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Formée en biologie à l'Ecole Normale Supérieure de Paris, la Professeure Bavelier a ensuite obtenu un doctorat en sciences du cerveau et de la cognition au Massachusetts Institute of Technology, (Boston, USA) avant de se spécialiser dans la plasticité du cerveau humain au Salk Institute (San Diego, USA).
Elle a rejoint l'université de Georgetown (Washington DC, États-Unis) au sein du Département de neurologie, avant de passer, en 1999, au Département de Sciences du cerveau et de la cognition de l'université de Rochester (Rochester, NY, USA). En 2011, elle a été nommée Professeure Ordinaire à la Faculté de psychologie et des sciences de l'éducation de l'Université de Genève, en Suisse.
Au fil des ans, Dr Bavelier a rédigé plus de 100 articles scientifiques et a reçu plusieurs prix, dont récemment le prix de recherche Klaus J. Jacobs 2019, doté d'un million de francs suisses, pour ses recherches sur la promotion de la plasticité du cerveau et l'apprentissage par le jeu. Dans le cadre de son intérêt pour la manière d'exploiter le pouvoir des nouveaux médias en faveur de la santé et de l'éducation, elle est co-fondatrice et conseillère scientifique d'Akili Interactive, une société qui développe des thérapies cognitives validées cliniquement qui exploitent les jeux vidéo. Au fil des ans, elle a notamment agi en tant qu'experte auprès du Bureau de la politique scientifique et technologique de la Maison Blanche ou du Forum économique mondial (WEF) pour des projets tels que le projet d'agenda mondial sur la "Nouvelle vision de l'éducation" : Libérer le potentiel de la technologie", ou le Conseil du Forum économique mondial sur l’amélioration de l’humain (Human Enhancement).