S’il n’est pas certain qu’il existe une méthode commune à toutes les disciplines des sciences naturelles et des sciences humaines, toutes s’accordent néanmoins sur l’idée qu’une conclusion scientifique doit être fondée sur des observations quantifiables. Dans les sciences expérimentales, ces observations sont obtenues lors d’expériences spécialement mises en place par le chercheur pour isoler le phénomène qui l’intéresse de manière reproductible [1].

Dans ce contexte, les sciences cognitives cherchent donc elles aussi à examiner leur objet d’étude, la cognition, par le biais d’expériences permettant de réaliser des mesures quantitatives. Mais comment mesure-t-on la cognition ? Il y a deux approches possibles, qui séparent les sciences cognitives en deux grands sous-domaines.

Observations neurophysiologiques et observations comportementales

Une première approche part du principe que le cerveau est le substrat de la cognition. Ceci étant, il devrait être possible mesurer la cognition indirectement en mesurant l’activité du cerveau. C’est la méthode adoptée par les neurosciences, à travers de nombreuses techniques d’imagerie comme l’EEG (électroencéphalographie), la MEG (magnétoencéphalographie), ou l’IRMf (imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle). Une expérience « typique » de neurosciences consiste donc à demander à un sujet de réaliser une tâche impliquant le processus cognitif étudié, tout en enregistrant son activité cérébrale. On pourra par exemple mettre en évidence la mémoire à court terme en demandant aux participants de catégoriser un nombre X comme appartenant ou n’appartenant pas à la liste de nombres présentée juste avant. L’analyse de l’activité EEG durant cette tâche, et la comparaison de cette activité avec celle évoquée lors d’une tâche contrôle similaire en tous points mais n’impliquant pas la mémoire à court terme (p. ex. catégoriser X comme un nombre pair ou impair sans tenir compte de la liste de nombres présentée juste avant) permet d’étudier la chronologie et la localisation sur le cortex des mécanismes impliqués dans l’accès à la mémoire à court terme [2].

C’est le plus souvent ce genre d’expériences qui vient à l’esprit quand on parle de sciences cognitives. Il existe cependant une seconde approche, plus simple à mettre en place et qui précède historiquement les neurosciences : celle suivie par la psychologie expérimentale. Il s’agit ici de mesurer non plus les activations qui ont lieu dans le cerveau, mais les réactions ou les réponses du sujet lorsqu’il est placé dans une situation donnée ou lorsqu’il réalise une tâche donnée. La psychologie expérimentale est donc l’étude de la cognition sur la seule base des comportements directement observables.  Les temps de réaction des participants sont ainsi utilisés comme une mesure de la complexité des traitement cognitifs effectués durant la tâche, ou le taux de succion non nutritive du jeune enfant comme indicateur de son niveau d’attention.

La cognition, un objet distant

Dans le cas des neurosciences comme dans celui de la psychologie expérimentale, nous sommes donc très loin d’une observation directe, « à l’œil nu » : l’objet d’étude, la cognition, n’est jamais testable en tant que tel, mais seulement dans ses manifestations indirectes sur le comportement ou l’activité électromagnétique des neurones.

Un exemple frappant de cette distance entre l’objet étudié et la mesure réalisée est celui de l’image IRMf. Celle-ci est souvent interprétée comme une « photographie » de l’activité cognitive du sujet à un instant donné : lorsque l’on observe ces tâches de couleurs qui apparaissent et disparaissent en temps réel, on ne peut s’empêcher d’avoir l’impression de regarder le cerveau en fonctionnement. Pourtant l’image IRMf est très éloignée d’une observation directe. Il s’agit, en résumé, d’une mesure de la concentration en oxygène dans le sang alimentant les différentes zones du cerveau. Les propriétés électromagnétiques de l’hémoglobine chargée en oxygène étant différentes de celles de l’hémoglobine désoxygénée, il est possible de mesurer leurs concentrations relatives en envoyant des impulsions magnétiques sur le cerveau. Le signal récupéré en périphérie du cerveau est ensuite traité informatiquement pour supprimer les artefacts de mesure, inférer la localisation des sources à l’intérieur du cerveau, et finalement reconstruire l’image IRMf. On est donc très loin d’une photographie directe [3].

Au final, les sciences cognitives sont donc entièrement fondées sur l’observation d’épiphénomènes de la cognition, et la recherche en science cognitive consiste en grande partie à trouver un « indicateur » efficace du processus cognitif caché qui nous intéresse [4]. Cet indicateur peut être une mesure neurophysiologique dans le cas des neurosciences ou une mesure comportementale dans le cas de la psychologie expérimentale.

Il est important de garder à l’esprit le caractère « distant » des observations en sciences cognitives pour ne pas surévaluer les conclusions qu’il est possible d’en tirer. Ceci est particulièrement vrai pour les études impliquant des images de cerveau puisque, comme on l’a vu, celles-ci donnent l’impression de l’immédiateté d’une photographie alors qu’elles ne sont en réalité qu’une visualisation extrêmement indirecte des mécanismes cérébraux sous-tendant la cognition à partir de la déformation du champ électromagnétique en périphérie de la boîte crânienne. Affirmer que les images de cerveau démontrent la validité d’une méthode pédagogique, d’un modèle économique ou d’une décision de justice présente donc un risque de dérive idéologique.

Cela signifie-t-il que la cognition est impénétrable et qu’il est impossible de tirer des conclusions en sciences cognitives ? Non, simplement que pour s’assurer de la robustesse de nos résultats expérimentaux il faut multiplier les observations d’un même phénomène cognitif par des biais différents, neurophysiologiques et comportementaux.

[1] Israël-Jost, V. (2015). L’observation scientifique. Aspects philosophiques et pratiques. Classiques Garnier.

[2] Conley, E. M., Michalewski, H. J., Starr, A. (1999). The N100 auditory cortical evoked potential indexes scanning of auditory short-term memory. Clinical Neurophysiology, 110, 2086-2093.

[3] Tiberghien, G. (2007). Entre neurosciences et neurophilosophie : la psychologie cognitive et les sciences cognitives. Psychologie française, 52, 279-297.

[4] Tiberghien, G. & Jeannerod, M. (1995). Pour la science cognitive. La métaphore cognitive est-elle scientifiquement fondée ? Revue Internationale de Psychopathologie, 18, 173-203.

Illustration et vidéo : Alluri, V., Toiviainen, P., Jääskeläinen, I.P., Glerean, E., Sams, M. & Brattico, E. (2012). Large-scale brain networks emerge from dynamic processing of musical timbre, key and rhythm. NeuroImage, doi:10.1016/j.neuroimage.2011.11.019