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Anthropologie

Le cerveau humain est aujourd'hui l'organe le plus complexe du monde vivant. Pourquoi ? Des scientifiques découvrent que c'est peut-être en taillant des pierres que nous avons développé des capacités mentales particulières.

Dietrich Stout| | CERVEAU & PSYCHO N° 77 Chaussure Escarpin Chaussure Femme Femme Prada Prada Escarpin Chaussure JTFl1cK|
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Les premières images du film 2001 : L’odyssée de l’espace, de Stanley Kubrick, montrent un préhumain accroupi auprès d’une carcasse animale. Tout en jouant avec les ossements, il découvre qu’il peut exercer une force nouvelle en frappant la carcasse à l’aide de l’un d’eux. En quelques instants, l’être primitif s’aperçoit de la puissance que lui confère cet objet. Il disloque alors la dépouille dans un accès de violence destructrice, puis projette l’os vers le ciel. L’image suivante montre une station spatiale évoquant la forme de cet os jeté vers les nues, symbolisant la trajectoire fabuleuse de l’humanité dès l’instant où l’homme a inventé l’outil.

Deux données parallèles caractérisent l’évolution de la lignée humaine : un perfectionnement constant des outils de pierre taillée, et une augmentation du volume crânien, contenant le cerveau. Se pourrait-il qu’un lien existe entre la fabrication d’outils et le développement cérébral ?

Cette théorie n’est pas nouvelle : il y a soixante-dix ans, l’anthropologue britannique Kenneth Oakley déclarait que la capacité à fabriquer des outils constituait sans doute la principale caractéristique biologique de l’humanité, qui aurait déterminé l’évolution de nos facultés de coordination mentale et corporelle. Oui, mais comment savoir si l’acte technologique en lui-même a servi de moteur de développement au cerveau ? Une approche particulièrement intéressante consiste à reproduire les activités de fabrication des outils de nos ancêtres et d’observer quel type d’activité cérébrale elle suscite. C’est cette méthode que nous mettons en œuvre dans notre laboratoire de l’université d’Emory.

L’idée sous-tendant ces recherches est simple : en y passant suffisamment de temps, les hommes modernes que nous sommes pourraient réapprendre à tailler les pierres comme le faisaient leurs ancêtres du Paléolithique. Un tel apprentissage ne serait pas sans provoquer des changements dans le cerveau, qu’il serait possible d’observer en IRM.Chaussure Escarpin Chaussure Femme Femme Prada Prada Escarpin Chaussure JTFl1cK

C’est guidés par cette idée que nous nous sommes mis à la tâche. Si bien qu’aujourd’hui, après quelque 300 heures d’entraînement au taillage du silex, je peux me targuer aujourd’hui d’approcher les compétences des tailleurs de l’Acheuléen, des Homo heidelbergensis ayant vécu il y a environ 500  000 ans. Certes, la première hache que j’ai fabriquée n’était pas forcément très belle à voir, c’était un galet grossièrement équarri qui n’aurait guère impressionné ces maîtres en la matière. Mais au fil du temps, ce processus a probablement changé mon cerveau.

La théorie de l’homme artisan

C’est en 1990 que deux de mes mentors, Nicholas Toth et Kathy Schick, aujourd’hui en exercice à l’université de l’Indiana, à Bloomington, et à l’institut du Paléolithique, ont proposé d’observer ce qui se passe dans le cerveau lorsqu’on fabrique un objet de pierre taillée. À leur suite, j’ai fait de cette quête le centre de mes recherches pendant quinze ans.

Mon laboratoire fonctionne aujourd’hui comme une sorte d’atelier de fabrication d’outils de pierre taillée. Au moment où j’écris cet article, j’entends le « tic, tic » caractéristique de mes étudiants qui empilent des éclats de silex sur un tas de pierres qui grossit sous les fenêtres de mon bureau de l’université d’Emory. L’année dernière, ce tas mesurait 3 mètres de largeur, 12 centimètres d’épaisseur pour un poids de 1 500 kilogrammes. À l’instant même, je suis en train d’observer une chercheuse en stage post-doctoral, Nada Kreisheh, qui conseille un étudiant très frustré par l’échec de ses tentatives.

Kreisheh consacre 20 heures par semaine à entraîner vingt étudiants, dont chacun recevra 100 heures d’instruction à l’art ancestral de la fabrication des haches. C’est à ce jour notre projet le plus ambitieux. Nous filmons chaque session pour pouvoir analyser ensuite quelles sont les meilleures techniques d’apprentissage. Une fois terminés, nous rassemblons tous les objets pour mesurer le développement des compétences de nos tailleurs. Ils doivent subir des séances d’irm pour examiner les changements dans la structure et le fonctionnement de leur cerveau, et ils passent des tests psychométriques devant établir si certaines capacités cognitives comme la planification ou la mémoire à court terme sont associées aux aptitudes de fabrication d’outils.

La première chose que nous avons apprise est qu’il est difficile de fabriquer un outil de qualité. Mais ce que nous voulions surtout savoir, c’est pourquoi cela est si difficile. Oakley pensait que la clé d’un ouvrage réussi était de savoir conceptualiser l’objet à fabriquer. Mais dans les faits, le plus dur est bel et bien de le faire. Tailler une hache requiert de la part du néophyte la maîtrise d’une technique de percussion qui implique de manier un « marteau » de pierre, d’os ou de bois de cerf pour faire sauter des éclats du silex, selon un contour et une forme particuliers. Il faut frapper fort, avec précision sur un espace de quelques millimètres, et comme pour la taille du marbre, chaque coup retire un fragment de matière qui ne peut pas être remis en place. De sorte que la moindre erreur peut mettre en péril tout l’ouvrage.

À l’aide d’un système de suivi des mouvements, l’ethnologue Blandine Bril et ses collègues de l’ehess de Paris ont montré qu’à la différence des novices, les tailleurs expérimentés ajustent la force de leurs coups pour produire des éclats de différentes tailles. Enchaîner des séries de frappes pour atteindre un but visualisé mentalement à l’avance comme peut l’être une pierre de hache, n’est possible qu’après avoir acquis le contrôle nécessaire au prix d’une pratique aussi assidue que rébarbative

Le cerveau du tailleur de pierre

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Nos ancêtres ont dû faire face aux mêmes défis quand ils ont appris à fabriquer des objets de pierre, et leurs vies en dépendaient probablement. Les exigences de cet exercice – combinées aux interactions sociales complexes qui présidaient à son enseignement – ont peut-être été le moteur de notre évolution cognitive. Nous avons appelé cette hypothèse le scénario de l’Homo artifex. L’homme artisan.

La taille de la pierre n’est pas la seule difficulté inhérente à ces recherches. Si vous avez un jour passé une irm, vous avez probablement noté qu’il s’agit de rester parfaitement immobile afin de ne pas gâter l’acquisition des images de votre cerveau. Évidemment, c’est difficilement compatible avec la taille des silex…

Dans nos premières expériences, nous avons donc contourné ce problème en utilisant une technique d’imagerie, la fdg-pet, qui consiste à injecter un produit radioactif dans la circulation sanguine du sujet à partir de son pied – de manière à laisser le reste de son corps libre pour la taille. Dès qu’il a terminé, nous prenons des clichés de son cerveau pour savoir dans quelles zones la substance radioactive s’est accumulée.

Grâce à cette technique, j’ai étudié deux âges paléontologiques, l’Oldowayen et l’Acheuléen tardif, qui correspondent au début et à la fin d’une période charnière pour l’évolution de l’espèce humaine au cours de laquelle la taille du cerveau a triplé, entre 2,6 millions d’années et 200 000 ans. Nous voulions savoir si le développement de ces techniques a imposé de nouvelles exigences au cerveau, exigences qui auraient pu être un critère de sélection naturelle au cours de cette période : en un mot, les individus ayant les cerveaux les plus adaptés à ces demandes auraient mieux survécu que les autres, favorisant l’évolution graduelle des structures cérébrales sollicitées.

La taille oldowayenne requiert de faire sauter de fins éclats à partir d’un pavé central, des éclats qui furent les premiers « couteaux » de l’espèce humaine. Cela n’a l’air de rien, mais les premières données d’imagerie cérébrale que nous avons obtenues avec la technique de fdg-pet montrent que ce processus va bien plus loin que d’entrechoquer deux cailloux.

Dans notre étude, nous avons laissé les étudiants s’entraîner pendant quatre heures sans consigne particulière. À mesure qu’ils se sont familiarisés avec la tâche, ils ont appris à faire attention à certaines caractéristiques particulières du pavé, par exemple des zones protubérantes plus facile à faire sauter. Cet apprentissage se reflète dans des changements d’activité du cortex visuel à l’arrière du cerveau, avant et après la séance. Mais quatre heures, ce n’est pas beaucoup, même pour la technologie la plus vieille de l’humanité.

Chez des tailleurs chevronnés, dont les résultats approchent ceux des vrais tailleurs de l’Oldowayen, on observe quelque chose de bien différent. Comme l’ont montré Bril et ses collègues, ces experts se distinguent par leur capacité à contrôler la force qu’ils mettent dans leurs coups pour faire sauter les éclats à partir du bloc central. Dans leur cerveau, cette compétence suscite une augmentation d’activité dans le gyrus supramarginal dans le lobe pariétal, classiquement impliqué dans la conscience de la localisation précise de notre corps au sein de son environnement spatial.

Une pensée de plus en plus structurée

Il y a 1,7 million d’années environ, la technologie oldowayenne à base d’éclats commença à être remplacée par l’acheuléenne (nommée d’après la localité de Saint-Acheul, dans la Somme), qui permit de produire des outils plus sophistiqués tels que des haches ovoïdes. Certaines haches tardives comme celles trouvées sur le site anglais de (– 500 000), sont très finement formées, dotées d’une section mince et de symétrie tridimensionnelle, d’arêtes acérées et régulières.

Les tailleurs d’aujourd’hui savent que cette technique nécessite non seulement un contrôle moteur précis mais aussi un raisonnement planifié. De la même manière qu’un golfeur sait choisir le club adapté au coup qu’il va jouer, ils optent pour une variété de marteaux allant du plus dur en pierre au plus doux en bois de cerf à mesure qu’ils exécutent des séries d’impacts qui prépareront les arêtes et les surfaces à se briser selon le schéma prévu. Il faut sans cesse aller et venir entre différentes sous-tâches tout en gardant présente à l’esprit l’image du but à atteindre – et en résistant à l’envie de prendre des raccourcis. Je sais d’expérience qu’on ne triche pas avec la physique de la fracture de la pierre. Quand on est fatigué, croyez-moi, mieux vaut s’arrêter.

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Les exigences liées à la fabrication d’un outil de l’Acheuléen tardif produisent aussi une signature caractéristique à l’irm. En plus d’aires communes avec l’Oldowayen, nos données de pet montrent une activation supplémentaire dans une partie bien précise du cortex préfrontal, le gyrus frontal inférieur. Une région associée aux capacités de contrôle cognitif nécessaires pour alterner entre différentes tâches et éviter des gestes inappropriés.

De fortes capacités de planification

Nous avons confirmé ces résultats grâce à l’irm, qui offre une meilleure résolution que la technique de pet. Pour cela, il nous a fallu trouver un moyen de maintenir nos sujets immobiles pendant l’acquisition des images. En fait, avec le neuroscientifique Thierry Chaminade, de l’Institut des neurosciences de la Timone, à Marseille, nous avons opté pour une solution plus simple : mesurer l’activité cérébrale de nos tailleurs de pierre pendant qu’ils visionnaient, immobiles dans l’irm, des vidéos de tailleurs à l’ouvrage. Cette approche fonctionne car, ainsi que Chaminade et d’autres l’ont plus d’une fois constaté, nous utilisons pour la plupart les mêmes systèmes cérébraux pour décoder des actions que nous observons et pour les exécuter nous-mêmes. Les résultats ont été identiques à ceux obtenus en pet : les aires visuelles sont activées par les deux méthodes de taille, et le gyrus frontal inférieur est en outre mobilisé pour les outils de l’Acheuléen tardif.

Nous en avons conclu que la capacité à acquérir des compétences physiques exigeantes a probablement joué un rôle important aux premiers stades de l’évolution technologique humaine de l’Oldowayen, mais que les méthodes de l’Acheuléen ont requis en outre un niveau supérieur de contrôle cognitif de la part du cortex préfrontal. Les fossiles nous disent la même chose : l’accélération du développement cérébral sur les deux derniers millions d’années se situe principalement dans l’Acheuléen. Simplement, cette découverte ne précise pas quelle est la cause et quelle est la conséquence. La taille des outils a-t-elle favorisé l’expansion du cerveau ou l’a-t-elle accompagnée ? Pour répondre à cette question, il nous a fallu être plus fins dans notre étude du « cerveau tailleur ».

Et le cerveau se mit à grossir

J’étais particulièrement excité à l’idée d’utiliser une nouvelle technique de neuro-imagerie, l’imagerie par tenseur de diffusion. C’est une forme d’irm qui permet de visualiser les fibres de matière blanche qui font office de câblage entre les différentes aires du cerveau. En 2004, une équipe dirigée par Bogdan Draganski à l’université de Regensburg, en Allemagne, a utilisé cette méthode pour mettre en évidence les changements structuraux dans les cerveaux de volontaires apprenant à jongler. Des résultats qui avaient remis en cause l’idée jusque-là bien établie selon laquelle la structure du cerveau adulte était fixée une fois pour toutes.

Nous suspections que l’apprentissage de la taille du silex devait aussi nécessiter un certain degré de recâblage neuronal. Et nous voulions bien évidemment savoir quels réseaux se reconfiguraient. Fabriquer des outils pouvait-il entraîner le même type de changements anatomiques chez un individu que celui ayant eu lieu au cours de l’évolution ?

La réponse a été clairement oui. La pratique de la taille renforce les faisceaux de matière blanche connectant exactement les régions frontales et pariétales identifiées par nos expériences de pet et d’irm. Parmi elles, le gyrus frontal inférieur et le cortex préfrontal. L’ampleur de ces changements pouvait d’ailleurs être prédite d’après le nombre d’heures passées à tailler des pierres : plus vous taillez, plus ces fibres de matière blanche s’épaississent…

Les changements cérébraux – ce que les neuroscientifiques appellent la plasticité – offrent la matière première au changement évolutif, un phénomène appelé accommodation phénotypique. La plasticité permet à une espèce animale d’essayer de nouveaux comportements. Si des individus découvrent de « bonnes recettes », celles-ci s’intègrent à leur répertoire comportemental et la sélection fait le reste : les variantes géniques qui permettent d’apprendre ce nouveau « truc » plus facilement et de manière plus fiable et efficace, sont favorisées par rapport aux autres.

Aussi séduisante que soit cette hypothèse, elle avait besoin d’être confirmée. Hélas, il est impossible d’accéder à des informations sur le fonctionnement du cerveau de nos ancêtres d’après les fossiles. Nous nous sommes alors tournés vers une autre source d’information : nos proches cousins chimpanzés. Grâce à ma collègue Erin Hecht, de l’université d’état de Géorgie, nous avons pu établir des cartes cérébrales de la matière blanche contenue dans des cerveaux humains par comparaison à des cerveaux de chimpanzés. De façon frappante, les circuits neuronaux que nous avions identifiés dans nos expériences de pet, d’irm et de dti, comptaient parmi ceux dont le développement était le plus clairement supérieur chez l’être humain par rapport au chimpanzé. Et ce tout particulièrement au niveau des connexions reliant le gyrus frontal inférieur à d’autres zones du cerveau.

Premières capacités de planification

Cette découverte est apparue comme le maillon final d’une chaîne d’inférences allant des outils ancestraux jusqu’à la cognition et l’évolution du cerveau, en passant par le comportement. Elle apporte un soutien de poids à l’idée – pourtant ancienne – que la fabrication d’outils au Paléolithique a aidé à façonner l’esprit des hommes modernes. Mais ce n’est pas encore la fin de l’histoire.

J’aime beaucoup les outils de pierre, mais ils n’offrent qu’un maigre aperçu de la vie de nos ancêtres. Comme le ferait un géologue avec un sismographe, tout l’intérêt consiste à convertir ces bribes d’informations issues des neurosciences de la taille des silex en une représentation plus riche de ce qu’a pu être l’existence à l’âge de pierre.

Une première chose que nous avons ressentie à propos du cerveau de nos ancêtres est qu’il devait être doté d’un fort contrôle cognitif. En effet, il faut autant de temps pour apprendre cet art que pour acquérir bien des savoir-faire académiques : un étudiant américain typique doit suivre environ 150 heures de cours sur un semestre, et dans l’étude que nous avons menée, les participants devaient passer par 167 heures de pratique en moyenne, et ils peinaient encore à fabriquer une hache acheuléenne à la fin. Je ne devrais peut-être pas avoir tellement honte de mes 300 heures. Mais s’obstiner à une tâche aussi fastidieuse et frustrante demande beaucoup de contrôle de soi et de motivation, deux traits pour le moins intrigants dans une perspective évolutionniste.

La motivation peut être insufflée de l’extérieur par un enseignant, ou de l’intérieur par l’anticipation d’une satisfaction future. De nombreux chercheurs ont considéré l’enseignement comme la caractéristique centrale de toute culture humaine, la capacité à anticiper le futur étant quant à elle cruciale aussi bien pour entretenir des relations sociales que pour résoudre des problèmes concrets.

Bien sûr, la motivation n’est pas grand-chose sans le contrôle de soi. La capacité à exercer cette maîtrise – en luttant contre des impulsions contre-productives – est au cœur de nombreuses facultés cognitives. En fait, une étude récente d’Evan MacLean, à l’université Duke, a démontré que le contrôle de soi et la planification de l’avenir étaient corrélés à la taille du cerveau chez trente-six espèces d’oiseaux et de mammifères. Nos propres recherches ont accumulé des indices qui relient la capacité à construire des outils à des systèmes cérébraux sous-tendant le contrôle de soi et la planification – en lien direct avec cette donnée sur la taille des cerveaux de plusieurs espèces. Mais ce n’est pas tout : nos ancêtres tailleurs de pierre devaient aussi communiquer. Par gestes, mais aussi verbalement.

Homo erectus donne cours de taille

En effet, un tailleur d’outils doit avoir une compréhension en profondeur des caractéristiques de la pierre qu’il travaille, chose qu’il est très difficile d’obtenir de manière autodidacte. La courbe d’apprentissage de l’art de tailler se présente sous la forme d’un d’escalier : la plupart du temps, il faut juste s’entraîner et consolider ses compétences ; mais de temps en temps, un conseil aide à franchir un palier. Bien qu’il soit parfois possible de découvrir par soi-même une astuce intéressante pour progresser, il existe un vrai avantage lié au fait d’apprendre d’autrui.

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Une bonne façon d’apprendre est simplement d’observer. Bien que le fait d’être qualifié de bon imitateur ne soit pas toujours flatteur, les psychologues considèrent aujourd’hui la faculté de copier comme un des piliers de la culture humaine. Des travaux comme ceux d’Andrew Whiten, à l’université de Saint Andrews, en Écosse, et bien d’autres ont montré que les grands singes ont une certaine capacité à copier, mais sans approcher l’extrême fidélité de l’imitation humaine, ni son caractère parfois obsessionnel.

Mais l’imitation suffit-elle à produire de bons outils ? Vous pourriez apprendre à jouer aux échecs en étudiant un nombre suffisant de parties, mais cela vous serait bien plus facile si quelqu’un vous expliquait les nuances de la stratégie et des différentes tactiques. Et cela pourrait valoir aussi pour l’art des premiers tailleurs de pierres, et pour d’autres capacités de nos ancêtres préhistoriques. Thomas Morgan, à l’université de Californie à Berkeley, et ses collègues ont récemment mené une expérience de taille d’outils pour examiner dans quelle mesure la connaissance est transmise d’une personne à une autre. Ils ont montré que cela fonctionne bien mieux quand l’apprentissage se fait par la parole en plus de la simple démonstration. Encore un autre sujet de recherche : dans quelle mesure le langage n’a-t-il pas émergé comme ciment de l’apprentissage dans des gestes aussi essentiels ?

L’apprentissage n’est pas le seul lien qui existe entre la fabrication d’outils et le langage. Aujourd’hui, les neuroscientifiques considèrent que la plupart des régions du cerveau humain réalisent un traitement de l’information qui sous-tend, non pas un, mais toute une série de comportements. Prenons l’exemple de l’aire de Broca identifiée au xixe siècle, et située dans le gyrus inférieur gauche. Depuis les années 1990, on sait que cette aire ne participe pas seulement au langage, mais aussi à la musique, aux mathématiques et à la compréhension d’actions manuelles complexes. Cette découverte a ravivé l’idée – déjà envisagée – que la fabrication d’outils, de concert avec la production de gestes communicatifs, pourrait avoir servi de socle évolutif à l’apparition du langage. Une idée qui a été plus amplement développée par Michael Arbib, de l’université de Californie du Sud, dès 2 012.

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Les résultats de nos expériences d’imagerie cérébrale nous ont conduits à proposer récemment la thèse que certains circuits neuronaux, dont le gyrus inférieur gauche, ont subi des changements graduels qui leur ont permis de tailler des outils toujours plus perfectionnés au Paléolithique et qui ont été cosélectionnés pour sous-tendre de premières formes de communication gestuelle, voire vocale. Cette communication protolinguistique aurait alors été soumise à un processus de sélection, jusqu’à aboutir au langage moderne. Nos expériences en cours, en plus de produire un gros tas de cailloux brisés, vont mettre cette hypothèse au banc d’essai.

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