dimanche 25 novembre 2007

....démarche scientifique ?

A un moment où on parle beaucoup de la démarche scientifique, il est peut-être utile d'explorer un peu :
Au fond qu'est-ce que la démarche scientifique ?

Je vais tenter - dans le cadre de ces Bio-Review - de me distancer d'un débat pourtant crucial, pour une forme de review ici aussi : rassembler quelques réflexions issues des recherches sur cette question et qui pourront nourrir le débat.

Qu'est-ce que la science ?

En ce qui concerne la biologie voici une définition:
Avant tout, les biosciences sont des sciences expérimentales et se définissent par les caractéristiques suivantes :
1. Les connaissances sont fondées sur l'observation ou l'expérimentation.
2. C'est un ensemble de méthodes et de disciplines groupées autour des processus vivants et des interrelations entre les organismes vivants.
3. Elles existent dans un environnement d'hypothèses courantes plutôt que de certitudes.
4. Elles incluent des disciplines en changement rapide.
5. Ce sont des disciplines essentiellement pratiques et expérimentales .
(Sears & Wood, 2005, p.3 Traduction personnelle)

Pour un tableau très complet de ce que sont les compétences d'un biologiste (ici) (Hounsell, D., & al. 2002)

Avec cette définition la science est une manière de produire des connaissances où tout ce qu'on sait est basé sur des données expérimentales, et le savoir est hypothèses courantes.

Une science des conclusions
On sait bien que dans l'école il est très difficile de dépasser l'enseignement des conclusions :
A) "le SIDA est apparu en Afrique."

est bien plus facile que :

B) "Selon des études récentes il est très probable que le SIDA soit apparu en Afrique. Sur la base notamment de l'examen des échantillons de sang conservés datant de différente époques et les différentes souches pour leurs mutations, on peut extrapoler une origine vers 1930 (Cf Fig 25.17 du Campbell 2002) . D'autre part la présence d'un virus similaire chez le chimpanzé suggère une transmission à l'homme lors d'un contact sanguin ( chasse, par exemple) '' etc...

  • Les élèves préfèrent A),
  • Les parents ne vous enquiquineront pas avec A),
  • on risque moins la controverse et les théories diverses sur l'origine du SIDA (fuite d'un labo, vaccin polio raté, expérience bio-militaire, etc).
  • On risque moins de ne pas finir le programme avec A),
  • On n'aura pas a justifier le choix A) devant qui que ce soit.

Le risque qu'on enseigne une conclusion plutôt qu'une démarche scientifique vers des connaissances "fondées sur l'observation ou l'expérimentation", et qui "existent dans un environnement d'hypothèses courantes plutôt que de certitudes".

Démarche scientifique : pourquoi ?

Pourtant l'acquisition de cette démarche est clairement un objectif pour la matu:
"Au terme de sa formation gymnasiale, l'élève a acquis la capacité de mettre en pratique une démarche scientifique, de la justifier et de la communiquer. " (Plan d'études du collège de Genève, 2005)

Une méthode scientifique générale ?
Cela pourrait donner à penser qu'il y a une méthode unique. Ceux qui ont étudié cela pensent plutôt que la recherche est ancrée dans une discipline :
"Ce serait une erreur de croire qu'il existe une méthode scientifique générale, universelle, qui pourrait s'appliquer à tous les exemples de recherches. Et pourtant, cette idée est largement répandue, aussi bien dans le grand public que chez les enseignants." (de Vecchi 2006, p. 46)

Démarche scientifique = OHERIC ?

On a souvent décrit la démarche scientifique par l'acronyme OHERIC, composé par André Giordan de l'UniGe à partir des initiales de chaque étape (observation, hypothèse, expérience, résultats, interprétation, conclusion). Il a montré que ce modèle ne correspond pas à la réalité de la démarche d'un chercheur en sciences. " OHERIC ne répond plus ; ... ce schéma prétendument dérivé de C. Bernard s'est vite avéré n'être qu'un schéma reconstruit, [...] et sans grande valeur formative, puisqu'il ne correspond ni à des procédures que peuvent suivre les élèves, ni au fonctionnement réel de l'activité scientifique. » (Astolfi, J. -P. in Vialle, B. 1999).
Cela a été longtemps le modèle dominant en France ( et l'est peut-être encore ici ou là : exemple )
Le principal reproche fait à ce modèle est de donner l'impression que l'investigation scientifique suit un schéma linéaire rigoureux comme un formel militaire.

Une démarche complexe guidée par des questions
La démarche scientifique est probablement beaucoup plus faite de va-et-vient entre hypothèses et expérimentation, dans un mouvement qu'on doit guider pour qu'il progresse vers une connaissance. Voir par exemple ici (F. Pellaud 2001) de l'équipe de Giordan.
Pour (Sandoval, 2003) par exemple elle est un processus itératif de questionnement, d'acquisition de données, d'interprétation et de conclusions. Susciter des questions et accompagner l'expérimentation pour leur trouver des réponses est ici central.
Si encourager les apprenants à une démarche scientifique c'est leur apprendre à étayer et développer activement leurs propres idées, cela entre en tension avec le souci de leur faire apprendre des savoirs clairement établis "scientifiquement prouvés" (Sandoval & Daniszewski, 2004).
Comme on l'a vu plus haut... il est bien difficile d'intégrer ces approches, et chacun tente de le faire à sa façon. Les occasions sont rares de mutualiser les réussites, et il n'est guère dans les habitudes des enseignants -partout- de partager leurs bonnes idées !
Modestie, crainte de se mettre en avant ?

Qu'est-ce que l'expérimentation ?

De Vecchi (2006) - d'ailleurs un ouvrage intéressant et facile à lire, truffé d'exemples et de conseils pratiques - insiste sur l'importance d'aider à construire à travers l'expérimentation une compréhension du phénomène étudié.
Pour lui l'important n'est pas seulement de manipuler comme un simple exécutant au cerveau plutôt passif, mais de partir de situations qui ont du sens pour l'élève, de chercher à développer dans ces expériences l'invention d'un modèle, d'un principe général et ré-applicable.

Il faut les faire manipluer ?
Il faudrait donc baser la compréhension des élèves sur les données, mais tout faire pour ne pas rester dans la simple manipulation, aller vers une vraie compréhension. Mais alors c'est quoi comprendre, vraiment ?
Je propose comme définition de comprendre en biologie : "Il peut prédire ce que fait le système, la cellule, le ribosome, etc dans une situation non encore étudiée." Il y a alors de degrés de compréhension différents.

L'ExAO comme moyen de dépasser la manipulation pour aller vers la compréhension plus élevée ?
L'Expérimentation Assistée par Ordinateur (ExAO) a été beaucoup encouragée.
"On va gagner du temps! On va développer des habiletés de niveau supérieur, déléguant aux machines les aspects inintéressants, répétitifs, etc.
La mise en pratique a donné des résultats mitigés. La thèse de Brigitte Vialle a montré qu'on risque des problèmes causés par l'éloignement aux phénomènes biologiques. Dans certains cas, ils peuvent avoir l'impression de se retrouver servants d'un système technique qui décide à chaque moment de ce qui est possible voire de ce qui est souhaité." (Baron, G.-L., &al. 2004)

Ainsi l'ExAO n'est en soi ni une bonne ni une mauvaise démarche : c'est comment on la met en oeuvre qui détermine si elle est efficace ou non.

Après l'expérience : écrire pour comprendre ?
Une des pistes explorées est de mettre l'accent sur le prolongement des expériences dans des productions des élèves ( les rapports de labo sont un bon exemple) En France, dans les lycées on pratique les Travaux Personnels Encadrés (TPE) au lycée ou encore l'opération La Main à la Pâte à l'école primaire.

La réflexion sur la démarche scientifique : dans d'autres pays aussi !
Un très fort mouvement soutenu officiellement en France, intitulé "Main à la pâte" (site lamap.fr) initié par le physicien Georges Charpak (Historique ) favorise à l'école primaire une démarche de découverte, basée une réflexion sérieuse à propos de la nature expérimentale de la science.
Aux USA les directives officielle mettent en avant l'Inquiry : qui développe une vision de la science comme une démarche d'investigation, de nature cyclique ( Définition (An) ici très formelle et exemples d'usage aux USA) Discussion sur la base d'un exemple dans la revue Science.

Une démarche citoyenne?

Au-delà du contexte scientifique, c'est développer une certaine vision du citoyen que de défendre une approche où les idées sont acceptées parce qu'elles sont en accord avec les faits, les données et pour leur capacité à résister à la critique plutôt que parce qu'elles sont issues d'une personne d'autorité.
Enseigner la démarche expérimentale développe un certain état d'esprit, favorise la socialisation, la construction d'une pensée critique et permet d'apprendre à remplacer une argumentation s'appuyant sur la force, par les arguments de la logique et du raisonnement. (de Vecchi 2006, p. 260)

L'importance de la démarche scientifique est mise en avant... mais les moyens de l'enseigner ou de la développer font encore débat, on le voit.
Il y a cependant dans les publications des pistes qui sont déjà bien debroussaillées et de quoi gagner du temps en s'inspirant de ces ouvrages et des réussites et des analyses des uns et des autres ici ou ailleurs ...


Sources :
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vendredi 23 novembre 2007

Pourquoi les toiles X sont attirantes ?

Vous avez sans doute observé ces araignées un peu artistes qui garnissent leurs toiles de jolis dessins en zig-zag.
A droite : Argiope avec la croix de soie.

Dans une News de Science 19 Novembre Untangling an Artistic Spider Web, Matt Kaplan, parle de ces toiles décorées que tissent les Argiopes. Des travaux récents suggèrent que ces toiles ornées attirent plus les insectes, mais aussi les prédateurs !

Et chez nous ?
On peut observer d'autres espèce de ces araignées chez nous : en voici une observée à Veyrier (2004)

Elles sont courantes à travers l'Europe :
Position taxonomique des Argiope dans Fauna europea.Accès à la carte : cliquer "display on map"

Le rôle de ces décorations remarquables stimule l'imagination depuis longtemps et on a pensé qu'elles attiraient les proies ou feraient fuir les prédateurs, qu'elles seraient une sorte de signal pour que les oiseaux évitent ces toiles, mais on manquait de données sérieuses pour confirmer ou infirmer ces hypothèses.
Des biologists de Taiwan, Ren-Chung Cheng et I-Min Tso de l'université Tunghai à Taichung, ont installé des caméras devant de nombreuses toiles et ont enregistré plus plus de 700 heures de vidéo sur 2 mois. L'espèce observée Argiope aemula, est connue en anglais comme l'araignée de la croix de St. André (St Andrew's cross spider) parce qu'elle décore ses toiles d'un "X" blanc. Ils ont filmé 56 toiles avec décorations et 59 sans.

Ces chercheurs rapportent dans le numéro de nov-déc de Behavioral Ecology que les toiles décorées ont intercepté 60% d'insectes de plus que les non décorées.

Mais ces motifs accroissent aussi les risques de prédation. Sur 18 attaques de guêpes enregistrées, les 273 s'attaquaient à des araignées dans des toiles décorées.

Il y a en effet des guêpes prédatrices d'araignées. Assez courantes chez nous aussi.
Une guêpe prédatrice d'araignée (Ammophile ) de chez nous (Observée en 2003 en valais)

Position taxonomique des Ammophila dans Fauna europea.

les toiles X attirent les insectes ?
Ces résultats suggèrent que ces décorations attirent l'attention des proies et celle des prédateurs. cet équilibre expliquerait pour quoi seulement certaines Argiope aemula décorent leurs toiles. On observe ce genre de compromis chez d'autres espèces : il cite des grenouilles qui chantent de concert pour attirer les partenaires, mais attirent aussi les serpents. Mais c'est la première fois que cet effet est observé pour une structure construite par un animal.
Quand à la raison de cette forme particulière, cela reste un mystère pour En-Cheng Yang, il dit qu'on a bien observé que de nombreux insectes (comme les abeilles) ont une préférence innée pour des objets symétriques Il es très probable que cette croix de St André constitue un stimulus très fort pour les insectes (prédateurs ou proies) , mais il dit qu'il faudra des études neuroethologiques pour élucider ce mystère.

D'autres formes ?

D'autres (Daiqin Li, 2005) avaient déjà observé que les araignées qui pratiquaient ces décorations de toiles croissaient plus vite même si elles se font plus souvent attraper, comme sur cette image, où une araignée sauteuse Portia labiata mange une juvenile d'Argiope versicolor dans une toile très joliment décorée.

SourcesLink
Compléments
  • Auteur inconnu, (2007)Décorations à double détente, La Recherche, 415, I/08 intranet
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dimanche 11 novembre 2007

Le Thalamus sous-estimé !

Le Thalamus : un simple centre de relais ?

Le Thalamus est décrit par nos anciens manuels comme une sorte de simple relais entre les organes sens et le cortex où se passerait tout ce qui est important. Meme dans le glossaire du récent (Campbell, 2004 p. G38) on parle de "Principal centre de relais pour les informations sensitives arrivant au cerveau et pour les informations motrices partant du cerveau. "

Depuis quelques années son rôle apparaît comme beaucoup plus fondamental. On le voit de plus en plus comme un centre de décision rapides et plus comme un simple interface.



Fig 1 : Localisation du thalamus (au centre en bleu) (Source Psychology:An Introduction Eleventh Edition by Charles G. Morris,Albert A. Maisto)
Situé au centre de l'encéphale, il est constitué de plusieurs noyaux groupés par leur fonction.(image ici ) Il fait partie du système limbique. (Bien que cette expression soit contestée, elle reste utilisée faut de mieux (cf illustration dans le Purves 2001))

On se souvient (Bio-review 22aout) que le thalamus avait déjà été présenté (Shadlen 2007) comme un centre toujours actif qui veille et réveille le reste. Mais le Thalamus est sans doute bien plus que cela !



Le thalamus : un centre décisionnel ! Exemple pour la vision

Il y a pas mal d'années John LeDoux (1996) a mis en évidence le rôle du Thalamus dans le traitement des informations : les influx visuels (et auditifs, etc.) passent par le thalamus (ça tous les bouquins le montrent depuis longtemps : et il y est question de simple connection et de superposition des champs visuels binoculaires) , mais il a montré que ces influx y sont analysées une première fois.

On mentionne là souvent une part du thalamus : le corps genouillé latéral est un de ces noyaux impliqué dans la vision.



Fig 2 : Les corps genouillés latéraux font partie du thalamus (source :Thebrain- McGill.ca)

LeDoux a mis en évidence 2 circuits : un circuit rapide analyse l'image et détecte notamment les situations d'urgence et active les réactions émotionnelles (par l'amygdale) avant même que les influx soient parvenus au cerveau.

En parallèle, les influx continuent leur chemin vers le cortex qui analyse beaucoup plus finement et vient nuancer la perception, modifier les émotions via l'amygdale qui contrôle les signes de l'émotion (accélération du pouls, tension artérielle, adrénaline, transpiration etc) .

L'illustration de son site (ledouxlab) montre bien ces 2 circuits : circuit rapide en rose et plus élaboré en bleu puis vert.



Fig 3 : Circuit rapide et circuit complexe (LeDoux, 1994)

Dans son exemple classique, lorsqu'on voit une forme allongée sur le sol, le thalamus interprète comme un serpent et active les réactions corporelles qu sont pour lui l'émotion. Le cortex peu ensuite analyser plus finement et réaliser que ce n'était qu'un tuyau d'arrosage ou une racine et limiter ou moduler l'action de l'amygdale. Ce circuit est illustré fort bien illustré dans une belle illustration intranet (S&V)



Fig 4 : Schéma des 2 circuits de la peur dans l'excellent site lecerveau.mcgill.ca : ce site permet d'aborder les concepts à un niveau simple ou complexe.

La vision dans le thalamus est assez sommaire : elle analyse - très vite - une image dans ses formes générales floues (les basses résolutions ou basses fréquences diront les spécialistes du traitement du signal). Cette image peu détaillée détermine cependant de nombreux comportements.

La peur en ligne directe ?

L'équipe du Pr. Vuilleumier (dans le Pôle de recherche en émotions basé à l'UniGe) a été mentionnée il y a quelques temps dans le journal Campus (la peur en ligne directe article.pdf) pour ses recherches sur ce cheminement :

«Ces données indiquent que le cerveau est doté d'un système visuel parallèle au système classique et capable de le court-circuiter, poursuit Patrik Vuilleumier. Toutefois, si cette hypothèse est vraie, le système alternatif doit utiliser des images de basse résolution, ne comportant qu'un minimum de détails, ce qui permet leur transmission plus rapide.» Ils ont alors séparé une image en 2 composantes : l'une avec seulement les contours, nets, et l'autre plus floue (avec les basses fréquences spatiales merci Fourier) Les images floues véhiculaient la peur bien plus que celles qui sont nettes. ( L'article de Campus va bien sûr plus loin et discute notamment de l'interaction avec l'aire de reconnaissance des visages . Il vaut la lecture... tout en étant très accessible : excellent pour susciter des questions en classe...)
image intranet

 Fig 5 : la séparation d'une image en 2 composantes : l'une avec seulement les contours, nets, et l'autre plus floue (avec les basses fréquences spatiale) permet d'analyser laquelle cause la peur.

Visages ambigus

Jouant sur cette dissociation entre les composantes de l'image interprétées par le thalamus et le cortex (Schyns, P. et al. 1999)) dans un article intitulé de manière ironique Dr. Angry and Mr. Smile. ont fait une analyse très fine de la manière dont ces image produisaient des effets chez les gens : ils ont produit des images hybrides : un visage de femme exprimant la colère en basses fréquences (flou) et un visage calme en haute fréquences bien nettes, et l'inverse pour un homme. Vues de loin l'image du haut est plus effrayante et de près c'est l'inverse. essayez de vous éloigner 'dun mètre ou deux de votre écran...




Fig 6 : Deux visages hybrides(Schyns, P. et al. 1999) de près on voit l'image en hautes fréquences et on trouve l'homme de gauche plus en colère de loin on voit les basses fréquences et c'est la femme  droite qui parait plus en colère.

Le sourire énigmatique de la joconde : l'ambiguité serait-elle due au thalamus ?

Un article récent de science et Vie (I. L. (2007)Pourquoi dit-on que la Joconde a un sourire énigmatique?, Science et Vie, Février 2007) rapporte un article de Science (Livingstone, M. S. (2000)) qui discute de ce fameux sourire : ici aussi en séparant l'image en hautes fréquences (précis) et basses fréquences (flou) on a des expressions sensiblement différentes. Dans cet article, elle lie la perception des hautes et basse fréquences à la vision périphérique ou centrale. Je me demande si on ne pourrait pas aussi interpréter ces différences à la lumière de la fonction du thalamus... image intranet

Ainsi le Thalamus visuel est déjà bien plus riche qu'un simple connecteur !


Le thalamus fait tourner les têtes ?

Or il semble participer à de nombreuses autres fonctions : le pulvinar (en latin ce terme signifie l'oreiller) se trouve dans la partie postérieure du thalamus et semble impliqué dans l'intégration générale des informations sensorielles.

Il semble notamment qu'il est très impliqué dans le choix de ce qu'on regarde."Les auteurs concluent que ces neurones participent dans l'attention sélective Cette conclusion provient surtout des trois observations suivantes: (i) ces mêmes neurones déchargent lorsqu'un objet apparaît dans leur champs récepteur, ils sont donc capables de signaler un changement; (ii) leurs réponses changent si ce stimulus est une cible pour un comportement actif; (iii) ces neurones déchargent juste après la réalisation d'une saccade, même dans l'obscurité complète, ce qui serait utile pour un mécanisme attentionnel qui signalerait qu'une recherche attentionnelle ou un déplacement vient d'être accompli. Ces trois observations peuvent donc suggérer que: (i) une cible vient d'être détectée, (ii) elle a été sélectionnée pour un traitement approfondi, (iii) une saccade a été réalisée afin de l'examiner." (source : Michael G.A. 2005)

Ainsi si les jolies femmes font tourner la tête aux hommes et les beaux mecs aux femmes, c'est la faute (en partie) au Pulvinar dans le thalamus..

Le thalamus au centre de la régulation le sommeil / éveil

On se souvient news@Nature (Hopkin, 2007), (Bio-review 22aout) que stimuler le thalamus a pu rendre une personne dans un état de conscience minimale plus réactive et dans un article paru dans le même numéro, Shadlen (2007) y défendait l'idée que le thalamus serait un peu le centre qui reste toujours fonctionnel et réveille le reste : notamment le cortex.



Figure 7 : Une activation du Thalamus endort un chat éveillé. (source : Purves 2001) (B) Electrical stimulation of the thalamus causes an awake cat to fall asleep. Graphs show EEG recordings before and during stimulation.

Selon (Purves 2001) le sommeil / éveil résulte d'une interaction entre le thalamus et le cortex, eux mêmes influencés par des structures plus profondes. "In brief, the control of sleep and wakefulness depends on brainstem and hypothalamic modulation of the thalamus and cortex. It is this thalamocortical loop that generates the EEG signature of mental function along the continuum of deep sleep to high alert." image

On voit bien que ce sacré thalamus est bien plus qu'une prise !

Pour aller plus loin ...
  • Qu'en est-il pour l'audition et les autre sens : comme la vision est-ce que le Thalamus surveille et alerte en cas d'urgence ?
  • Ce thalamus toujours actif pourrait-il expliquer pourquoi les mamans (et certains papas ne soyons pas sexistes) n'entendent pas le bruit des camions sur la route mais se réveillent au moindre toussottement de leur enfant ?
  • Serait-ce la cause de cette faculté à ignorer les bruits habituels d'un maison connue, alors que ces mêmes bruits réveillent les invités ?
... Merci de me signaler toute erreur / complément / mise ne perspective en commentant dans ce blog

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