La consolidation des apprentissages et l'importance du sommeil

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Le quatrième facteur clé de l’apprentissage est la consolidation. On appelle ainsi l’automatisation progressive des circuits qui sous-tendent un apprentissage. L’automatisation transfère les connaissances acquises du compartiment conscient vers des circuits spécialisés et non-conscients, libérant ainsi les ressources mentales pour de nouvelles tâches. L’imagerie cérébrale, au cours de la lecture ou du calcul mental, montre qu’au début d’un apprentissage se produit une activation massive des circuits de contrôle exécutif associés au cortex préfrontal. L’attention est fortement mobilisée, et les informations mémorisées sont traitées de façon explicite, consciente, séquentielle, avec effort. Progressivement, cette activité va se réduire, tandis qu’elle augmente dans certaines aires spécialisées des régions postérieures du cerveau. Dans le domaine de la lecture, par exemple, le déchiffrage initial de l’enfant se traduit par une augmentation linéaire du temps de lecture en fonction du nombre de lettres que contient un mot. À mesure que la lecture s’automatise, le temps de lecture s’accélère et devient constant quelle que soit la longueur du mot (entre 3 et 8 lettres). L’enfant peut alors se concentrer sur le sens du texte.

Le sommeil apparaît comme l’un des acteurs majeurs de la consolidation des apprentissages. Dès 1924, Jenkins et Dallenbach montrent que le temps de réponse s’accélère après une période de sommeil. Il faudra attendre les travaux de Karni et coll. (1994), puis ceux des équipes de Stickgold, Ribeiro, et Born, pour prouver que, sans aucun entraînement supplémentaire, les performances cognitives et motrices s’améliorent significativement et de façon durable après une période de sommeil, alors la perturbation du sommeil bloque sélectivement cette consolidation. Les rôles respectifs des différents stades de sommeil ne sont pas encore parfaitement établis, mais il semblerait que le sommeil profond à ondes lentes permette la consolidation et la généralisation des connaissances (mémoire déclarative), tandis que le sommeil paradoxal renforce les apprentissages perceptifs et moteurs (mémoire procédurale).

Chez l’homme, l’imagerie cérébrale montre que, durant le sommeil, les circuits sollicités au cours de l’épisode précédent de veille se réactivent. L’étendue de cette réactivation prédit aussi bien le contenu du rêve que la taille de l’effet de consolidation après le réveil. Chez l’animal, l’enregistrement des réponses neuronales démontre que de nombreux neurones, notamment les cellules de lieu de l’hippocampe, se réactivent dans un ordre reproductible au cours du sommeil à ondes lentes. Cette réactivation (replay) reproduit la séquence de décharges neuronales observée au cours de l’exploration d’un labyrinthe – parfois à vitesse normale, parfois à l’envers, parfois à une échelle temporelle comprimée d’un facteur 20. Le cerveau rejoue ainsi les patrons d’activité évoqués au cours de la journée, ce qui permet probablement de les recoder dans des circuits additionnels. La fonction principale du sommeil serait le transfert des épisodes d’apprentissage de la veille : l’hippocampe engrangerait les souvenirs de la journée (mémoire rapide) et, au cours de la nuit, la réactivation de ces signaux permettrait d’entraîner des circuits supplémentaires du cortex (mémoire lente capable d’extraire règles et invariants). Selon d’autres théories, le sommeil interviendrait également dans la réduction du nombre des synapses et l’élagage des représentations indésirables (théorie de l’homéostasie synaptique), ainsi que dans la restauration de l’équilibre chimique du système nerveux par échange de métabolites avec le liquide céphalo-rachidien.

Le lien entre sommeil et apprentissage est direct et causal. De nombreuses expériences montrent que les variations spontanées de la profondeur du sommeil, mesurées par le nombre, l’amplitude et la pente des ondes lentes, corrèlent avec les performances après l’éveil. De plus, il est aujourd’hui possible d’augmenter la profondeur du sommeil, soit par l’injection de micro-courants transcrâniens, soit par la présentation d’un bruit diffus synchronisé avec les ondes cérébrales. Dans les deux cas, l’entraînement de l’EEG de sommeil s’accompagne d’une augmentation de la consolidation des apprentissages. Des indices sensoriels, olfactifs ou auditifs, peuvent également réorienter l’apprentissage et conduire à la consolidation sélective des informations associées, pendant la veille, à ces stimuli sensoriels. Notons qu’il ne s’agit en aucun cas d’un apprentissage de stimuli présentés pendant le sommeil (la présentation de connaissances sous forme de bandes magnétiques pendant la nuit n’a aucun effet), mais uniquement d’une réactivation et d’une consolidation de stimuli qui ont été étudiés consciemment avant le sommeil.

Le sommeil peut-il conduire à la découverte scientifique ? Cette intuition répandue a fait l’objet d’une démonstration explicite par le groupe de Jan Born (2004). Durant la veille, ils ont présenté des problèmes mathématiques pour lesquels existait un raccourci caché. Le sommeil entraînait une augmentation très importante du nombre de sujets qui découvraient ce raccourci, alors des groupes contrôle privés de sommeil ne montrent pas d’augmentation, quelle que soit l’heure de la journée à laquelle ils étaient testés. La consolidation nocturne ne se réduit donc pas au simple renforcement des connaissances existantes, mais elle permet leur recodage sous une forme plus abstraite et plus générale.

Quelques expériences démontrent que ces effets sont présents chez l’enfant, où leur taille peut être jusqu’à trois fois plus grande que chez l’adulte. Le sommeil de l’enfant est en effet plus profond et plus dense en ondes lentes. Chez l’enfant de 9 à 16 mois, le sommeil nocturne facilite l’apprentissage lexical et la généralisation d’un mot à une catégorie d’images. Chez l’enfant de maternelle, une brève sieste dans l’après-midi présente un effet positif sur l’apprentissage, mais ce bénéfice n’existe que chez les enfants qui font régulièrement la sieste – il ne semble donc pas utile de forcer les enfants à dormir, mais simplement de les laisser dormir s’ils en éprouvent le besoin. Les effets du sommeil semblent particulièrement importants chez les enfants hyperactifs avec troubles de l’attention (ADHD) : certains d’entre eux pourraient ne souffrir que d’un manque chronique de sommeil.

Sur le plan éducatif, nous retiendrons que l’amélioration de la durée et de la qualité du sommeil peut constituer une intervention efficace, notamment en cas de trouble des apprentissages. Pour un bénéfice maximal, le sommeil doit survenir dans les heures qui suivent l’apprentissage. Puisque chaque période de sommeil apporte un bénéfice supplémentaire, l’école devrait distribuer au maximum les apprentissages, en les répétant tous les jours si possible. Enfin, la chronobiologie indique que les cycles de sommeil se décalent chez l’adolescent – il est donc justifié de les laisser dormir, quitte à décaler les horaires de la classe.