

SNcSNr

NSTDopamine

Thalamus

GPeGPi

AmygdaleStriatum

NoyauCaudé

Putamen Accumbens

(St. ventral)

V1V4

TEO

Inf.-temporal (TE)

V2

Les connections du système limbique(régions CCA et COF)d ’après Tekin et Cummings J Psychosom Res 53 (2002)647-654.

Pallidum interneSubstance noire

COFCPFVM

CPFDL

CCA

CPFDM

STRUCTURES CORTICALES PREFRONTALES (CPF)

CPFVL

Aires ventromédiales (COF, CCA, CPFVM):développées précocément impliquées dans le contrôle des fonctions émotionnellesAires ventrolatérales et dorsolatérales: (CPFVL et CPFDL)Impliquées dans les fonctions intellectuelles(mémoire de travail, attention, concentration)Et rôle de contrôle des émotions

amygdale

STRUCTURES SOUS-CORTICALESDiencéphaliques (amygdale,Noyaux gris centraux….Role d’émergence des émotions

CIRCUITS IMPLIQUES DANS LES TROUBLES AFFECTIFS

Un des objectifs des neuro-sciences cognitives: décliner les différents étages des fonctions

émotionnelles et cognitives

– Niveau moléculaire: neurobiologie– Niveau cellulaire: neurophysiologie– Niveau macroscopique: neuroanatomie

structurale et fonctionnelle– Niveau pathologique: neuro-psychiatrie– Niveau individuel: psychologie;– Niveau Social : comportement de l ’espèce

Exemple d’une fonction intellectuelle LA MEMOIRE

« Vous devez commencer par perdre votre mémoire, ne serait-ce que par petits bouts, pour comprendre

Qu’elle est ce qui constitue votre vie…Notre mémoire est notre cohérence, notre raison, nos sentiments, même nos actions. Sans elle, nous ne sommes rien … »

Ensemble de systèmes cognitifs qui permettent le codage, le stockage et la récupération de l ’information

Deux grands types de mémoire:

-Mémoire à court terme : mémoire de travail (concentration, switch, plusieurs tâches à la fois): siège CPF Dorso latéral

-Mémoire long terme: mémoire épisodique, celle des souvenirs

Niveau moléculaire de la mémoire

• Neurotransmetteurs:acetylcholine, Glutamate

POTENTIALISATION À LONG TERME

• mécanisme permettant le renforcement durable des synapses entre deux neurones qui sont activés

simultanément.

Niveau cellulaire de la mémoire sensible à l’environnemment

Cellules granulaires du gyrus denté de l’hippocampe

Neurone hippocampique de rat avant (A)

et après (B) 3 semaines de stress répétés

Niveau cérébral de la mémoire épisodiqueneuroanatomie

Perte de mémoire :Altération de l’hippocampe

Et du noyau de Meynert

HippocampeNoyau de Meynert

L ’Acquisition: processus d ’encodage et d ’enregistrement des informations en mémoire

La Rétention:correspond à un stockage à plus ou moins long termedes informations Mémoire long terme

La Restitution ou récupération: rémémorisation ou souvenir mais aussià l ’inverse à l ’oubli

Niveaux psychologiques cognitifs:processus psychiques contribuant à la transmission de l ’information

3 phénomènes:

Mémoire à court terme ou mémoire de travail: capacité limitée de stockage et oubli

• Fonction spécifique permettant de combiner des informations provenant d ’autres modules: processeur central

• activation de différents modules spécialisés (visuel ou sémantique)

• Siège : Cortex Prefrontal dorsolatéral

• capacité limitée : 7 le chiffre magique– capacité de mémorisation

immédiate (7 ± 2) pour différentes informations sons, lettres, mots

Système de capacité limitée destiné au maintien temporaire et à la

réalisation de tâches cognitives diverses de compréhension, de

raisonnement ou de résolution de problèmes

Ex: calcul mental exigeant plusieurs calculs intermédiaires

Mémoire à long terme: Capacité immense et oubli progressif.

• Ensemble des connaissances et des savoir faire que nous avons acquis de manière durable

• Les souvenirs les plus variés sont stockés dans la mémoire à long terme:– ex: souvenirs d ’enfance, ce que l ’on sait sur la

France, les tableaux de Van Gogh, des mélodies, des odeurs, des sensations tactiles, des mouvements , des saveurs

Siège : l’Hippocampe en lien avec le Cortex Frontal

Trois formes de mémoire à long terme

– Mémoire épisodique: permet à un sujet de se souvenir du passé (comment enfant, j ’ai nourri un lapin, mon séjour à Dijon, mon premier baiser etc..) (lobes frontaux + hippocampe)

– Mémoire sémantique rend possible l ’acquisition et la rétention des connaissances générales sur le monde (cortex cérébral) connaissance sur les faits

ex: les lapins sont des mammifères, Dijon est la capitale de Bourgogne

- Mémoire procédurale : acquisition des habiletés perceptivo-motrices et cognitives, et conditionnement. Système dont les opérations s ’expriment essentiellement sous la forme d ’actions (rôle important des ganglions de la base, du cervelet, cortex frontal moteur)

Ganglions de la base• Connaissances déclaratives

Fonctionnement de la mémoire

• Entre la capture de l ’information sensorielle et le rappel des informations mémorisées, il y a transformation de l ’information: codage

• Les informations sont d ’abord codées au niveau des système sensoriels (ex: rétine, thalamus, cortex occipital pour vision). Le temps pendant lequel ces informations sont traitées correspond à une « mémoire »: ce sont les mémoires ou modules sensorielles

Le code imagé est le plus puissant

• La supériorité des images sur les mots (essor du cinéma, des bandes dessinées, de la télévision)

• Toutes les représentations imagées sont mieux mémorisées que les mots– encore mieux mémorisées si séquences des

étapes de l ’action– capacité de stockage à long terme

• Récupération: Comme dans les ordinateurs, la récupération d ’une information nécessite qu ’elle soit retrouvé parmi des millions d ’informations:

• Intérêt de l’ordre donné au stockage et à l’apprentissage, moyens mémotechniques, stratégies …

Le pendant de la mémoire: l ’oubli

• destruction de l ’information ou bien impossibilité à retrouver une information spécifique

• 3 étapes

- encodage : transformation d ’une information en une représentation qui a un sens ou une valeur

- consolidation: stockage dans le cerveau : hippocampe

- récupération : activation des bons réseaux pour retrouver l ’information

Evaluation de la mémoire

Test de Gröber et Buschke: liste répété à trois reprises (16 mots) (Rappel libre; rappel indicé) puis nouvel exercice à 20

minutes d ’intervalle

5 épreuves:

1. Encodage (liste de mots); 2 Rappel libre ; 3 Rappel indicé (catégories); 4 Reconnaissance (48 mots); 5 Rappel

différé;

- si trouble de l ’attention: amélioration des scores

- si maladie d ’Alzheimer: perte des points

Evaluation de l’oubli: tâche de rappel différé d ’une liste de mots

1. Mauvais enregistrement de la liste lié à un trouble de l ’attention Pb d ’encodage: fatigue, stress, patients déprimés, effets secondaires des

médicaments Résolution: l ’indicage (catégorie du mot) permet la restitution

2. Trouble de la mise en mémoire de la liste: pb de consolidation mauvais score en rappel indicé et rappel libre. Absence de stockage ex: maladie d ’Alzheimer

3. Pas de bonnes stratégies de recherche

Troubles de la récupérationvieillissement normal ou certaines maladies comme maladie de Parkinson

Niveau psychologique d’étude de la mémoire

Niveau pathologique: étude des démences

• réduction acquise des capacités mnésiques suffisamment importante pour retentir sur la vie de la personne et entraîner une perte d'autonomie. – Maladie d’Alzheimer

– Démence Fronto-temporale

– Démences infectieuses etc…

Ex: La mémoire: phénomène social

• Les différentes catégories de mémoire sont étudiées depuis de nombreuses années : procédurale, sémantique, de travail etc.

• Pourtant, les chercheurs ignoraient jusqu’alors l’existence cérébrale d’une forme de mémoire surprenante : la mémoire collective ! Le cerveau stocke les souvenirs des événements sociaux, essentiels à l’identité de chacun.

Exemple d’une émotion: la peur

Réaction très intense face à une situations d ’alarme , d ’urgence ou

- aspect neurophysiologique : boule dans la gorge, oppression, stupeur, envie de fuir

- aspect subjectif : le sentiment d’appréhension

Niveau moléculaire de la peur: le rôle des neuromédiateurs:

La noradrénaline, la sérotonine, la dopamine

Role de neurotransmetteurs antagonistes: Le GABA a pour

fonction naturelle de diminuer l'activité nerveuse des neurones

sur lesquels il se fixe: neurotransmetteur inhibiteur

Base des tranquilisants

substance chimique libérée par un neurone au niveau d'une synapse, qui modifie, de manière spécifique, l'activité

d'une autre cellule

Niveau cellulaire de la peur: cellules del’amygdale cérébrale

le noyau latéral, semble constituer la porte d'entrée principale de cette structure. C'est par là qu'entre l'information avertissant de la présence d'un danger

Niveau cérébral de la peur neuroanatomie fonctionnelle

L'amygdale est une partie du cerveau qui doit son nom à sa forme qui rappelle celle d'une

amande. Elles sont situées tout près de l'hippocampe,

L'amygdale est essentielle à notre capacité de ressentir et de percevoir chez les autres certaines

émotions en lien avec le cortex prefrontal

Cortex Pre Frontal

Différentes structures cérébrales impliquées dans la peur

plusieurs inputs sensoriels convergent vers l'amygdale pour

l'informer des dangers potentiels de son environnement. Cette

information sensorielle lui parvient

soit du thalamus soit des différents organes sensoriels

L'amygdale reçoit aussi de nombreuses connexions de l'hippocampe.

Celui-ci étant impliqué dans le stockage et la remémoration des souvenirs

explicites ses connections à l ’amygdale peuvent être à l ’origine d ’une émotion déclenchée par un souvenir particulier

Le Circuit Physiologique de la Peur

Hypothalamus

Si vous êtes suivi dans la nuit par un individu à

l'allure louche et que vous sentez votre cœur palpiter,

il est fort probable que votre amygdale soit très

active !

Niveau pathologique: neuro-psychiatrie

Lésion de l ’Amygdale: Affect émoussédiminution du conditionnement à la peur

Difficultés de reconnaissance d ’expressionsfaciales et vocales (peur, colère)

Niveau pathologique: Psychiatrie anxiété pathologique: hyperactivité amygdalienne

Cette hypothèse est renforcée par le fait que les médicaments utilisés pour diminuer l'anxiété

comme le Valium

se fixe sur le même récepteur que le GABA Ces médicaments appelés

benzodiazépines aident le GABA à diminuer l ’activité nerveuse. Ces molécules

contribuent à calmer le sujet souffrant d ’anxiété généralisée

.

Niveau clinique: Peur incontrôlée(attaque de panique)

• Sentiment intense et massif perçu par celui qui l’éprouve mais aussi par l’observateur comme intolérable

• Traduction psychique prédominante avec modifications corporelles plus ou moins bien percues selon le niveau d’intensité

• Retentissement moteur: agitation ou sidération

Tension normale

Peurs invalidantes

Quand la peur prend-elle une dimension pathologique ?

Peur et Phobies(anticipation pessimiste)

Lorsque la peur cesse de jouer son rôle adaptatif accentuant l ’inconfort de la personne: peur pathologique

Stress aiguEtat de stress post-traumatique

Attaque de panique

Timidité Anxiété sociale Phobie sociale

Niveau psychologique: « Tous les hommes ont peur. Tous. Celui qui n’a pas peur n’est pas normal » (JP Sartre)

• Signal d’alarme dont la fonction est d’attirer notre attention sur un danger, pour nous permettre d’y faire face. Ce signal d’alarme peut être plus ou moins bien réglé.

Peur: danger réelAngoisse: dangers imaginaires, voire sans objet

« Vous marchez seul la nuit dans une forêt  Avez-vous peur qu ’il y ait quelqu ’un ou qu ’il n ’y ait personne ? »

« L ’enfant qui a peur du noir , a-t-il peur de des fantômes, des voleurs, de la mort ?» (A Comte Sponville, dictionnaire des termes

philosophiques)

Ex: La peur: phénomène social

La peur collective,phénomène phylogénétique

Outil de propagande, des dictatures,

La peur est une émotion forte et intense éprouvée en présence ou d'une menace réelle (ou imaginée) et immédiate. Elle provient d'un système qui

détecte les dangers et produit des réponses qui augmentent nos chances de survie face à cette situation dangereuse. Elle génère une séquence

comportementale défensive.

Différents champs d’investigation pour les neurosciences cognitives: Intéractions nécessaires entre « basic scientists » et cliniciens

perception

attention

langage

contrôle moteur

fonctions exécutives

développement et plasticité

spécialisation hémisphérique

mémoire

émotions et humeurs +++