Normalien, avec une maîtrise de mathématiques appliquées et un doctorat de psychologie cognitive, il est chercheur à l'unité INSERM-CEA de Neuro Imagerie cognitive, qu'il dirige, et professeur au Collège de France (chaire de psychologie cognitive expérimentale). Il est notamment l'auteur de La bosse des maths, livre dans lequel il analyse le fonctionnement cérébral lors du traitement des nombres.
Il a étudié le processus de la lecture, et a par exemple découvert qu'elle met systématiquement en jeu une zone cérébrale, située au même endroit chez tous les individus, baptisée alors « aire de la forme visuelle des mots ». C'est notamment lui qui a mis en évidence le paradoxe que pose la lecture en elle-même, puisqu'elle ne saurait être un phénomène naturel, et qu'il s'agit d'une « invention » trop récente à l'échelle de l'évolution pour que notre cerveau ait pu s'y adapter.
Il a également réalisé les toutes premières expériences d'imagerie cérébrale du traitement subliminal des mots. En découvrant que les zones stimulées lorsque l'on est soumis à des mots subliminaux font partie de celles qui participent au processus de lecture et que leur activation, même inconsciente, permet une reconnaissance plus rapide du mot, il pose la question suivante : et si la lecture était tout d'abord un processus inconscient ?
Il est cité par Gilles de Robien pour soutenir sa politique, notamment lors de son allocution au Collège de France en octobre 2006. Selon le ministre, son initiative aurait permis de jeter des ponts entre deux communautés étudiant le sujet de l'apprentissage : d'un côté les spécialistes et praticiens de la pédagogie, qui travaillent au niveau de l'individu, et de l'autre les spécialistes des mécanismes cérébraux, qui travaillent au niveau de la cellule et des processus neuronaux.
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