Deuxième colloque scientifique organisé par Neuroéducation Québec
présenté dans le cadre du 79e Congrès de l’Acfas
12 mai 2011 - Université de Sherbrooke - colloque 510
Description du colloque
Depuis quelques années, un nombre croissant de chercheurs a recours à des technologies d’imagerie cérébrale et à des mesures du système nerveux périphériques pour répondre à des questions de recherche liées au domaine de l’éducation. Ces technologies sont intéressantes pour le domaine de l’éducation parce qu’elles permettent notamment d’approfondir nos connaissances sur la nature des processus cognitifs impliqués dans des tâches scolaires, d’étudier ce qui se produit dans le cerveau des élèves lors des apprentissages, de mieux comprendre les causes des difficultés particulières de certains élèves et même d’évaluer l’impact de différentes méthodes d’enseignement sur le cerveau.
Bien que des plus prometteuses, l’utilisation de ces technologies dans la recherche en éducation pose des défis particuliers. L’un de ces défis est causé par l’écart important entre les méthodes habituelles préconisées par la recherche en éducation et les méthodes liées à l’étude du cerveau et du système nerveux périphérique. Par exemple, en neuroimagerie, les critères de sélection des sujets, le nombre de sujets nécessaire à la généralisation des résultats, le type de questions pouvant être posées aux participants et le type d’analyse statistique devant être appliquée aux données ne sont pas du tout les mêmes qu’en éducation.
Ce colloque organisé par Neuroéducation Québec et le Département d’éducation et pédagogie de l’UQAM a pour but de mettre en évidence de quelle façon les chercheurs en neuroéducation arrivent à concilier les contraintes liées à l’utilisation de techniques permettant de mesurer l’activité du cerveau et du système nerveux périphérique avec l’élaboration de devis de recherche visant à explorer des problématiques éducatives.
Programme
8h30
Mot de bienvenue
Steve Masson (Université du Québec à Montréal)
SESSION 1 - CONSIDÉRATIONS ÉTHIQUES ET MÉTHODOLOGIQUES LIÉES AUX DEVIS
Président de séance/animateur : Steve Masson
9h00
La recherche expérimentale en neuroéducation : considérations éthiques liées à l'imagerie cérébrale impliquant des enfants
Hélène Lalancette et Stephen R. Campbell (Simon Fraser University)
L’élaboration de devis de recherche en neuroéducation implique nécessairement l’usage des outils des neurosciences, dont principalement des techniques d’imagerie cérébrale ou de suivi électrophysiologique de l'activité cérébrale, afin d’approfondir notre compréhension des fonctions cognitives et d’améliorer les stratégies éducatives. Cela ne se fait toutefois pas sans amener plusieurs questions éthiques relatives à l’encadrement théorique et méthodologique de ces recherches et, d’une manière plus large, c’est l’ensemble des recherches en neurosciences sociales qui est maintenant visé par la neuroéthique, branche récente de la bioéthique. À travers l’analyse de certaines questions éthiques spécifiques à la recherche en neuroéducation qui implique, par définition, la participation d’enfants, les aspects du consentement, de la confidentialité, de la marginalisation et des découvertes fortuites seront discutés. Cette analyse amène à considérer l’intérêt de développer une expertise en neuroéthique de l’éducation, non seulement pour faciliter l’intégration d’un positionnement éthique dans la conception de devis de recherche en neuroéducation, mais également afin d’arriver à une meilleure contextualisation et diffusion des résultats de la recherche dans le domaine aux différents groupes d’intérêts.
9h30
L'analyse neuropsychopédagogique : un modèle du cerveau en action lors de l'apprentissage de la lecture et de l'écriture
Pierre Paradis (Université du Québec à Rimouski) et Olivier Lévesque (Université Laval)
La neuropsychopédagogie est un néologisme, une locution conceptuelle qui a comme objectif de regrouper ensemble des notions de neurologie, de neuropsychologie, de psychologie, de psychopédagogie et de pédagogie afin de mieux comprendre les phénomènes de lʼapprentissage. Cet amalgame de connaissances a pour but dʼutiliser quelques-unes des propositions théoriques de ces secteurs de recherche pour les projeter ensuite dans les activités dʼapprentissage scolaire. Dans son volume « Guide pratique des stratégies dʼenseignement et dʼapprentissage », paru chez Guérin Éditeur en 2006, Paradis décrit une procédure quʼil appelle « Analyse neuropsychopédagogique ». Dans ce volume, il applique un modèle du fonctionnement du cerveau pour analyser certaines activités dʼapprentissage comme la dictée, lʼapprentissage de la lecture, lʼapprentissage de lʼécriture. Les deux chercheurs présenteront ce modèle et son application pour les deux importantes activités dʼapprentissage scolaire que sont la lecture et lʼécriture. Une animation en trois dimensions résultant de l'analyse neuropsychopédagogique de ces activités et résumant les divers mécanismes cérébraux impliqués lors de ces apprentissages conclura cette présentation.
10h00
L’analyse séquentielle comme pont entre les différents niveaux d’analyse du fonctionnement cérébral
Julien Mercier, Martin Riopel, Patrice Potvin et Patrick Charland (Université du Québec à Montréal)
D’un point de vue du modelage cognitif, le fonctionnement cérébral peut être conçu comme une architecture comportant plusieurs niveaux ou « couches » (Anderson, 2001). Chacun de ces niveaux comporte des mécanismes qui réalisent des opérations particulières. Ces niveaux maintiennent la stabilité de l’architecture par un système de contraintes séquentielles intra- et inter-niveaux. Ainsi, une telle vision du fonctionnement cognitif commande l’étude de ces contraintes séquentielles. L’analyse séquentielle est une méthode statistique visant expressément l’étude de ces contraintes. Le but de cette présentation est donc de montrer comment l’analyse séquentielle peut être mise à profit dans des études en éducation comportant des données neurologiques. Des exemples empiriques novateurs seront discutés.
10h30 - Pause
SESSION 2 - DEVIS DE RECHERCHE PORTANT SUR L’ÉTUDE DU SYSTÈME NERVEUX PÉRIPHÉRIQUE
Président de séance/animateur : Julien Mercier
11h00
Électrooculographie : outil d’intégration de l’esprit, du cerveau et du comportement en neuroscience de l’éducation
Stephen R. Campbell, Olga V. Shipulina et O. Arda Cimen (Simon Fraser University)
Une des manières permettant d’explorer les liens entre les données audiovisuelles d’observations directes et les données physiologiques indirectes est le suivi du comportement oculaire, ce dernier pouvant être observé par électrooculographie (EOG). Cet article rend compte du rôle potentiel et de l'importance de l'EOG en neuroscience de l'éducation. L’EOG permet des mesures précises du comportement oculaire (ex. : clignotements et mouvements) en enregistrant les changements dans le potentiel de tension généré par les comportements oculaires. Nous identifions, démontrons et discutons ici de trois principales applications méthodologiques de l'EOG. Premièrement, l’EOG fournit une fenêtre sur les fonctions cognitives. Deuxièmement, cette méthode est utilisée pour atténuer les artéfacts liés aux mouvements des yeux en électroencéphalographie. Troisièmement, l’EOG est un moyen utile pour calibrer l'activité discrète du cerveau avec des comportements manifestes dans le cadre de recherches en neuroscience de l'éducation, sur la cognition et l'apprentissage. Nous présentons ici un aperçu des deux premiers domaines d'application, et nous illustrons le troisième type d’application par un exemple de données capturant un « moment eurêka », un élément de notre recherche dans le domaine de la résolution de problèmes mathématiques.
11h30
La réaction émotionnelle d’apprenants en contexte d’apprentissage actif : une perspective neurophysiologique
Pierre-Majorique Léger (HEC Montréal), Patrick Charland (Université de Québec à Montréal), et Julien Perret (HEC Montréal)
La communication présente les résultats d’une recherche préliminaires sur les réactions émotionnelles d’apprenants adultes placés en situation de formation en technologies de l’information.. L’activité électrodermale (electrodermal activity - EDA) de 4 apprenants a été enregistrée en continu lors d’une session de formation s’étalant sur deux (2) journées. L'activité électrodermale est une activité électrique biologique enregistrée à la surface de la peau qui reflète l’activité du système nerveux autonome et, par conséquent, entre autres, de sa réponse émotionnelle. Au cours de cette formation, diverses stratégies pédagogiques ont été utilisées pour éliciter des émotions auprès des apprenants. Les émotions jouant un rôle prépondérant dans la plupart des théories de la motivation, le projet de recherche visait à tester l’hypothèse que les stratégies pédagogiques stimulant un apprentissage actif sont susceptibles d’être plus engageantes et devraient donc mener à une plus importante réaction émotionnelle. Les données préliminaires, bien que limitées à quatre (4) sujets, suggèrent que la réaction émotionnelle des apprenants est significativement plus importante dans un jeu de simulation que dans une discussion de groupe, de même que lors d’un exposé magistral classique. Le projet de recherche vise éventuellement à évaluer ces mesures d’EDA avec des mesures, en cours d’analyse, d’électroencéphalographie dans l’apprentissage d’une technologie de l’information.
12h00
Méthodologie vibroacoustique et seuil de réactivité
Claude Breault (TELUQ), Julie Contant (Université Laval) et Michel Umbriaco (TELUQ)
En imagerie médicale, le signal BOLD (« blood oxygen level-dependent ») a été significativement corrélé à la conductance électrodermale et plus particulièrement au réflexe d’orientation (RO). Ce dernier joue un rôle sur le plan de l’apprentissage et des processus mémoriels mais il est également très utile pour quantifier les différences individuelles. Or, les stimuli de nature visuelle et auditive ne produisent pas des RO suffisamment robustes pour quantifier ces différences. Afin de combler cette lacune, une méthodologie utilisant la stimulation vibroacoustique a été utilisée avec succès sur l’amplitude du RO et surtout a permis de mettre à jour les seuils de réactivité individuelle avec précision. Ces seuils sont importants en éducation puisqu’ils pourraient être mis en relation avec la réactivité cérébrale, le niveau de stress et la performance académique. Les résultats de notre étude démontrent que le déclenchement du RO est indissociable d’un seuil vibroacoustique. Par conséquent, les corrélations positives mises à jour dans la littérature entre les mesures BOLD et RO indiquent que le signal BOLD pourrait être aussi dépendant de ces seuils et que la mesure vibroacoustique serait indispensable dans les études d’imagerie cérébrale.
12h30 – Dîner
SESSION 3 - DEVIS DE RECHERCHE PORTANT SUR L’ÉTUDE DU SYSTÈME NERVEUX CENTRAL
Président de séance/animateur : Martin Riopel
14h00
Les filles et la physique au collégial: l'impact du choix de contenu et de contextes entourant la résolution de problème en physique sur l'engagement cognitif et l'état émotionnel
Geneviève Allaire-Duquette (Université du Québec à Montréal)
La sous-représentation des filles en physique à l'université constitue un enjeu dans plusieurs pays. (Zohar et Bronshtein, 2005) Afin d'identifier les stratégies pédagogiques améliorant l’attitude des étudiants envers la physique, et particulièrement celle des filles, le projet de recherche propose de comparer l’engagement cognitif et l'état émotionnel de filles et de garçons dans des situations d’enseignement-apprentissage. D'abord, un électroencéphalographe évaluera l'engagement cognitif des sujets lors d'une tâche de résolution de problème. (Russo, Schmorrow et Thomas, 2006) En effet, il existe de nombreuses preuves démontrant que l'amplitude des ondes alpha (7,5-13 Hz) enregistrées sur le scalp renseigne sur les mécanismes neurophysiologiques individuels relatifs au traitement de l’information. (Klimesch, Schimke et Pfurtscheller, 1993; Lebedev, 1990) De plus, l'état émotionnel des sujets sera mesuré par la « Galvanic Skin Response » qui fournit une représentation relativement directe et inaltérée de l'activité du système nerveux sympathique. (Dawson, Schell et Filion, 2007) L'échantillon de convenance constitué sera composé d'une dizaine d'apprenants des deux sexes dont le niveau de réussite scolaire est comparable. L'objectif principal étant moins de prétendre à une généralisation des résultats, mais plutôt de suggérer de nouvelles pistes de recherches et d'optimiser la méthodologie de mesures électroencéphalographiques dans un contexte d’enseignement-apprentissage.
14h30
Étude du trouble déficitaire de l’attention à l’aide de l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle
Hélène Poissant (Université du Québec à Montréal), Adrianna Mendrek (Université de Montréal) et Noureddine Senhadji
Dans une étude pilote préliminaire, nous avions trouvé qu'une tâche d’anticipation suscitait des activations du cortex préfrontal dorsolatéral chez les sujets atteints d'un trouble déficitaire de l'attention (TDAH) et des régions orbitofrontales et du cortex cingulaire antérieur chez les sujets contrôles. Nous avions aussi trouvé d’autres activations au niveau des cortex temporal et pariétal chez le groupe TDAH. Notre objectif est de poursuivre notre étude avec une plus grande puissance statistique afin de déterminer les zones d’activation cérébrales chez les enfants avec un TDAH et sans TDAH lorsque ceux-ci ont à effectuer des tâches requérant de faire de l’anticipation. Les 43 participants répartis en deux groupes équivalents pour l’âge et le quotient intellectuel devaient identifier à l’intérieur de 56 petites histoires, celles contenant une incohérence (condition INC) et répondre « non » pour cette condition afin d’obtenir un bon score (score = 1). La condition INC et la condition CO (histoires cohérentes) étaient présentées selon un design par blocs. Les résultats en cours de traitement viendront (ou non) confirmer nos premiers résultats pilotes au niveau des activations cérébrales et des données comportementales. De plus, nous nous intéresserons à voir si un contrôle serré pour les facteurs de l’âge et de l’intelligence a un effet au niveau des activations cérébrales et des données comportementales.
15h00
Étude des mécanismes cérébraux associés à l’expertise scientifique
Steve Masson, Patrice Potvin, Martin Riopel et Lorie-Marlène Brault Foisy (Université de Québec à Montréal)
Dans le but d’identifier les régions cérébrales liées à l’expertise scientifique, nous avons demandé à 11 experts et à 12 novices en sciences de répondre à des questions dans un appareil d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle. Les participants avaient pour tâche de dire si certains circuits électriques étaient scientifiquement corrects ou incorrects. Trois types de circuits étaient présentés : des circuits naïfs (conformes à une conception erronée selon laquelle un seul fil est suffisant pour allumer une ampoule), des circuits scientifiques (scientifiquement correct) et des circuits de contrôle (dans lesquels les ampoules allument même lorsque les fils sont brisés). Les questions étaient présentées aléatoirement en deux séries équivalentes selon un design de type événementiel. En tout, 20 circuits naïfs, 20 circuits scientifiques et 20 circuits de contrôle ont été présentés à chacun des participants. Après avoir effectué la correction pour le mouvement, les images ont été normalisées puis lissées selon une fonction gaussienne d’une largeur de 8 mm à la moitié de la hauteur maximale. Un test t (p < 0,001) réalisé à l’aide d’une analyse de second niveau (à effets aléatoires) a relevé que différentes régions du lobe frontal habituellement associées à l’inhibition sont plus activités chez les experts que chez les novices en sciences lors de l’évaluation de circuits électriques naïfs.
15h30 - Pause
16h00
Devis de recherche sur le rôle du doute dans l’apprentissage des sciences
Élaine Turmel, Patrice Potvin, Steve Masson et Martin Riopel (Université du Québec à Montréal)
L’étude décrite ici vise à identifier les mécanismes cérébraux impliqués dans la réalisation de tâches en électricité associées à l’expression d’un doute ou d’une certitude. Pour identifier ces mécanismes, 24 participants novices en sciences, droitiers, âgés de 18 à 20 ans et sans prédisposition à l’anxiété ont été recrutés dans les cégeps de Montréal. Dans un appareil d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle, des questions leur sont présentées sous forme d’images représentant des circuits électriques. À chaque question, les participants indiquent leur réponse parmi un choix de quatre options : (1) « le circuit est incorrect, mais je ne suis pas certain », (2) « le circuit est incorrect et je suis certain », (3) « le circuit est correct et je suis certain » et (4) « le circuit est correct, mais je ne suis pas certain ». Ces quatre réponses sont possibles autant dans le cas où le circuit est scientifiquement correct que dans celui où il est scientifiquement incorrect, ce qui crée les 8 conditions expérimentales. Parmi les résultats anticipés, nous pensons que l’incertitude devrait mobiliser davantage que la certitude les structures préfrontales droites du cerveau, en particulier le cortex préfrontal dorsolatéral ainsi que le cortex cingulaire.
16h30
Le patron d’observation en imagerie médicale : l'interprétation radiologique
Julie-Marthe Grenier (Université du Québec à Trois-Rivières)
L’interprétation d’image médicale est une composante de la pratique des professionnels de la santé. L’imagerie diagnostique requière de voir, distinguer, trier, et conclure suite à l’observation d’une image. L’apprentissage de cet art n’est ni systématisé, ni uniformisé. L’étudiant est souvent placé devant une étude devant répondre à la question suivante : quel est le diagnostic? Certains regardent partout en espérant qu’un élément apparaissent miraculeusement, d’autre isolent les structures une à la fois, sans regarder l’ensemble. Il peut y avoir des artéfacts, des variantes non-significatives, une ou plusieurs pathologies indépendantes ou rien du tout. Le taux de succès est variable et les conséquences peuvent être graves. Quelle est donc la principale différence entre le patron d’observation d’étudiants et des praticiens expérimentés (car il y a définitivement des différences d’efficacité et de résultats)? La présence d’une anomalie évidente perturbe le patron d’observation de quelle façon? Qu’est-ce qui amène un observateur à décider que l’étude est terminée. Les techniques traditionnelles peuvent être utilisés : entrevues, traçage oculaire, mais la fantaisie ultime reste d’étudier l’utilisateur avec son propre outil. L’utilisation de l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) soulève par contre de nombreux défis pour ce type de recherche et ils seront abordés dans le cadre de cette présentation.
17h00
Validation neurodidactique des variables prédictives principales d'un modèle basé sur des résultats internationaux
Martin Riopel, Patrice Potvin, Steve Masson, Julien Mercier et Patrick Charland (Université du Québec à Montréal)
Des travaux en cours ont permis de proposer un modèle prédictif de la difficulté de tâches d'évaluation basé sur les résultats d'enquêtes internationales en sciences. Parmi toutes les variables prédictives considérées dans le modèle, les plus significatives établissent un lien statistique entre l'inhibition de conceptions inappropriées et la réussite des tâches. La puissance statistique de ce lien dans un contexte international à grande échelle permet d'envisager qu'il puisse servir à mettre en évidence les mécanismes cérébraux qui sous-tendent le modèle prédictif de la difficulté des tâches d'évaluation en sciences. L'originalité de cette recherche repose sur la combinaison de la plus grande puissance statistique possible (plus de mille tâches administrées à plusieurs centaines de milliers d'élèves) à la plus avancée des technologies disponibles (l'imagerie cérébrale) pour sonder en profondeur la dynamique des difficultés scolaires en sciences. Pour ce faire, il faudra concevoir un ensemble de tâches et un protocole d’expérimentation convenant à la fois au modèle prédictif développé pour les tâches des enquêtes internationales et aux contraintes inhérentes à l’IRMf. Ensuite, 48 sujets seront recrutés pour valider ces tâches et les expérimenter en IRMf. Enfin, l’analyse des images obtenues permettra d’établir un lien statistique possible entre les états de deux prédictives identifiées et l’activation relative de certaines régions cérébrales.
17h30 – Mot de clôture
Responsables du colloque
Steve Masson et Martin Riopel