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# CHAPITRE 1: | [
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## NOTIONS FONDAMENTALES SUR LE CERVEAU | [
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### DANS CE CHAPITRE - Anatomie du cerveau et du système nerveux - Le neurone - Neurotransmetteurs et neuromodulateurs | [
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### Anatomie du cerveau et du système nerveux Le cerveau constitue le centre de contrôle du corps humain, il gère tout ce que nous faisons. Que l'on soit en train de penser, de rêver, de faire du sport, ou même de dormir, le cerveau y prend part d'une façon ou d'une autre. C'est un exemple d'ingénierie organisée en dif... | [
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### Cartographier le cerveau L'encéphale représente la partie majeure du cerveau humain et est associé à des fonctions supérieures comme le contrôle des comportements volontaires. Penser, percevoir, planifier, et comprendre un langage, toutes ces fonctions sont sous le contrôle des hémisphères cérébraux. Le télencéphal... | [
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Le lobe occipital prend part dans l'information visuelle y compris dans la reconnaissance des formes et des couleurs. Le lobe temporal joue un rôle dans l'encodage des informations auditives et dans l'intégration des informations provenant des autres modalités sensorielles. Les neurobiologistes pensent également que le... | [
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Le mésencéphale comprend également des îlots de neurones éparpillés dans le système nerveux central jouant un rôle important dans les mécanismes de récompense et dans l'humeur. Le rhombencéphale comprend le pons et le bulbe rachidien. Cette structure permet le contrôle du rythme respiratoire, de l'activité cardiaque et... | [
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# Système nerveux central et périphérique Le cerveau antérieur, le mésencéphale et la moelle épinière forment le système nerveux central (SNC). L'encéphale est protégé par la boîte crânienne tandis que la moelle épinière qui mesure environ 43 cm de long est protégée par la colonne vertébrale. Le système nerveux périphé... | [
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# Le neurone Les messages nerveux sont transportés au travers du système nerveux par des unités individuelles appelées neurones. Le neurone est l'unité de travail de base du cerveau. C'est une cellule spécialisée conçue pour transmettre l'information à d'autres cellules nerveuses, cellules musculaires et cellules gland... | [
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Les cellules gliales jouent de nombreux rôles : les chercheurs savent depuis longtemps que les cellules gliales transportent les nutriments aux neurones et nettoient les débris cellulaires. De nombreuses études récentes mettent en évidence d'importants nouveaux rôles des cellules gliales dans les fonctions cérébrales d... | [
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La fixation du neurotransmetteur entraîne l'ouverture d'un canal associé au récepteur, ce qui altère le potentiel de membrane de la cellule et peut aboutir à une réponse de la cellule cible comme le déclenchement d'un potentiel d'action, la contraction d'un muscle, l'activation d'une activité enzymatique ou l'inhibitio... | [
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## Neurotransmetteurs et neuromodulateurs Il existe une grande variété de neurotransmetteurs et de récepteurs associés. Ce chapitre fait l'inventaire des principaux neurotransmetteurs et neuromodulateurs, composés chimiques qui sont à la base de l'ensemble des activités du cerveau. | [
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## Acétylcholine L'acétylcholine (ACh) est le premier neurotransmetteur à avoir été identifié il y a environ 80 ans. Cette molécule est libérée par les neurones connectés aux neurones qui contrôlent les battements du cœur et les muscles volontaires, les faisant ainsi se contracter. L'ACh est également un neurotransmett... | [
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## Acides aminés Les acides aminés sont des molécules présentes dans tout l'organisme servant de briques à la synthèse des protéines. Certains acides aminés peuvent aussi agir comme des neurotransmetteurs dans le cerveau. Les neurotransmetteurs © 2013 Society For Neuroscience & Société des Neurosciences Notions fon... | [
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Une autre famille de récepteurs du glutamate, les récepteurs NMDA (N-methyl-d-aspartate) participent à la plasticité synaptique et sont de ce fait impliqués dans des activités allant de l'apprentissage et la mémoire à la maturation et à la spécification des contacts neuronaux dans le cerveau en développement. En revanc... | [
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# Catecholamines Le terme catecholamines comprend les neurotransmetteurs dopamine, adrénaline et noradrénaline. La dopamine et la noradrénaline sont très abondantes dans le cerveau et le système nerveux périphérique. La dopamine est présente dans trois principaux circuits cérébraux. Le circuit dopaminergique a été dire... | [
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C'est pourquoi les chercheurs pensent que la noradrénaline jouerait un rôle dans l'apprentissage et la mémoire. La noradrénaline est également sécrétée par le système nerveux sympathique dans tout l'organisme pour réguler le rythme cardiaque et la pression artérielle. Un stress aigu augmente la libération de noradrénal... | [
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# Sértonine Ce neurotransmetteur est présent dans le cerveau et dans d'autres tissus, en particulier dans les plaquettes sanguines et dans la paroi du système digestif. Dans le cerveau, la sértonine a été identifiée comme étant un facteur clé dans la qualité du sommeil, l'humeur, la dépression et l'anxiété. Puisque la ... | [
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# Peptides Les peptides sont de courtes chaînes d'acides aminés synthétisés dans le corps cellulaire du neurone. En 1973, des scientifiques ont découvert des récepteurs aux opiacés dans des neurones de différentes régions du cerveau, suggérant que le cerveau doit fabriquer des substances très similaires à l'opium. Un p... | [
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# Facteurs trophiques Différentes petites protéines dans le cerveau agissent comme des facteurs trophiques, substances nécessaires pour le développement, la fonction et la survie de groupes spécifiques de neurones. Ces petites protéines sont synthétisées dans les cellules nerveuses, libérées localement dans le cerveau,... | [
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# Hormones En plus du système nerveux, le système endocrine est un système de communication majeur de l'organisme. Bien que le système nerveux utilise les neurotransmetteurs comme signal chimique, le système endocrine utilise les hormones. Le pancréas, les reins, le cœur, les glandes surrénales, les gonades, la thyroïd... | [
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Les hormones thyroïdiennes et stéroïdes se fixent à des récepteurs protéiques qui, à leur tour, se fixent à l'ADN et régulent la fonction de gènes. Ceci peut résulter en des changements à long terme de la structure et des fonctions cellulaires. Le cerveau possède des récepteurs pour plusieurs hormones ; par exemple, l'... | [
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Chez les hommes comme chez les femmes cela cause la libération dans le sang de deux hormones la FSH (follicle-stimulating hormone) et la LH (luteinizing hormone). Chez les femmes, ces hormones agissent sur les ovaires pour stimuler l'ovulation et favoriser la libération des hormones ovariennes œstradiol et progestérone... | [
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Cela inclut des différences de taille et de formes des structures cérébrales dans l'hypothalamus et le réarrangement des neurones dans le cortex et l'hippocampe. Les différences de sexe vont au-delà des différences de comportements sexuels et reproductifs et affectent différentes régions du cerveau et leurs fonctions. ... | [
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## Gaz et autres neurotransmetteurs inhabituels Certains gaz (acide nitrique et monoxyde de carbone) constituent une nouvelle classe de messagers neuronaux mais n'agissent pas comme les autres neurotransmetteurs. Etant des gaz, ils ne sont stockés dans aucune structure de stockage des neurotransmetteurs classiques. À l... | [
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## Working in tandem with the rest of the nervous system, the brain sends and receives messages, allowing for ongoing communication mie cérébrale, les dommages neuronaux suivant l'ischémie pourraient être, entre autres, imputables à l'oxyde nitrique. | [
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## Messagers lipidiques En plus des gaz qui agissent rapidement, le cerveau synthétise également des signaux à partir des lipides contenus dans les membranes. Les prostaglandines sont synthétisées par une enzyme appelée cyclooxygénase. Ces petites molécules à durée de vie très courte possèdent des effets puissants, inc... | [
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## Seconds messagers Après l'action des neurotransmetteurs sur leurs récepteurs, une communication biochimique est alors possible dans la cellule. Les substances qui déclenchent cette communication sont appelées seconds messagers. Les seconds messagers relient l'activation de certains récepteurs de la membrane cellulai... | [
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Les systèmes de communication intrinsèques du cerveau et du système nerveux commencent à se développer environ trois semaines après le début de la gestation. Le chapitre 2 abordera la façon dont ce processus se déroule et son importance pour comprendre certaines pathologies. Traduction : Sabine Fièvre & Christophe ... | [
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# La cognition : l'approche des Neurosciences Cognitives | [
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## Sommaire 1. Introduction...1 1.1. Le cerveau, un record de complexité ?...2 1.2. Approches pluridisciplinaires de la Cognition...3 2. Panorama des grandes fonctions sensorimotrices et cognitives...5 2.1. Organisation générale du système nerveux...5 2.1.1. Niveau micro...5 2.1.2. Niveau macro...7 2.2. Les grandes fon... | [
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# 1. Introduction Si des actes aussi banals qu'apprécier un tableau dans un musée, saisir un objet, se rappeller un rendez-vous semblent être effectués « instantanément », sans même y penser, ces actes élémentaires impliquent en réalité au niveau neurophysiologique une cascade d'opérations allant des plus élémentaires ... | [
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Cette approche a cependant contribué à proposer de nouvelles problématiques de recherches tout à fait pertinentes au regard des études actuelles sur les mécanismes régissant le comportement humain. Ces deux grands courants de recherche – la neurobiologie et l'intelligence artificielle – ont permis d'enrichir les connai... | [
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## 1.1. Le cerveau, un record de complexité ? Un cerveau humain pèse environ $1500\,\mathrm{g}$, soit environ $2\%$ de notre masse corporelle, et possède un surface de $4000\,\mathrm{cm}^2$ si on le dépliait sur une surface plane. Son principal composant responsable du traitement de l'information interne, le neurone, p... | [
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Sur le plan temporel, les constantes rencontrées demeurent surprenantes : on réagit à un signal douloureux en moins de $80\,\mathrm{ms}$, on détecte des cibles auditive et visuelle en à peu près 100 et $150\,\mathrm{ms}$ respectivement, on reconnaît un mot écrit en environ $600\,\mathrm{ms}$. Plus généralement, le cerv... | [
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Pitrat, dans son ouvrage *De la machine à l'intelligence*, souligne bien les lignes directrices. Si ces deux systèmes sont capables de réaliser un certain nombre de tâches complexes, le cerveau apparaît bien plus qu'un simple outil de manipulation de symboles : il constitue le support de nos actions, de nos connaissanc... | [
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## 1.2. Approches pluridisciplinaires de la Cognition On peut distinguer trois hypothèses de travail principales dans l'approche de la cognition en sciences cognitives : (1) une thèse représentationnaliste, qui vise à naturaliser les représentations ; (2) une thèse computo-représentationnaliste, selon laquelle les proc... | [
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La perception est nécessairement multisensorielle, en raison de la convergence d'informations issues des capteurs proprioceptifs – qui renseignent sur l'état interne du sujet, et de capteurs extéroceptifs – modalités visuelle, auditive, tactilo-kinesthésique, assurant la prise d'informations dans l'environnement extern... | [
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# 2. Panorama des grandes fonctions sensorimotrices et cognitives | [
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## 2.1. Organisation générale du système nerveux Dans l'étude du fonctionnement du cerveau, les chercheurs s'intéressent à différents niveaux d'organisation : modélisation théorique, études comportementales, enregistrement de l'activité cérébrale globale (imagerie cérébrale : EEG, MEG, PET-Scan, IRMf), enregistrement d... | [
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## 2.1.1. Niveau micro On distingue principalement deux types de communication à l'intérieur du cerveau : une communication chimique, via le système hormonal, et une communication électrique, via le système nerveux. L'interaction de ces deux systèmes accroît bien évidemment la complexité des communications internes au ... | [
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### Le neurone biologique Le neurone est une cellule constituée d'un corps cellulaire (« unité » principale), d'un axone (« organe » de sortie) et de dendrites (« organes » d'entrée) (cf. figure 2). Son mode de communication principal est la décharge électrique (i.e. le potentiel d'action) qui se propage, de manière sa... | [
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# Le neurone formel L'étude du neurone biologique a donné lieu à de nombreux modèles de neurones formels, plus ou moins plausibles sur le plan neurophysiologique. On retiendra principalement l'une des premières formalisations mathématiques du neurone, celle d'un neurone formel concu comme une cellule à seuil et délivra... | [
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De nos jours, les modèles de réseaux de neurones intègrent les données de la neurobiologie, et s'inspirent beaucoup plus du fonctionnement du cerveau humain. Ils incluent donc des fonctions de transfert beaucoup plus sophistiquées, dépendantes de paramètres spatiaux et temporels, ainsi que des connexions récurrentes et... | [
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## 2.1.2. Niveau macro Si l'on se place du point de vue de l'observateur qui aurait sous les yeux un atlas du cerveau humain, comme dans la figure 4 (droite), un schéma très grossier de l'organisation fonctionnelle du cerveau en quatre grandes régions pourrait se décliner comme suit : - lobe frontal : raisonnement, pla... | [
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L'ensemble des structures corticales doivent donc davantage être conçues comme des carrefours stratégiques pour le traitement de certaines informations (internes ou externes²), plutôt que comme des centres exclusifs d'exécution d'une fonction. Enfin, remarquons que l'influx nerveux ne rencontre jamais de « cul-de-sac »... | [
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## 2.2. Les grandes fonctions biologiques | [
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### 2.2.1. Les systèmes sensoriels | [
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#### La perception comme acte de construction En dépit des apparences selon lesquelles l'interprétation de notre monde environnant semble aisée et univoque, l'acte de perception résulte de nombreuses étapes de traitement à l'issue desquelles l'objet perçu est moins une donnée instantanée que le fruit d'un acte de const... | [
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 Illustration 5 Latences neuronales pour le traitement visuel (Tiré de Thorpe & Fabre-Thorpe, 2001) La saisie des informations pertinentes de l'image visuelle est principalement médiée par le système attentionnel et les stratégies d'exploration oculaire de la scène perceptive. Comme l'illus... | [
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## Aspects neurophysiologiques A cet acte de construction de l'objet perceptif correspond, sur le plan neurophysiologique, une organisation fonctionnelle sous-jacente hiérarchique et distribuée. Les différentes informations sont traitées par des aires spécifiques du cerveau, et à l'heure actuelle on n'en dénombre pas m... | [
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Il existerait en fait deux grands sous-systèmes corticaux d'analyse de l'information sensorielle, chargés de traiter différentes caractéristiques de l'objet perçu. Une première voie serait dédiée à l'analyse des informations de position spatiale et de mouvement dans l'espace, et une autre voie serait spécialisée dans l... | [
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Cette complexité est également liée aux nombreuses boucles de rétroaction que chacune de ces aires forme en retournant des connexions vers les régions qui lui en ont envoyées. Ajoutons à cela que les modalités sensorielles ne semblent pas fonctionner de manière isolée l'une de l'autre, mais partagent des interactions f... | [
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## 2.2.2. Le système moteur | [
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### L'action à la base de nos comportements des plus élémentaires aux plus complexes Si l'on a décrit dans les paragraphes précédents l'organisation des systèmes perceptifs, ceux-ci ne fonctionnent pas comme des circuits isolés mais sont, au contraire, constamment placés sous la dépendance du contexte moteur dans leque... | [
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### Aspects neurophysiologiques Les structures cérébrales impliquées dans la motricité sont plus que nombreuses. En effet, même si le cortex moteur est habituellement associé à certaines aires spécifiques de la motricité (aire 4 ou aire motrice primaire, et aire 6 comprenant l'aire prémotrice et l'aire motrice suppléme... | [
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Par ailleurs, de nombreuses structures sous-corticales ou extra-corticales sont également impliquées dans la coordination, la planification et l'exécution des ordres moteurs, comme les ganglions de la base et le cervelet, qui communiquent avec les aires corticales via une structure de relais bien particulière : le thal... | [
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## Organisation de la réponse motrice On peut distinguer trois opérations principales dans le traitement de l'information nécessaire au déclenchement d'un mouvement volontaire. La première consiste à sélectionner une réponse adaptée à la situation dans un répertoire de réponses possibles. Cette réponse qui correspond à... | [
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## Schéma de contrôle des actes moteurs Les modèles actuels du contrôle moteur, très inspirés de la robotique, sont devenus très   Illustration 12: A gauche, schéma général du contrôle moteur (A) et bases anatomiques (B) (Tiré de Berthoz, 2003). A droite, modèle com... | [
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## 2.2.3. L'attention L'attention peut être définie comme la sélection et la facilitation locale et transitoire du traitement de l'information sensorielle liées à un stimulus, un signal déclencheur ou un effort volontaire. Elle semble impliquée comme « interface » inter et intra-modalitaire, du point de vue de : - la v... | [
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| Processus automatiques | Processus contrôlés | | --- | --- | | rapides | lents | | fonctionnent en parallèle (exécutables simultanément lors d'une activité contrôlée) | fonctionnement séquentiel | | pas de consommation des ressources attentionnelles | grande consommation des ressources attentionnelles | | difficileme... | [
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## Aspects neurophysiologiques Posner & Raichle (1994) ont proposé que le cortex pariétal, connu pour être impliqué dans les transformations sensorimotrices, la coordination des entrées en provenance de différentes modalités sensorielles, et plus généralement dans la représentation de l'espace, joue un role particu... | [
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## 2.2.4. La mémoire Par définition, la mémoire concerne les informations qui sont « stockées » dans le cerveau⁴. Dans son étude, on l'associe principalement aux capacités d'apprentissage et de récupération. Différents types de mémoire peuvent être considérés : la mémoire à court terme, ainsi que la mémoire de travail,... | [
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# Mémoire à court terme et mémoire de travail Un des modèles de la mémoire de travail qui a été le plus étudié est celui proposé par Baddeley. Il consiste en un processeur central, vraisemblablement situé dans le lobe frontal, qui coordonnerait l'activité de deux sous-systèmes esclaves : une boucle phonologique (acoust... | [
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## Mémoire à long terme Pour la mémoire à long-terme, on effectue la distinction entre la mémoire déclarative (« savoir quoi ») et la mémoire procédurale, ou réflexive (« savoir comment »), dont les principales caractéristiques descriptives, fonctionnelles et pathologiques sont résumées dans le tableau suivant : | Mémo... | [
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## Aspects neurophysiologiques **Hippocampe et système limbique.** L'hippocampe faciliterait l'association entre différentes régions corticales et différents types de stimulation (e.g. son et image). Cependant, l'intensité de ce couplage diminuerait avec le temps afin de ne pas saturer la mémoire de souvenirs inutiles ... | [
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respondent aux régions où les informations sensorielles qui sont à l'origine des souvenirs ont été reçues (le cortex occipital pour les souvenirs visuels, temporal pour les souvenirs auditifs, etc.). Les traces mnésiques ainsi « ancrées » au niveau cortical demeureront disponibles pour une récupération ultérieure, éven... | [
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## 2.2.5. Le langage La perception des mots écrits est à peu de choses près semblable à celle d'un objet non verbal, mais la différence majeure tient au fait qu'au mot est associée une signification particulière, c'est-à-dire sa représentation sémantique. Les mots entendus activent également une représentation sémantiq... | [
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## Du son au sens La compréhension du sens d'une phrase énoncée verbalement, ou d'une phrase lue, est le résultat de nombreuses étapes d'extraction des caractéristiques, ou traits, distinctifs du signal de parole, ainsi que du filtrage de configurations syntaxiques correctes. Le schéma ci-dessous illustre les différent... | [
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S'ajoutent à cela différents facteurs qui rendent compte de la complexité (et de la spécificité) du langage, comme la hauteur et l'intensité de la voix du locuteur, le rythme de la parole (i.e. les durées syllabiques), ainsi que la distribution des pauses. La figure 19 représente un modèle général d'accès au lexique : ... | [
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## Aspects neurophysiologiques Sur le plan neurophysiologique, les circuits impliqués dans la production et la compréhension du langage sont largement distribués dans le cerveau. Prenons l'exemple du circuit nerveux impliqué dans la prononciation d'une phrase lue. Après une première connexion dans le thalamus, la stimu... | [
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## 2.2.6. Les émotions L'émotion peut se définir comme la *perception consciente d'un état somatique particulier*, produit par l'activation de structures limbiques spécifiques, qui entraînerait en retour une activation du système somatosensoriel, ce qui expliquerait par exemple les effets « périphériques », ou physique... | [
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## Aspects neurophysiologiques Amygdale. L'amygdale est une structure cérébrale essentielle au décodage des émotions, et en particulier en qui concerne les événements potentiellement dangereux. Mais l'amygdale n'est pas la seule structure impliquée dans la détection de ce type d'information, et plusieurs autres régions... | [
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## Exemple du circuit de la peur L'information en provenance d'un stimulus externe atteint l'amygdale de deux façons différentes et complémentaires : par une route courte, rapide (quelques centaines de ms) mais imprécise, directement à partir du thalamus, et par une route longue, plus lente mais plus précise, qui empru... | [
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## 2.3. Une vue unifiée ? Comme on l'a vu dans les paragraphes précédents, la perception doit être vue comme un acte de construction, c'est-à-dire une sélection multi-critères et multi-échelles, qui se trouve instanciée par un ensemble de populations de neurones distribuées au travers du cerveau, fortement interconnect... | [
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Initialement proposé pour la perception, ce modele d'interactions bi-directionnelles pourrait s'appliquer plus généralement à l'ensemble des systèmes décrits ici, et permettrait d'assurer un codage optimal de l'information et une sortie comportementale adaptée à la situation. L'ensemble de ces opérations de traitement ... | [
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# 3. Des systèmes biologiques aux systèmes artificiels : quelques pistes de réflexion | [
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## 3.1. De la complexité comparée entre le cerveau et l'ordinateur Comme on l'a évoqué dans l'introduction, la comparaison entre ces deux systèmes de traitement de l'information que sont le cerveau humain et l'ordinateur ne va pas sans poser quelques soucis, et amener de nouvelles interrogations. A la lumière de ce qui... | [
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## 3.2. L'être humain comme système réflexif : connaissances et méta-représentations Selon certains philosophes, les causes du comportement résideraient dans des représentations internes, lesquelles seraient instanciées, c'est-à-dire inscrites physiquement dans la structure matéri- rielle cérébrale, comme des codes phy... | [
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## 3.3. Perspectives Ainsi, une double approche semble prometteuse : - comprendre le cerveau pour implémenter des modèles efficaces de systèmes artificiels, - étudier le fonctionnement des machines pour tenter de mieux comprendre le cerveau. Cette conception doit en partie au cognitivisme qui envisage la cognition arti... | [
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## Références Berthoz, A. (2003). *La décision*. Odile Jacob. Berthoz, A. (1997). *Le sens du mouvement*. Odile Jacob. Bloch, V. (1999). *Cerveaux et machines*. Hermès Kandel & Schwartz (2000). *Principles of Neural Sciences*. McGraw Hill. Lieury, A. (1997). *Manuel de psychologie générale*. Dunod. Pitrat, J. (1995... | [
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