Neuroscience : les petits repos qui aident le cerveau à apprendre de nouvelles choses

Pour apprendre quelque chose de nouveau, il faut pratiquer, pratiquer, pratiquer, dit le bon sens - cette idée que "c'est en gorgeant qu'on devient forgeron".

Mais une série d'études scientifiques ont montré que la pratique incessante n'est peut-être pas le moyen le plus efficace d'apprendre une nouvelle compétence : le cerveau a besoin de repos pour consolider les connaissances nouvellement acquises et les transformer d'un souvenir transitoire en un souvenir durable.

Et l'une des découvertes les plus récentes est que de courtes pauses entrecoupées d'une pratique d'activité entraînent des gains d'apprentissage importants : le cerveau profite de ces pauses pour repasser mentalement et très rapidement ce qu'il vient d'apprendre, renforçant ainsi la compétence nouvellement acquise.

Ces courtes pauses peuvent être particulièrement productives pour le cerveau de ceux qui pratiquent des mouvements nouveaux, répétitifs et minutieux, comme les athlètes ou les musiciens - ou même les patients qui tentent de retrouver des compétences perdues après un accident vasculaire cérébral (voir plus loin dans le rapport).

"Imaginez un scénario dans lequel une personne commence à apprendre à jouer une nouvelle chanson au piano. Nous avons découvert que, pendant les pauses, le cerveau répète une version 50 fois plus rapide des mouvements utilisés pour jouer la musique, encore et encore, ce qui renforce la connexion des neurones des zones associées à ce nouveau souvenir", explique à BBC News Brésil le chercheur brésilien Leonardo Claudino, l'un des coauteurs d'une étude sur le sujet menée par les National Institutes of Health (NIH) américains et publiée en 2021 dans la revue Cell Reports.

Dans cette étude, lui et d'autres chercheurs du NIH ont enregistré l'activité cérébrale de 33 volontaires droitiers alors qu'ils apprenaient à taper, sur un clavier, une séquence de chiffres avec leur main gauche.

Les volontaires devaient taper autant de séquences que possible pendant dix secondes, puis faire une pause de dix secondes.

Certains membres de la même équipe de recherche, dirigée par la scientifique Marlene Bönstrup, avaient déjà observé dans des études antérieures que, après les courtes pauses, les volontaires amélioraient la vitesse et la précision avec lesquelles ils tapaient des séquences numériques de ce type.

L'objectif était de comprendre ce qui se passe dans le cerveau pendant ce processus. Et, grâce à des examens de magnétoencéphalographie, les scientifiques ont pu observer les "répétitions" rapides que le cerveau faisait de ce qu'il venait d'apprendre.

"Et nous avons découvert que (la consolidation) se produit à une échelle de temps beaucoup plus rapide que ce que l'on croyait auparavant", souligne Leonardo Claudino.

"Une compétence de deux secondes commence à être répétée dans le cerveau à l'échelle de la milliseconde."En faisant ces "répétitions", le cerveau consolide ensuite l'apprentissage.

La voie de la mémoire dans le cerveau

Avant même d'étudier l'effet de ces courtes pauses, les scientifiques savaient déjà que le cerveau a besoin de repos pour consolider les souvenirs - en pratique, selon les connaissances scientifiques actuelles, il s'agit de transférer la mémoire de l'hippocampe, où sont conservés les enregistrements temporaires, vers des zones du néocortex, où se trouve la mémoire plus durable.

Mais jusqu'à ces découvertes récentes, on pensait que ce processus de consolidation ne se produisait que pendant le sommeil, lorsque le cerveau est plus libre de tout stimulus sensoriel externe.

Avec les nouvelles études, souligne Claudino, il est possible de constater que les souvenirs sont également consolidés presque simultanément avec la pratique - un processus qui semble être complémentaire à ce qui se passe pendant le sommeil.

Mais cela doit encore être confirmé par d'autres recherches.

"On ne sait pas grand-chose pour l'instant, et il est certain qu'ils sont (pause) physiologiquement différents. (...) Mais peut-être que le sommeil encode une expérience plus complète - tout le contexte (de ce souvenir), qui était là, à quoi ressemblait l'environnement. Alors que la pause rapide enregistre peut-être des détails plus infimes : la synergie entre les doigts lors de la frappe, le mouvement. Il s'agit d'une hypothèse que quelqu'un pourra étudier à l'avenir", réfléchit Leonardo Claudino.

Comment le mettre en pratique

Comment, dès lors, tirer un avantage pratique des connaissances scientifiques accumulées à ce jour ?

"Je vois une utilité plus directe lorsque je pense aux pratiques sportives ou aux performances musicales, qui impliquent des séances au cours desquelles l'athlète ou l'artiste va exécuter plusieurs fois le même mouvement", explique Claudino.

"Une leçon à retenir est la suivante : lorsque vous commencez à apprendre une nouvelle technique, évitez de vous entraîner jusqu'à l'épuisement, jusqu'à l'échec. Au lieu de cela, il est préférable de faire des pauses. La perfection sera atteinte plus rapidement si vous donnez à votre cerveau le temps de consolider (l'apprentissage), plutôt que de pratiquer sans arrêt en visant la perfection."

"Habituellement, nous apprenons une nouvelle technique en la répétant plusieurs fois - vous répétez, répétez, répétez, et il arrive un moment où vous connaissez déjà les séquences de mouvements qui produiront l'activité finale. L'idée est qu'au lieu de le pratiquer jusqu'à épuisement, vous le faites dix fois, par exemple, puis vous vous arrêtez et le refaites.

Le même raisonnement peut également guider les pratiques pédagogiques dans les écoles ou les universités.

"Dans un environnement d'enseignement, peut-être que l'enseignant, lorsqu'il introduit un concept fondamentalement nouveau, peut penser que la session d'apprentissage comprend déjà ces pauses. Il est important que l'élève ait ces périodes de repos, car son cerveau sera actif, malgré le repos - c'est notre découverte. Son hippocampe et son cortex effectueront ces changements, ce qui consolidera l'apprentissage récent", explique le chercheur.

Ce que l'on ne sait toujours pas avec certitude, c'est quelle est la durée idéale d'une pause pour la consolidation optimale d'un nouvel apprentissage.

"C'est l'un des défis de l'application pratique", déclare Claudino, précisant que cela peut également dépendre du type de compétence apprise et des caractéristiques individuelles de chaque praticien.

Mais dans les études du NIH, celles où les volontaires tapaient des séquences sur le clavier, les chercheurs ont observé que le gain d'apprentissage était plus important lorsque l'entraînement et les pauses avaient une durée similaire. Par exemple, dix minutes d'entraînement et dix minutes de pause.

Claudino souligne toutefois qu'il s'agit d'études contrôlées, réalisées en laboratoire, et que leurs conclusions ne sont donc pas nécessairement transposables à la vie réelle.

Comment faire une pause cérébrale productive ?

De même, comme les expériences se sont déroulées dans des environnements totalement contrôlés, il est difficile de trouver une "recette miracle" pour le type de pause le plus efficace pour aider le cerveau à apprendre.

Dans le cas des études en laboratoire, pendant la pause, chaque volontaire est resté immobile, sans taper sur l'ordinateur.

Dans la vie réelle, le chercheur suggère de laisser le cerveau se reposer un peu de ce qu'il est en train d'apprendre.

"Si la personne apprend à jouer une chanson, j'imagine que (la pause) consisterait à simplement arrêter de jouer, à penser à autre chose ou à ne pas réaliser une autre activité qui pourrait interférer avec celle-ci - par exemple, n'essayez pas d'apprendre une autre chanson lorsque vous faites une pause sur la première, car vous utilisez les mêmes régions et capacités", explique-t-il.

D'autres lignes de recherche ont également contribué à la science de l'apprentissage - et apportent des conclusions complémentaires qui peuvent aider à la consolidation des connaissances.

Dans une interview accordée à BBC News Brazil en 2020, la chercheuse en psychologie cognitive Barbara Oakley, auteur du livre Learning to Learn, a expliqué que le cerveau fonctionne de deux manières différentes, qui se complètent dans l'apprentissage : le mode focalisé (lorsque nous sommes attentifs à un exercice, un film ou le professeur, par exemple) et le mode diffus (lorsque le cerveau est détendu).

Selon Oakley, le cerveau doit passer du mode diffus au mode concentré pour apprendre efficacement. Détendre l'esprit - que ce soit en se promenant ou en changeant d'activité - contribue donc directement à améliorer l'apprentissage et la résolution des problèmes.

"Lorsque vous êtes bloqué sur un exercice de mathématiques, la meilleure chose à faire est de changer d'objectif et d'étudier la géographie. De cette façon, tu pourras faire des progrès lorsque tu reviendras aux mathématiques", suggère Oakley.

Patients victimes d'un AVC

Pour en revenir aux recherches de Leonardo Claudino, l'un des objectifs de l'étude de la consolidation de la mémoire pendant de courtes pauses est d'aider les personnes qui récupèrent leurs capacités après avoir subi une attaque cérébrale. Cela pourrait se faire, à l'avenir, en optimisant au maximum les séances de rééducation.

"Nous disposons désormais d'un marqueur biologique permettant de savoir quand le cerveau consolide la compétence et où cela se produit", explique le scientifique. "Nous pouvons penser à développer un système de surveillance pendant que la personne suit une thérapie d'ergothérapie ou une technique de neurostimulation ou de neuromodulation, (...) et faire en sorte que le système maximise les répétitions de la compétence."

Cette stimulation optimale du cerveau peut permettre à la réadaptation de produire des résultats plus rapides, explique Claudino.

"Nos résultats suggèrent qu'il pourrait être important d'optimiser le moment et la configuration des intervalles de repos lors de la mise en œuvre de traitements de réadaptation chez les patients victimes d'un accident vasculaire cérébral ou lors de l'apprentissage du piano chez des volontaires normaux", explique dans un communiqué Leonardo Cohen, MD, chef du laboratoire responsable de cette recherche au NIH.

Ce sont, pour l'instant, des domaines de recherche encore ouverts, ajoute Leonardo Claudino. L'important est de comprendre que, même pendant les périodes de repos, le cerveau ne cesse jamais d'apprendre.

"Ce qui va à l'encontre du bon sens, c'est que lorsque vous êtes arrêté, votre cerveau n'est pas arrêté. Nous sommes encore en train de comprendre ce phénomène, mais (pendant ces pauses) vous occupez votre cerveau avec moins de traitement de stimulus et de production de mouvements. Ensuite, vous lui donnez l'occasion de consolider ce qu'il a déjà appris."

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