Les difficultés en mathématiques, une affaire de famille ? Ce qu’étudier le cerveau des parents et de leurs enfants nous apprend

Par Charlotte Constant-Varlet & Jérôme Prado

Pourquoi certains enfants ont-ils tant de mal avec les mathématiques, alors que d'autres semblent les apprivoiser sans difficulté ? Et pourquoi ces difficultés semblent-elles parfois concerner plusieurs membres d'une même famille ?

C'est à ces questions que notre équipe Cerveau, Comportement et Apprentissage du Centre de Recherche en Neurosciences de Lyon (https://bbl-lab.fr) s'intéresse depuis plusieurs années, en utilisant l'imagerie cérébrale pour mieux comprendre ce qui pourrait se transmettre (ou ne pas se transmettre) de parent à enfant.

Les nombres sont partout autour de nous et apprendre à les manipuler est certainement un objectif fondamental de l'école. Pourtant, apprendre les mathématiques est plus compliqué pour certains enfants que pour d'autres. Les raisons de ces disparités sont variées et peuvent trouver racine aussi bien dans des facteurs scolaires qu'extra-scolaires, notamment parce que l'environnement familial, l'anxiété vis-à-vis des mathématiques ou encore la place évaluative que cette discipline occupe dans nos sociétés peuvent influencer la façon dont les enfants abordent les apprentissages numériques.

La recherche s'accorde cependant à dire qu'environ 5 à 10 % des enfants présentent des difficultés importantes et persistantes en mathématiques dues à un trouble spécifique de l'apprentissage des mathématiques, aussi dénommé dyscalculie (Constant-Varlet & Prado, 2024 ; Noël & Karagiannakis, 2020). Malgré une intelligence normale et une scolarité adéquate, ces enfants peuvent présenter des difficultés profondes à comprendre le concept de nombre et les relations entre les nombres, à mémoriser des faits arithmétiques ou à effectuer des calculs. Ces difficultés ne se limitent pas à la salle de classe. Elles peuvent aussi être handicapantes dans beaucoup d'activités quotidiennes, comme lire l'heure, manipuler de la monnaie, gérer un budget, se repérer sur une carte ou suivre une recette de cuisine. Elles sont donc susceptibles d'avoir des conséquences importantes sur la vie personnelle des enfants, mais aussi sur leur vie professionnelle future. Pour aider à mieux illustrer ces difficultés, nous avons d'ailleurs imaginé des jeux permettant de se mettre dans la peau d'une personne dyscalculique à travers des situations de la vie quotidienne (à retrouver ici).

Un trouble qui se retrouve dans les familles

Tout comme ce qui est observé pour le trouble spécifique d'apprentissage de la lecture (c'est-à-dire la dyslexie), le trouble spécifique d'apprentissage des mathématiques a tendance à se retrouver de façon plus fréquente au sein des mêmes familles. Il est important de préciser ici que beaucoup d’enfants dont un parent présente une dyscalculie ne développeront pas eux-mêmes le trouble. La dyscalculie peut d'ailleurs tout à fait survenir chez des enfants dont aucun parent n'est concerné. Il ne s'agit donc en aucun cas d'une fatalité. Néanmoins, on sait que naître dans une famille au sein de laquelle la dyscalculie est présente augmente le risque de développer le trouble d'un facteur de 10 par rapport à la population générale (Shalev et al., 2001). Ce risque familial est donc suffisamment marqué pour mériter qu'on s'y intéresse de près.

Des origines multiples et entremêlées

Comme pour la plupart de nos comportements et compétences, les raisons de cette transmission familiale sont multiples. Il existe sans nul doute une composante génétique non négligeable, attestée notamment par des études de jumeaux montrant que les compétences en mathématiques sont en partie héritables (par exemple Alarcón et al., 1997). Mais les facteurs environnementaux jouent aussi un rôle. Plusieurs études ont ainsi montré que les activités et interactions familiales autour des mathématiques à la maison (par exemple la fréquence avec laquelle les parents comptent, jouent à des jeux de nombres ou parlent de quantités avec leurs enfants) sont associées aux compétences mathématiques des enfants, comme nous avons pu le montrer dans plusieurs de nos travaux (Girard & Prado, 2022). Cela ne signifie pas qu'un environnement familial moins riche en mathématiques serait la cause d'une dyscalculie. En effet, le trouble a des origines neurodéveloppementales qui ne se résument pas à l'environnement (Noël & Karagiannakis, 2020). Mais ces facteurs pourraient agir comme des modulateurs, jouant un rôle protecteur chez certains enfants ou constituant un facteur de risque supplémentaire chez d'autres. Et bien sûr, facteurs génétiques et environnementaux sont en constante interaction, ce qui rend leurs poids respectifs difficiles à démêler.

Mais qu'est-ce qui est transmis exactement ?

Au-delà de la question de l'origine génétique ou environnementale de cette transmission, une question fondamentale reste en suspens : quel est le type spécifique de déficit qui est transmis de parent à enfant lorsque des difficultés sont rapportées au sein des deux générations ?

En effet, les mathématiques font appel à des compétences variées. Certaines sont spécifiques au domaine numérique, comme notre capacité à nous représenter des quantités, qu'il s'agisse de quantités non symboliques (par exemple des ensembles d'objets) ou symboliques (par exemple des chiffres arabes). D'autres sont plus générales, comme la mémoire de travail, c'est-à-dire notre capacité à maintenir et manipuler temporairement des informations en mémoire (cette capacité que l'on mobilise par exemple lorsqu'on retient mentalement des nombres en faisant un calcul de tête). Comprendre quels aspects de notre fonctionnement cognitif sont à la fois impliqués dans nos compétences en mathématiques et transmis de parents à enfants permettrait de mieux comprendre pourquoi des difficultés peuvent se retrouver dans les familles.

Ce que l'imagerie cérébrale nous apprend

C'est précisément cette question que nous avons explorée dans une étude récente (Constant-Varlet et al., 2025). Grâce à l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf), nous avons étudié si certaines régions cérébrales présentaient une similarité dans leur fonctionnement chez des mères et leurs enfants de 8 ans lorsqu'ils étaient engagés dans la même tâche de calcul mental (résoudre des additions ou des soustractions simples).

Des similarités dans les schémas d’activité cérébrale  (c'est-à-dire dans la façon dont l'activité cérébrale s'organise lorsque les participants calculent) sont apparues dans trois régions du cerveau : l'insula antérieure gauche et droite ainsi que le gyrus précentral gauche (voir figure). Ces zones jouent un rôle important dans le calcul arithmétique, car elles soutiennent des fonctions dites générales comme l'attention ou la mémoire de travail.

Figure : Les mères et leurs enfants résolvaient des calculs arithmétiques simples pendant que leur activité cérébrale était enregistrée par IRMf (à gauche). La similarité entre les schémas d'activité cérébrale pour chaque duo mère-enfant était ensuite recherchée dans l’ensemble du cerveau (au centre). Cette similarité a été mise en évidence dans l’insula antérieure et le gyrus précentral (à droite).

Cette étude portait sur des familles dans lesquelles aucune dyscalculie n'avait été diagnostiquée, ce qui nous a permis d'identifier les mécanismes cérébraux qui se transmettent dans le cadre du développement typique. Nos résultats suggèrent qu'il existerait une transmission de processus cognitifs généraux (comme la mémoire de travail) entre parents et enfants. Étant donné le rôle de ces processus dans les performances en mathématiques, cela pourrait potentiellement contribuer à expliquer la transmission de difficultés entre parents et enfants.

Fait intéressant, dans une étude complémentaire, nous avons montré que lorsque les mères et leurs enfants devaient simplement traiter des quantités de points (et non pas manipuler des chiffres dans des calculs), une similarité dans les schémas d'activité cérébrale était observée cette fois dans le sillon intrapariétal, une région davantage spécialisée dans la représentation des quantités numériques (Constant-Varlet et al., soumis). Autrement dit, ce qui est transmis de parent à enfant au niveau cérébral dépend du type de tâche considérée : les mécanismes transmis sont probablement multiples et ne se limitent pas à un seul aspect du traitement numérique.

Notre étude en cours : quand les difficultés se transmettent

Il reste difficile de dire si ces mêmes mécanismes sont en jeu lorsque ce sont des difficultés qui se transmettent au sein d'une famille. Répondre à cette question est précisément l'objectif de notre étude actuelle (le projet GENMATH, financé par l'Agence Nationale de la Recherche, voir ici), dans laquelle nous recrutons actuellement dans la région lyonnaise des familles dans lesquelles le parent ou l'enfant (ou les deux) ont des difficultés en mathématiques. L'objectif est d'identifier les aspects du fonctionnement cérébral qui sont similaires dans les familles où les difficultés se transmettent, et de comparer ces similarités à celles observées dans d'autres familles où les difficultés ne sont pas présentes à la fois chez le parent et l'enfant.

Pour cela, les familles sont invitées à participer à deux rendez-vous. Lors du premier, le parent et l'enfant réalisent plusieurs activités de mathématiques, de lecture et de raisonnement. L'enfant découvre également une fausse IRM gonflable, afin de se familiariser avec l'environnement de l'IRM. Lors du second rendez-vous, le parent et l'enfant passent chacun une IRM, qui nous permet de mesurer l'activité de leur cerveau pendant qu'ils effectuent plusieurs tâches. Nous faisons l'hypothèse que dans les familles où parent et enfant présentent tous deux des difficultés en mathématiques, les schémas d'activité cérébrale mesurés en IRMf seraient plus similaires que dans les autres familles. En effet, si ces difficultés reflètent un mode de traitement atypique des nombres qui se transmet au sein de la famille, alors les parents et enfants partageant ces difficultés devraient aussi partager des schémas d'activité cérébrale plus proches que ceux observés dans des familles où les compétences en mathématiques sont plus variables d'une génération à l'autre.  

Cette approche nous permettra d'identifier les mécanismes neuronaux sous-jacents à la transmission du trouble, et ainsi de mieux caractériser son profil neuronal. À terme, ces connaissances pourraient ouvrir la voie à de nouvelles stratégies de prévention. Elles pourraient bénéficier aux parents, dont les difficultés en mathématiques n'ont souvent jamais été identifiées. Mais l'objectif principal est surtout d'identifier des marqueurs cérébraux qui permettraient de repérer plus tôt les enfants susceptibles de rencontrer des difficultés, afin de mieux adapter les accompagnements éducatifs et cliniques. Car plus une prise en charge est précoce, plus elle a de chances d'être efficace.

Pour en savoir plus sur notre étude : Participez - Équipe Cerveau, Comportement et Apprentissage - Brain, Behavior, and Learning Lab

Reférences :

• Alarcón, M., DeFries, J. C., Light, J. G., & Pennington, B. F. (1997). A twin study of mathematics disability. Journal of Learning Disabilities, 30(6), 617–623. https://doi.org/10.1177/002221949703000605

• Constant-Varlet, C., Nakai, T., Longo, L., Bouchet, H., & Prado, J. (2025). Familial transmission of neural representations for mental arithmetic across two generations. Proceedings of the National Academy of Sciences, 122(33), e2421528122. https://doi.org/10.1073/pnas.2421528122

• Constant-Varlet, C., Nakai, T., Longo, L., Bouchet, H., & Prado, J. (soumis). Neural representations of non-symbolic magnitudes show familial specificity in the right intraparietal sulcus.

• Constant-Varlet, C., & Prado, J. (2024). Bases neuronales du trouble des apprentissages en mathématiques. In Troubles de la cognition mathématique. De la compréhension aux interventions (De Boeck Supérieur).

• Girard, C., & Prado, J. (2022). Quels sont les liens entre les compétences en mathématiques des enfants et leur environnement familial d’apprentissage? Une revue de la littérature. (180).

• Noël, M.-P., & Karagiannakis, G. (2020). Dyscalculie et difficultés d’apprentissage en mathématiques: Guide pratique de prise en charge. De Boeck supérieur.

• Shalev, R. S., Manor, O., Kerem, B., Ayali, M., Badichi, N., Friedlander, Y., & Gross-Tsur, V. (2001). Developmental Dyscalculia Is a Familial Learning Disability. Journal of Learning Disabilities, 34(1), 59–65. https://doi.org/10.1177/002221940103400105

Auteur·e :

Charlotte Constant-Varlet

Doctorante au laboratoire de Cerveau, Comportement et Apprentissage du Centre de Recherche en Neurosciences

Jérôme Prado

Directeur de recherche au au laboratoire de Cerveau, Comportement et Apprentissage du Centre de Recherche en Neurosciences

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English version

Are struggles with math a family affair? What studying the brains of parents and their children tells us

By Charlotte Constant-Varlet & Jérôme Prado

Why do some children struggle so much with mathematics, while others seem to grasp the subject with ease? And why do these difficulties sometimes seem to affect several members of the same family?

Our research team Brain, Behavior, and Learning at the Lyon Neuroscience Research Center (https://bbl-lab.fr) has been exploring these questions for several years, using brain imaging to better understand what might be passed on (or not) from parent to child.

Numbers are all around us, and learning to use them is certainly a fundamental goal of schooling. Yet learning math is more complicated for some children than for others. The reasons for these disparities are varied and can be rooted in both school and non-school factors, particularly because the family environment, anxiety about mathematics, and the evaluative role that this subject plays in our societies can influence the way children approach numerical learning.

However, research agrees that approximately 5 to 10% of children have significant and persistent difficulties in mathematics due to a specific learning disorder in mathematics, also known as dyscalculia (Constant-Varlet & Prado, 2024; Noël & Karagiannakis, 2020). Despite normal intelligence and adequate schooling, these children may have profound difficulties understanding the concept of numbers and the relationships between numbers, memorizing arithmetic facts, or performing calculations.

These difficulties are not limited to the classroom. They can also affect many everyday activities, such as telling the time, handling money, managing a budget, finding your way around a map, or following a recipe. They are therefore likely to have a significant impact on children's personal lives, as well as their future professional lives.

To help illustrate these difficulties, we have developed games that allow players to put themselves in the shoes of a person with dyscalculia through everyday situations (available here).

A disorder that runs in families

As with specific learning disorder in reading (i.e., dyslexia), specific learning disorder in mathematics tends to run in families. It is important to note that many children with a parent who has dyscalculia will not develop the disorder themselves. Dyscalculia can also occur in children whose parents are not affected. Nevertheless, we know that being born into a family with dyscalculia increases the risk of developing the disorder by a factor of 10 compared to the general population (Shalev et al., 2001). This familial risk is therefore significant enough to warrant close attention.

Multiple and intertwined origins

As with most of our behaviors and skills, there are many reasons for this familial transmission. There is undoubtedly a significant genetic component, as evidenced by twin studies showing that mathematical skills are partly heritable (for instance Alarcón et al., 1997). But environmental factors also play a role. Several studies have shown that family activities and interactions involving mathematics at home (e.g., how often parents count, play number games, or talk about quantities with their children) are associated with children's mathematical skills, as we have shown in our research (Girard & Prado, 2022). This does not mean that a less math-rich family environment is the cause of dyscalculia. Indeed, the disorder has neurodevelopmental origins that cannot be reduced to the environment (Noël & Karagiannakis, 2020). However, these factors could act as modulators, playing a protective role in some children or constituting an additional risk factor in others. And, of course, genetic and environmental factors are in constant interaction, making it difficult to disentangle their respective influences.

But what exactly is being passed on?

Beyond the question of whether this transmission is genetic or environmental in origin, a fundamental question remains unanswered: what specific type of deficit is passed on from parent to child when difficulties are reported in both generations?

Mathematics requires a variety of skills. Some are specific to the numerical domain, such as our ability to represent quantities, whether non-symbolic (e.g., sets of objects) or symbolic (e.g., Arabic numerals). Others are more general, such as working memory, i.e., our ability to temporarily maintain and manipulate information in memory (the ability we use, for example, when we mentally retain numbers while doing a calculation in our heads). Understanding which aspects of our cognitive functioning are both involved in our mathematical abilities and passed on from parents to children would provide a better understanding of why difficulties can run in families.

What brain imaging tells us

This is precisely the question we explored in a recent study (Constant-Varlet et al., 2025). Using functional magnetic resonance imaging (fMRI), we investigated whether certain brain regions showed similarities in their functioning in mothers and their 8-year-old children when they were engaged in the same mental arithmetic task (solving simple addition or subtraction problems).

Similarities in brain activity patterns (i.e., in the way brain activity is organized when participants are calculating) appeared in three regions of the brain: the left and right anterior insula and the left precentral gyrus (see figure). These areas play an important role in arithmetic calculation, as they support general functions such as attention and working memory.

Figure: Mothers and their children solved simple arithmetic problems while their brain activity was recorded by fMRI (left). The similarity between the brain activity patterns for each mother-child pair was then sought throughout the brain (center). This similarity was found in the anterior insula and precentral gyrus (right).

This study focused on families in which no dyscalculia had been diagnosed, allowing us to identify the brain mechanisms that may be transmitted during typical development. Our results suggest that there may be a transmission of general cognitive processes (such as working memory) between parents and children. Given the role of these processes in mathematical performance, this could potentially help explain the transmission of difficulties between parents and children.

Interestingly, in a complementary study, we showed that when mothers and their children were simply asked to process quantities of dots (rather than manipulate numbers in calculations), a similarity in brain activity patterns was observed this time in the intraparietal sulcus, a region more specialized in the representation of numerical quantities (Constant-Varlet et al., submitted). In other words, what is transmitted from parent to child at the cerebral level depends on the type of task considered: the mechanisms transmitted are probably multiple and are not limited to a single aspect of numerical processing.

Our ongoing study: when difficulties are passed on

It remains difficult to say whether these same mechanisms are at play when difficulties are passed on within a family.

Answering this question is precisely the objective of our current study (the GENMATH project, funded by the National Research Agency, see here), in which we are currently recruiting families in the Lyon area in which the parent or child (or both) have difficulties with mathematics. The goal is to identify aspects of brain function that are similar in families where difficulties are passed on, and to compare these similarities with those observed in other families where difficulties are not present in both the parent and the child.

To do this, families are invited to participate in two appointments. During the first appointment, the parent and child complete several math, reading, and reasoning activities. The child also discovers a mock inflatable MRI machine to familiarize themselves with the MRI environment. During the second session, the parent and child each undergo an MRI scan, which allows us to measure their brain activity while they perform several tasks. We hypothesize that in families where both parent and child have difficulties with mathematics, the patterns of brain activity measured by fMRI would be more similar than in other families. Indeed, if these difficulties reflect an atypical way of processing numbers that is passed down within the family, then parents and children sharing these difficulties should also share brain activity patterns that are more similar than those observed in families where mathematical skills vary more from one generation to the next.

This approach will enable us to identify the neural mechanisms underlying the transmission of the disorder and thus better characterize its neural profile. Ultimately, this knowledge could pave the way for new prevention strategies. This could benefit parents, whose difficulties with mathematics have often never been identified. But the main objective is to identify brain markers that would enable earlier detection of children likely to encounter difficulties, in order to better tailor educational and clinical support. The earlier support begins, the more likely it is to be effective.

To learn more about our study: Participate - Brain, Behavior, and Learning Lab - Équipe Cerveau, Comportement et Apprentissage

Reférences :

• Alarcón, M., DeFries, J. C., Light, J. G., & Pennington, B. F. (1997). A twin study of mathematics disability. Journal of Learning Disabilities, 30(6), 617–623. https://doi.org/10.1177/002221949703000605

• Constant-Varlet, C., Nakai, T., Longo, L., Bouchet, H., & Prado, J. (2025). Familial transmission of neural representations for mental arithmetic across two generations. Proceedings of the National Academy of Sciences, 122(33), e2421528122. https://doi.org/10.1073/pnas.2421528122

• Constant-Varlet, C., Nakai, T., Longo, L., Bouchet, H., & Prado, J. (soumis). Neural representations of non-symbolic magnitudes show familial specificity in the right intraparietal sulcus.

• Constant-Varlet, C., & Prado, J. (2024). Bases neuronales du trouble des apprentissages en mathématiques. In Troubles de la cognition mathématique. De la compréhension aux interventions (De Boeck Supérieur).

• Girard, C., & Prado, J. (2022). Quels sont les liens entre les compétences en mathématiques des enfants et leur environnement familial d’apprentissage? Une revue de la littérature. (180).

• Noël, M.-P., & Karagiannakis, G. (2020). Dyscalculie et difficultés d’apprentissage en mathématiques: Guide pratique de prise en charge. De Boeck supérieur.

• Shalev, R. S., Manor, O., Kerem, B., Ayali, M., Badichi, N., Friedlander, Y., & Gross-Tsur, V. (2001). Developmental Dyscalculia Is a Familial Learning Disability. Journal of Learning Disabilities, 34(1), 59–65. https://doi.org/10.1177/002221940103400105

Authors:

Charlotte Constant-Varlet

Doctorante au laboratoire de Cerveau, Comportement et Apprentissage du Centre de Recherche en Neurosciences

Jérôme Prado

Directeur de recherche au au laboratoire de Cerveau, Comportement et Apprentissage du Centre de Recherche en Neurosciences