Diapositive 1

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Nombre, Cerveau Apprentissage
Philippe Pinel pinel_at_shfj.cea.fr Unité INSERM
562 de neuro-imagerie cognitive, Service
Hospitalier Frederic Joliot / CEA,
Orsay (Directeur Stanislas Dehaene) http//www.u
nicog.org
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Premiers liens entre arithmétique mentale et
cerveau
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1/13
Sillon intrapariétal
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
Lésions chez 5 patients acalculiques

• Gerstmann 1924
• Acalculie
• Agraphie
• Indistinction D/G
• Agnosie digitale

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Dehaene et Cohen, Double dissociation between
rote verbal and Quantitative knowledge of
arithmetic. Cortex 1997
Patient MAR
Patiente BOO
Gradient du déficit
5
? Distinguer plusieurs réseaux
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Mots "vingt-sept"
Quantités
1. système de lecture
Chiffres arabes "27"
2. Sens du nombre
6
Apport de limagerie cérébrale
Scanner fMRI (imagerie par résonance magnétique
fonctionnelle)
7
4/13
Meta analyse de 8 études de tâches arithmétiques
Hypothèse 3 système pariétaux impliqués dans
les tâches numérique
Comparaison de 2 nombres (pt nb) Soustraction
exacte gt Comparaison Soustraction exacte gt
Multiplication Addition approchée Estimation de
numérosité Effet de distance numérique (pt
nb) Perception subliminale de nombre Addition
complexe gt Addition élémentaires Effet de
distance numérique (gd nb) Multiplication gt
Comparaison Multiplication gt Soustraction Calcul
exact gt approché Soustraction n Détection de
phonèmes Addition élémentaires gt Addition
complexe
Dehaene, Piazza, Pinel, Cohen (2003)
8
Caractériser le support des représentations
numériques
?
9
5/13
Caractériser le format de ces
différentes manipulations numériques
Bilingue Anglais Russe A)
apprentissage de faits arithmétiques exacts ou
approchés dans une langue (5447100 ou
70 ? / 5447102 ou 112 ?) B) test sur
des problèmes a-appris ou nouveaux b-exprimés
dans la langue dapprentissage ou dans lautre
Spelke et al., Cognition (2000)
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Passage dun type de calcul à lautre par
lapprentissage
Activation cérébral pour un calcul complexe
91 81
7 13
x
Activation cérébral pour un calcul non appris vs.
un calcul appris
Activation cérébral pour un calcul appris vs. un
calcul non appris
Delazer et al., (2003) Cognitive Brain Research
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Caractériser les fonction numérique du sillon
intrapariétal
1. Sensibilité à la numérosité
1
2
3
5
8
4
6
7
9
1er présentation de 3
Firing rate
échelle logarithmique
2ème présentation de 3
Firing rate
3ème présentation de 3
Évolution de la décharge neuronale
Firing rate
0.3
0.6
1
1.6
2.6
Ratio / cible
12
8/13
Trouble numérique apprentissage en échec
Butterworth Journal of Child Psychology and
Psychiatry 461 (2005), pp 318
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).
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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 1 4
5 ? 0 est il présent dans 1 3 5 0 4
? est-ce que 4 -1 2 6 ? 0 est
il présent dans 5 2 1 3 4 6 ? ? Score
sujet sains Fragile X soust.simple 99 92 soust.
cx 94 70 gt 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
? Enfants prématurés (lt 30 semaines de
gestation) ? Difficultés en arithmétiques (lt
score WISC-III prédit par le QI) ? étude
structurelle gt déficit de matière grise très
localisée
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3. Activation cérébrale atypique durant une tâche
arithmetique (syndrome de Turner) Molko et al.
2003
? absence partielle ou complète dun chromosome X
(prévalence 1/2500 naissances) ? difficulté en
estimation de dimension, quantification de pt
group de point (lt4), addition et soustraction.
z52
z52
Calcul exact
Calcul approché
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
Recrutement intraparietal des patient
dyscalculiques
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Anomalie fonctionelle absence de recrutement
des régions intraparietales lorsquun calcul
nécessite un accès au sens des nombres.
Analyse par fMRI
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
Extraction automatique des sillons (Riviere et
al. 2002) et mesures de la longueur et de la
profondeur des sillons pariétaux, centraux et
temporaux
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Des voies de ré-éducation ?
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? Enfants avec difficultés de calculs (7-9 ans
CE1-CE2) score lt 25 WISC-III arithmetic / QI
gt 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).
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)
Problèmes posés dans lEspace dapprentissage
échec
succès
Complexité symbolique
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 gt Exploration par le
logiciel de lapprentissage en conservant un taux
de succès de 75
1
2
3
4
distance
5
6
Vitesse requise
18
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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.
Vitesse
100 essais
distance
Complexité symbolique
Vitesse
200 essais
distance
Complexité symbolique
Vitesse
300 essais
distance
Complexité symbolique
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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 ? gt contrainte à lapprentissage de
larithmétique et/ou son développement -contraint
e de format des représentation (ex
bilinguisme) -forte contrainte biologique et
génétique
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(No Transcript)
21
2- Racines de cette représentation pariétale des
quantités numériques
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Biais attentionnel.
3-target detection
2-attentional bias
1-irrelevant number
8

Nombre et représentation digitale.
8


Biais spatial.
Z 53 mm
Z 49 mm
Subtraction task
Ocular saccade
Grasping task
Shape habituation
Number habituation
Size distance effect
Saccades
Grasping
Numerical tasks
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Principe pour établir des cartes dactivation
statistiques
a
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 
Tâche A Réseau du calcul mental-repos
P
seuil
b
Tâche B Réseau de la lecture
c
Réseau du calcul mental? ? Tâche A Tâche B
Choix dun seuil statistique
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Variabilité des réseaux individuels exemple du
calcul
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(No Transcript)
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Codage neuronal (tuning curve)
nombre codé
Dehaene, S., Changeux, J. P. (1993). Journal of
Cognitive Neuroscience.