Etat actuel des connaissances neuroscientifiques ... - Resodys

Dyscalculie mars 2010Etat actuel desconnaissancesneuroscientifiquesM. Habibhttp://www.resodys.orgSynopsis• Cerveau et calcul : un rapide historique de l'évolution desidées• À la recherche d'un modèle neuropsychologique : lemodèle du triple code de Dehaene et Cohen• L'IPS : un centre pour le "sens des nombres"?• Déficit de la représentation des magnitudes : uneexplication de la dyscalculie (Butterworth)• Le cerveau du dyscalculique : convergence de faitsmorphométriques et fonctionnels pour une dysfonction del'IPS• Deux illustrations expérimentalesSéméiologie des acalculies• Henschen (1919) : =« incapacité à réaliserdes opérations arithmétiques suite à unelésion focale du cerveau »• Gerstmann (1924) : lésion temporo-pariétalepostérieure gauche– Acalculie– Dysgraphie– Indistinction droite-gauche– Agnosie digitaleLa contribution d’H. Hécaen• Hécaen et al. (1961) : 3 questions principales :– la classification des troubles– La spécificité des désordres (langage?, gnosies?,intelligence?)– La localisation des lésions.• 183 patients : 3 groupes• Acalculie agraphique ou alexique• Acalculie spatiale (problèmes dans les calculs écrits,inversions, etc;..)• Anarithmétie : procédures du calculsyndrome de Gerstmann (1924)• acquis: lésion pariétale (gyrus angulaire) del ’hémisphère dominant => acalculie souvent associéeà d ’autres symptômes:– agraphie, désorientation G-D, agnosie digitale, apraxieconstructive• développemental (y compris dans syndromegénétique : X-fragile)• signes repérés par Rourke chez dyscalculiques sansdyslexie associée1

Gerstmann développemental• Kinsbourne & Warrington (1963) : syndrome deGerstmann développemental– le plus souvent incomplets,– en majorité lésions précoces– Ecart QIP/QIV > 15 points aux dépens du QIP• Nelson & Warrington (1974)– Faiblesse significative du QIP– Altération codes, arrangement et empan– + retard significatif en orthographe et en calcul2

A la recherche d’un modèleneuropsychologique• Warrington (1982) : 1 patient : déficit limitéaux faits arithmétiques (calculs simples)• Ferro & Botelho (1980) : 2 patients pbcompréhension des symboles des opérations• Deloche et Seron (1983) :difficultés depatients aphasiques dans les codesnumériques verbaux et arabesModèle général de Mc CloskeySYSTÈME SÉMANTIQUESystème decompréhension desnombresSystème de productiondes nombresSystème de calculNombresverbauxNombresarabesidemMots et symboles de l’opérationRecherche de faits arithmétiques(tables, calculs simples)TraitementlexicalTraitementsyntaxiqueExécution des calculs écrits et mentauxCode verbal oral/katOrz/Code verbal écrit« quatorze »Code arabe14Batterie d’examen clinique de chaque code et dechaque transcodageS. Dehaene : les bases cérébralesde l’intuition numérique• Acalculie après lésion cérébrale– un homme de 60 ans (AVC pariétal droit) :difficultémajeure dans les soustractions : 3-1=? : 7– À l’oral comme à l’écrit, en production ou en choixmultiple– Idem pour tests de comparaisons : 6 est plus petit que 5;le nombre qui tombe entre 2 et 4 = 6• Imagerie fonctionnelle :IRMf– Problèmes d’approximation : 2+1 = 4 ou 9?– Problèmes de calcul exact : 2+1 = 3 ou 5?2 cas « d’anarithmétie »Cas 1 : lésion sous corticale gauche- empan 4/3- déficit dans les faits arithmétiques (9 x 8 = (10 x 8) – 8).-10% d’erreurs en soustractionCas 2 : lésion pariétale inférieure droite, synd de Gerstmann(gaucher)-empan 5/2-40% erreurs en multiplications-70% erreurs en soustractionsCcl : a left subcortical network contributes to the storage and retrieval of roteverbal arithmetic facts, while a bilateral inferior parietal network is dedicated to the mentalmanipulation of numerical quantities.3

1) Déficit du ‘système verbal’Déficit multiplication > soustractionApproximations ; intactesNormalité du traitement desnumérosités non symboliquesDéficit soustraction > multiplicationApproximations ; sévèrement ralentiesAltération associée de subitizing ettâches de comparaisons numériques2) Déficit du système des‘quantités’Lésion périsylvienne gauche : aphasie, pas de tr spatialAcalulie verbale atteinte multipl et divis > soustracet addition (préserv manipul des quantités)Opposé du Gerstmann : respect du sillon intra-pariétal- représentation visuelle arabe: voies visuelles ventralesbilatérales- représentation verbale: aires classiques du langage- représentation de la magnitude: jonction pariéto-occipitotemporalebilatérales4

Effet de distance : le temps deréaction pour décider lequel de deuxnombres est le plus grand décroîtavec la distance entre les deuxnombresExpériences d'habituation chezle nourrisson : des enfants de 6mois sont capables de distinguer16 de 32, mais pas 16 de 24Apprentissage de la sériationchez le singe : le tempsnécessaire au singe pour appuyersuccessivement sur des touchesreprésentant des numérositéscroissantes est proportionnel auratio de numérositéContinuité ontogénétique et phylogénétique dans les mécanismes de basede la représentation des magnitudesTraitement de la quantité chez leshumains et primates non humainsQuestion : y a-t-il une activationautomatique (implicite) de lareprésentation des quantités?Zone activée en commun par leschiffres vus ET entendusComparaison moins orientation=Activation par. sup. gaucheOn présente au sujet chiffres, lettres oucouleurs sous une des deux modalités, ildoit appuyer le plus vite possible sur unetouche pour une cible donnée (chiffre,lettre ou couleur)5

Ligne numérique mentale:• Orientée de gauche à droite• Logarithmique1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11-20 21-30 31-40 101-200 201-300301-4001001-20002001-30003001-4000... ... ... ... ...Petits nombresGrands nombresActivation des représentationsanalogiques des nombres proches21 22 23 24 25 26 27 28 29--> effet de distanceIRM fonctionnelle suggère l'implication de l'IPS dans le traitement desmagnitudes : l'activation pariétale est négativement corrélée à ladistance numérique dans une tâche de comparaison de nombresPremière conclusionPinel, P., Dehaene, S., Riviere, D. & LeBihan, D.Modulation of parietal activation by semantic distance in anumber comparison task. Neuroimage 14, 1013-1026(2001).• Il semble donc bien exister dans le cortex pariétal humain (sillonintrapariétal) un module spécialisé dans le traitement de la magnitude• Son fonctionnement serait assimilable à l'activation d'une "lignenumérique mentale" orientée de gauche à droite, ayant une allurelogarithmique dont le fonctionnement est illustré par l'effet de distance• Il n'est pas encore bien clair si cette spécialisation concerne lamagnitude en général ou le cas particulier des nombres• L'IPS a également d'autres fonctions non numériques, en particulierdans le traitement de l'attention spatiale et non spatiale, et par sesconnexions avec le cortex frontal supérieur, dans les fonctionsexécutives en généralUn dyscalculique prototypique :Charles W (B. Butterworth)• Charles W– Degree in psychology; postgraduate qualifications;always very bad at maths at school; finds shoppingextraordinarily difficult. Takes 4-5 times as long asnormals adding single digits; cannot subtract two digitnumbers. Always calculates on his fingers (whichmakes multiplication hard).CANONICALSubitizing (1-4) Counting (6-9)– Compensated dyslexicRANDOMButterworth, B. (1999). The mathematical brain. London: Macmillan.6

6 5 2 9Stroop conditions8 7TâcheNeutre(12)Numérique 3 6Physique 3 3Congruent(12)Incongruent(12)3 6 3 63 6 3 62 différences de taille numérique : 1 (ex2;3) et 5 (ex 7;2)2 différences de taille physique : 0,3/0,5 cm et 0,6/1cmRéponse : appuyer sur la touche du côté du plus grand nombre70006000Charles vs controls: dot enumerationCharles vs controls: number comparisonDistance effect50007203400RT ms4000300020001000Charles RandCont. RandCharles Can.Cont. CanRT ms700680660640620600580560ControlsRT ms320030002800260024002200Charles01 2 3 4 5 6 7 8 9 10Number of dots5401 2 3 4 5 6 7 8Distance20001 2 3 4 5 6 7 8Distance7

Number stroop. Charles vscontrols700680660305030002950?RT ms640620ControlsRT ms290028502800Charles600275058027005602650Congruent Incongruent NeutralCongruent Incongruent NeutralConditionConditioninterférencefacilitation8

Globalement les dyscalculiques et mixtes secomportent de manière similaire et notablementdifférente des dyslexiques et des témoins : contreles théories suggérant différents sous-groupes dedyscalculiquesDeuxième conclusionPente plus abrupte chez dyscalculiques et doubles déficits :pas de stratégie de subitizing + comptage des petites quantités"We suggest that lack of understanding of numerosity, and a poor capacity to recognizeand discriminate small numerosities—as revealed in performance on dot tasks—mayprevent dyscalculics developing the normal meanings for numerical expressions and leadto their difficulties in learning and retaining information regarding numbers"• Il existe une convergence d'arguments suggérantun déficit de l'accès automatique à lareprésentation de la magnitude chez lesdyscalculiques:– Altération de la reconnaissance des petites numérosités– Altération de l'effet de distance– Altération de l'effet Stroop numérique• Ce déficit concerne les comparaisons symboliquescomme non symboliques, avec toutefois unealtération plus nette pour les symboliques9

Témoins variationsnormales IPSS de Turner :InterruptionsanormalestémoinsSyndrome de Turner(X seul, 1F / 2500)S. De Turner :Anomalies dedirection et oubranchesReduced grey matter in VLBWadolescents poor on simple number testsFrom Isaacs et al,Brain, 2001Right intra-parietal sulcuscontrols more grey matterStimuli : paires de mainsreprésentant des numérositésde face palmaire ou dorsaleCondition "nombre" :comparaison de numérositéCondition "espace" :comparaison d'orientation(dos/palme)White matter : decreased right parahippocampalvolume (spatial memory)Dyscalculiques : moindre déactivation en condition "nombre" dans IPSdroit + suractivation compensatoire dans IPS gauche10

Low birthweightanddyscalculia (Isaacset al.,2001)magnitudecomparison task :although the nonsymbolicnumerical distancetask significantlymodulated activityin the right IPS inthe typicallydevelopingparticipants, thiseffect was absentin the childrenwithdevelopmentaldyscalculia (Priceet al., 2007)children with developmental dyscalculia have less rightparietalgrey matter and have grey matter abnormalities inregions of the frontal cortex (Rotzer et al., 2008)NSCNSF2 4 congruent2 4 incongruent2 42 2Neutral :physicalNeutral :numericalInactivation pariétale droite : effet similaire auxdyscalculiques (interférence, mais pas de facilitationBrain activation in bilateral intraparietalsulcus (IPS) was modulated by numericaldistance in controls but not inchildren with DD. Moreover, althoughthe right IPS responded to numericaldistance only, the left IPS wasinfluenced by both numerical and colordistances in control children. Ourfindings suggest that dyscalculia isassociated with impairment in areasinvolved in number magnitudeprocessing and, to a lesser extent, inareas dedicated to domain- generalmagnitude processing.Troisième conclusion• Il existe un nombre croissant d'arguments suggérant que ladysfonction caractéristique de la dyscalculie se situe auniveau de l'IPS• La latéralisation de cette dysfonction pariétale est variable,le plus souvent à droite• La modulation de l'activation de l'IPS par la distancenumérique est un argument en faveur d'un troublespécifique de la représentation des magnitudes• La dysfonction de l'IPS ne serait pas spécifique auxnombres et serait amodale11

Protocole expérimentalMETHODESnombre « magique »nombre de référenceex: 25EXPERIENCE MAGI:nombresdistantsnombresinférieursnombresprochesnombresprochesnombressupérieursnombresdistants21, 22 23, 24 26, 27 28, 29analyses:• Temps de Réaction (TRs)TACHE: nombrecible = supérieurou inférieur aunombre magique?nombresciblesdonnées comportementales (TRs et % erreurs)données électrophysiologiques (PEs)• 10 enfants dyslexiques (8 à 12 ans)• 12 enfants normolecteurs (7 à 8 ans)données orthophoniques (L2MA)test mathématique (Zareki-R)• % erreurs• Potentiels Evoqués (PEs) par la cibleenfants deCONTRÔLEHYPOTHESES - comportementEFFET DE DISTANCETRs et % erreurs nombres proches > nombres distantsenfants DYSLEXIQUESTRs et % erreurs plus élevésque les contrôlesPAS D’EFFET DE DISTANCE ?(ms)600,0500,0400,0300,0200,0100,00,0-100,0-200,0-300,0Effet de distance = TRproche-TRloindyslexiquesmoy=84ms(ou 38ms)normolecteursmoy=116ms12

DONNEES comportementales - TRsenfants NORMOLECTEURS:Expérience comportementale M2: (18 dyslexiques/18 normolecteurs)effet de distance170084 ms ns 1700,01600dyslexiques38 ms*1600,0dyslexiques1 seule stratégie de calcul:1500normolecteurs 1500,0normolecteurs1400 116 ms** 1400,0116 ms**distantsInteraction entre les effets des facteurs Distance et Groupe2 stratégies de calcul:(F(1,34)= 5.53; p TR nombresCalcul exact pour lesnombres prochesHYPOTHESES - électrophysiologieNORMOLECTEURS-15µVCIBLEN100Amplitude composantes PEs associées auxnombres proches > nombres distantsprochedistantDONNEES électrophysiologiquesloindyslexiquesprochenormolecteursHG(10 enfants)HD HG(12 enfants)HDF3 Fz F4 F3 Fz F430µVC3N700 ?Cz C4 C3 Cz C4N700 ?-30µV0 400 800 12000100 200 300ms15µVP200P300P3 Pz P4 P3 Pz P4DYSLEXIQUES Pas d’effet de distance sur les composantes PEs ?effet de distance (ms)Analyse du TR en fonction de l’effet de distance300200100-100-2000900 1400 1900 2400normolecteurs (18)dyslexiques (13)dyslexiques-dyscalculiques (5)TR (ms)corrélation (dyslexiques)corrélation (dyslexiques-dyscalculiques)Expérience 'magi' : conclusion• Les dyslexiques ne présentent pas l'effet de distancecaractéristique lors d'une tâche de comparaison de nombre• Les dyslexiques, même non dyscalculiques, ont un défautd'accès à la représentation automatique des magnitudes• Cette absence d'effet de distance est corroboré par unealtération des potentiels évoqués enregistrés lors de lapassation de l'épreuve• Les dyslexiques semblent utiliser une stratégie decomptage (hémisphérique gauche) pour résoudre lacomparaison alors que les témoins utilisent une stratégie decalcul approximatif (hémisphérique droit)13

Efficacité de la "course au nombres" surles aptitudes arithmétiques• 48 sujets, âge moyen de 7.8 ans (7.0 à 9.0).• issus de deux classes de CE1 d'un mêmeétablissement.• Le niveau intellectuel de chaque enfant a étévérifié préalablement à l’aide de la batterie WISC-IV et/ou des épreuves PM47• Exclusion si scores sont inférieurs au 25 èmepercentile au PM 47 et/ou inférieurs à 8/19 ausubtest Similitudes du WISC.• Zareki : 6 enfants mesurés comme dyscalculiquesProtocole d'entraînement• Entraînement quotidien, 1/2 heure par jour durant 4semaines• Design expérimental : la population totale a été divisée endeux groupes représentant approximativement la moitié dechacune des deux classes. Deux sessions de 4 semainesséparées par les vacances de février• 3 mesures des capacités arithmétiques scolaires à T0, T1 etT2• Le groupe 1 a réalisé l'entraînement lors des 4 premièressemaines (T0 à T1), le groupe 2 pendant les 4 semainessuivantes (T1 à T2)Scores au test arithmétique scolaire (NB/20)1918171615141312F (1,44)=0,34, nsF (1,44)=10,55,p

Conclusion• Cette étude confirme l'utilité d'un entraînement adaptatifspécifique de la représentation des magnitudes(comparaisons numériques et symboliques) sur lesaptitudes mathématiques d'enfants en périoded'apprentissage• L'effet ne se réduit pas aux épreuves impliquantdirectement le code analogique (approximation,comparaisons…) mais s'étend également à diverses autrestâches comme le calcul mental ou la résolution deproblèmes• Cela suggère le rôle déterminant du système dereprésentation des magnitudes sur le développement desaptitudes mathématiques générales15