Vývoj mozku: Neurověda učení pro efektivní vzdělávání

Dosud se tato lekce zaměřovala na fungování vyzrálého CNS. Mnoho pedagogů však pracuje s předškoláky, dětmi a adolescenty. Téma vývoje mozku je zajímavé nejen samo o sobě, ale také proto, že vzdělávací důsledky pro výuku a učení se liší v závislosti na úrovni vývoje mozku. V úvodním scénáři Bryan zdůrazňuje, že je důležité, aby pedagogové rozuměli vývoji mozku. Tato část pojednává o vlivných faktorech ovlivňujících vývoj, průběhu vývoje, kritických obdobích ve vývoji a roli vývoje v osvojování a používání jazyka.

Přestože jsou lidské mozky strukturálně podobné, existují mezi jednotlivci rozdíly. Pět vlivů na vývoj mozku jsou genetika, environmentální stimulace, výživa, steroidy a teratogeny (Byrnes, 2001).

Genetika

Lidský mozek se liší velikostí a složením od mozků jiných zvířat. Ačkoli rozdíl mezi lidským genomem a genomem našeho nejbližšího zvířecího příbuzného (šimpanze) je pouze 1,23 % (Lemonick & Dorfman, 2006), tento rozdíl a další genetické variace vytvářejí druh, který dokáže navrhovat a stavět mosty, skládat hudbu, psát romány, řešit složité rovnice a tak dále.

Lidské mozky mají podobnou genetickou strukturu, nicméně se liší velikostí a strukturou. Studie monozygotických (jednovaječných) dvojčat ukazují, že se u nich někdy vyvíjejí mozky, které jsou strukturálně odlišné (Byrnes, 2001). Genetické instrukce určují velikost, strukturu a neuronové propojení mozku. Většinou tyto rozdíly vedou k normálně fungujícím mozkům, ale výzkum mozku pokračuje v identifikaci toho, jak určité genetické rozdíly způsobují abnormality.

Faktory ovlivňující vývoj mozku:

• Genetika
• Environmentální stimulace
• Výživa
• Steroidy
• Teratogeny

Environmentální stimulace

Vývoj mozku vyžaduje stimulaci z prostředí. Prenatální vývoj připravuje půdu pro učení tím, že vyvíjí neuronové obvody, které mohou přijímat a zpracovávat podněty a zkušenosti. Tyto zkušenosti dále formují obvody přidáváním a reorganizací synapsí. Například těhotné ženy, které mluví a zpívají svým dětem, mohou prostřednictvím své řeči a zpěvu pomoci vytvořit neuronová spojení u dětí (Wolfe, 2001). Vývoj mozku zaostává, když chybí nebo jsou minimální zkušenosti. Ačkoli existují určitá kritická období, kdy stimulace může mít hluboké účinky (Jensen, 2005), výzkum naznačuje, že stimulace je důležitá po celou dobu života, aby byl zajištěn nepřetržitý vývoj mozku.

Výživa

Nedostatek kvalitní výživy může mít zásadní vliv na vývoj mozku a konkrétní účinky závisí na tom, kdy k nedostatečné výživě dojde (Byrnes, 2001). Prenatální podvýživa například zpomaluje produkci a růst neuronů a gliových buněk. Kritické období je mezi 4. a 7. měsícem těhotenství, kdy se produkuje většina mozkových buněk (Jensen, 2005). Pozdější podvýživa zpomaluje, jak rychle buňky rostou a získávají myelinovou pochvu. Ačkoli lze druhý problém napravit správnou stravou, první nelze, protože se vyvinulo příliš málo buněk. Proto se těhotným ženám doporučuje vyhýbat se drogám, alkoholu a tabáku; udržovat dobrou stravu; a vyhýbat se stresu (stres také způsobuje problémy pro vyvíjející se plod).

Steroidy

Steroidy se vztahují ke třídě hormonů, které ovlivňují několik funkcí, včetně sexuálního vývoje a stresových reakcí (Byrnes, 2001). Steroidy mohou ovlivnit vývoj mozku různými způsoby. Mozek má receptory pro hormony. Hormony jako estrogen a kortizol budou absorbovány a potenciálně změní strukturu mozku během prenatálního vývoje. Nadměrné stresové hormony mohou způsobit smrt neuronů. Vědci také zkoumali, zda rozdíly v pohlaví a sexuálních preferencích vznikají částečně v důsledku rozdílů ve steroidech. Ačkoli důkazy o roli steroidů ve vývoji mozku jsou méně průkazné než u výživy, steroidy mají potenciál ovlivnit mozek.

Teratogeny

Teratogeny jsou cizí látky (např. alkohol, viry), které mohou způsobit abnormality u vyvíjejícího se embrya nebo plodu (Byrnes, 2001). Látka je považována za teratogen pouze tehdy, pokud výzkum ukáže, že nereálně vysoká hladina může ovlivnit vývoj mozku. Například kofein v malém množství nemusí být teratogen, ale může se jím stát, když je příjem vyšší. Teratogeny mohou mít vliv na vývoj a propojení neuronů a gliových buněk. V extrémních případech (např. virus zarděnek) mohou způsobit vrozené vady.

Během prenatálního vývoje mozek roste co do velikosti a struktury, stejně jako v počtu neuronů, gliových buněk a nervových spojení (synapsí). Prenatální vývoj mozku je rychlý, protože probíhá v průběhu devíti měsíců a většina buněk se tvoří mezi 4. a 7. měsícem (Jensen, 2005). Buňky putují vzhůru nervovou trubicí, migrují do různých částí mozku a vytvářejí spojení. Odhaduje se, že ve svém vrcholu embryo vytváří čtvrt milionu mozkových buněk za minutu.

Při narození má mozek přes milion spojení, což představuje asi 60 % maximálního počtu synapsí, které se vyvinou během života (Jensen, 2005). Vzhledem k těmto číslům není divu, že prenatální vývoj je tak důležitý. Změny, které se tehdy udály, mohou mít dalekosáhlé a trvalé následky.

Vývoj mozku probíhá rychle i u kojenců. Ve věku 2 let bude mít dítě tolik synapsí jako dospělý a ve věku 3 let jich bude mít o miliardy více než dospělý. Mozky malých dětí jsou husté a mají mnoho složitých nervových spojení a více než kdy jindy v životě (Trawick-Smith, 2003).

Ve skutečnosti mají malé děti příliš mnoho synapsí. Asi 60 % energie kojenců spotřebovávají jejich mozky; pro srovnání, mozky dospělých vyžadují pouze 20–25 % (Brunton, 2007). S vývojem děti a dospívající ztrácejí mnohem více mozkových synapsí, než získávají. Než dospívající dosáhnou 18 let, ztratí asi polovinu svých dětských synapsí. Mozková spojení, která nejsou používána nebo potřebná, jednoduše zmizí. Tato strategie „použij to, nebo ztrať“ je žádoucí, protože spojení, která jsou používána, budou posílena a upevněna, zatímco ta, která používána nejsou, budou trvale ztracena.

Ve věku 5 let si dítě osvojilo jazyk a vyvinulo si senzomotorické dovednosti a další kompetence. Rychlé změny prvních let se zpomalily, ale mozek nadále přidává synapse. Nervové sítě se stávají složitějšími ve svých vazbách. Tento proces pokračuje po celou dobu vývoje.

Jak poznamenal Bryan v úvodní vinětě, během dospívání dochází k velkým změnám, kdy mozek prochází strukturálními změnami (Jensen, 2005). Čelní laloky, které se zabývají abstraktním uvažováním a řešením problémů, dozrávají a temenní laloky se zvětšují. Prefrontální kůra, která řídí úsudky a impulzy, dozrává pomalu (Shute, 2009). Dochází také ke změnám v neurotransmiterech – zejména dopaminu – které mohou způsobit, že mozek bude citlivější na příjemné účinky drog a alkoholu. Dochází k zahušťování mozkových buněk a masivní reorganizaci synapsí, což z něj činí klíčové období pro učení. Strategie „použij to, nebo ztrať“ vede k tomu, že se mozkové oblasti posilují cvičením (např. cvičení na klavír zahušťuje neurony v mozkové oblasti ovládající prsty) (Wallis, 2004).

Vzhledem k těmto rozsáhlým změnám v mozku není překvapivé, že dospívající často dělají špatná rozhodnutí a pouštějí se do rizikového chování zahrnujícího drogy, alkohol a sex. Instruktážní strategie musí tyto změny brát v úvahu.

Mnoho knih o výchově dětí zdůrazňuje, že první dva roky života představují kritické období, kdy pokud nenastanou určité zkušenosti, vývoj dítěte trvale utrpí. Na tomto tvrzení je něco pravdy, i když je přehnané. Pět aspektů vývoje mozku, pro které se zdají existovat kritická období, jsou jazyk, emoce, senzoricko-motorický vývoj, sluchový vývoj a zrak. Jazyk a emoce jsou diskutovány jinde v této kapitole; zbývající tři jsou popsány dále.

Senzoricko-motorický vývoj

Systémy spojené se zrakem, sluchem a motorickými pohyby se rozsáhle rozvíjejí prostřednictvím zkušeností během prvních dvou let života. Vestibulární systém ve vnitřním uchu ovlivňuje smysly pohybu a rovnováhy a ovlivňuje další smyslové systémy. Existují důkazy, že nedostatečná vestibulární stimulace u kojenců a batolat může vést k pozdějším problémům s učením (Jensen, 2005).

Aspekty vývoje mozku s kritickými obdobími.

• Senzoricko-motorické
• Sluchové
• Zrakové
• Emoční
• Jazykové

Příliš často se však kojenci a batolata nenacházejí ve stimulujícím prostředí, zejména děti, které tráví mnoho času v centrech denní péče, která poskytují převážně péči. Mnoho dětí také nedostává dostatečnou stimulaci mimo tato prostředí, protože tráví příliš mnoho času v autosedačkách, chodítkách nebo před televizí. Umožnění pohybu mladistvým a dokonce i houpání jim poskytuje stimulaci. Asi 60 % kojenců a batolat tráví průměrně jednu až dvě hodiny denně sledováním televize nebo videí (Courage & Setliff, 2009). I když se mladé děti mohou z těchto médií učit, nedělají to snadno. Dětské porozumění a učení se zlepšují, když se na ně rodiče dívají s nimi a poskytují popisy a vysvětlení (Courage & Setliff, 2009).

Sluchový vývoj

První dva roky dítěte jsou kritické pro sluchový vývoj. Ve věku 6 měsíců dokážou kojenci rozlišit většinu zvuků ve svém prostředí (Jensen, 2005). V prvních dvou letech dozrávají sluchové systémy dětí, pokud jde o rozsah slyšených zvuků a schopnost rozlišovat mezi zvuky. Problémy ve sluchovém vývoji mohou vést k problémům s učením jazyka, protože osvojování jazyka závisí na tom, zda děti slyší řeč ostatních ve svém prostředí.

Zrak

Zrak se rozvíjí převážně během prvního roku života a zejména po čtvrtém měsíci. Synaptická hustota ve vizuálním systému dramaticky narůstá, včetně nervových spojení regulujících vnímání barvy, hloubky, pohybu a odstínu. Správný vizuální vývoj vyžaduje vizuálně bohaté prostředí, kde mohou kojenci zkoumat objekty a pohyby. Televize a filmy jsou špatnou náhradou. I když poskytují barvu a pohyb, jsou dvourozměrné a vyvíjející se mozek potřebuje hloubku. Akce zobrazená v televizi a ve filmech se často odehrává příliš rychle na to, aby se na ni kojenci správně soustředili (Jensen, 2005).

Stručně řečeno, první dva roky života jsou kritické pro správný vývoj senzoricko-motorického, vizuálního a sluchového systému a vývoj těchto systémů je usnadněn, když se kojenci nacházejí v bohatém prostředí, které jim umožňuje zažívat pohyby, pohledy a zvuky. Zároveň je vývoj mozku celoživotní proces; mozky potřebují stimulaci i po 2 letech. Mozek neustále přidává, odstraňuje a reorganizuje synaptická spojení a strukturálně se mění. I když výzkumníci prokázali, že určité aspekty vývoje mozku probíhají v určitých časech rychleji, jedinci všech věkových kategorií mají prospěch ze stimulujícího prostředí.

Již dříve jsme viděli, jak v mozku fungují určité funkce spojené s jazykem. Ačkoli výzkumníci zkoumali mozkové procesy s různými typy obsahu zahrnujícími různé mentální schopnosti, bylo provedeno mnoho výzkumů týkajících se osvojování a používání jazyka. Jedná se o klíčový aspekt kognitivního vývoje a má zásadní dopad na učení.

Jak již bylo zmíněno dříve, mnoho mozkových výzkumů o jazyku bylo provedeno na osobách, které utrpěly poranění mozku a zaznamenaly určitý stupeň ztráty jazyka. Takový výzkum je informativní o tom, které funkce jsou ovlivněny poraněním konkrétních oblastí mozku, ale tyto výzkumné studie se nezabývají osvojováním a používáním jazyka u vyvíjejících se dětských mozků.

Mozkové studie vyvíjejících se dětí, i když jsou méně časté, nabídly důležité poznatky o vývoji jazykových funkcí. Studie často srovnávaly normálně se vyvíjející děti s těmi, které mají potíže s učením ve škole. Namísto chirurgických technik často používaných u pacientů s poraněním mozku nebo u zemřelých, tyto studie používají méně invazivní techniky, jako jsou ty popsané dříve v této kapitole. Výzkumníci často měří evokované potenciály (nebo potenciály vázané na událost), což jsou změny v mozkových vlnách, ke kterým dochází, když jedinci předvídají různé úkoly nebo se do nich zapojují (Halliday, 1998).

Rozdíly v potenciálech vázaných na událost spolehlivě rozlišují mezi podprůměrnými, průměrnými a nadprůměrnými dětmi (Molfese et al., 2006). U dětí, které se normálně vyvíjejí, se projevuje rozsáhlá bilaterální a anteriorní (čelní) kortikální aktivace a zvýrazněná aktivace levé strany v jazykových a řečových oblastech. Na rozdíl od udržování čtení se zdá, že rozvoj čtení také závisí na anteriorní aktivaci, možná na obou stranách mozku (Vellutino & Denckla, 1996). Jiný výzkum ukazuje, že vyvíjející se děti, které zažívají dysfunkci levé strany, zjevně do určité míry kompenzují tím, že se učí číst pomocí pravé hemisféry. Pravá hemisféra může být schopna podporovat a udržovat adekvátní úroveň čtení, ale zdá se, že je zásadní, aby k tomuto přechodu došlo před rozvojem jazykové kompetence. K takovému převzetí jazykových funkcí pravou hemisférou nemusí dojít u jedinců, kteří utrpěli poškození levé hemisféry v dospělosti. Zdá se, že kritické období ve vývoji jazyka je mezi narozením a 5 lety věku. Během této doby si dětské mozky vyvinou většinu svých jazykových schopností. Mezi 19 a 31 měsíci věku dochází k rychlému nárůstu slovní zásoby (Jensen, 2005). Rozvoj těchto jazykových schopností je posílen, když se děti nacházejí v jazykově bohatém prostředí, kde s nimi rodiče a další lidé hovoří. Toto kritické období pro rozvoj jazyka se překrývá s kritickým obdobím sluchového vývoje mezi narozením a 2 lety věku.

Kromě tohoto kritického období se zdá, že rozvoj jazyka je také součástí přirozeného procesu s časovým harmonogramem. Viděli jsme, jak si sluchový a zrakový systém vyvíjejí kapacity pro zajištění vstupu pro rozvoj jazyka. Paralelní proces se může vyskytnout v rozvoji jazyka pro schopnost vnímat fonémy, což jsou nejmenší jednotky řečových zvuků (např. zvuky “b” a “p” ve slovech “bet” a “pet”). Děti se učí nebo osvojují fonémy, když jsou jim vystaveny ve svém prostředí; pokud fonémy v jejich prostředí chybí, pak si je děti neosvojí. Může tedy existovat kritické období, ve kterém se synaptická spojení správně formují, ale pouze pokud prostředí poskytuje vstupy. Zkrátka, dětské mozky mohou být “připraveny” (“předrátovány”) učit se různé aspekty jazyka v různou dobu v souladu s úrovní vývoje mozku (National Research Council, 2000).

Pro vzdělávání je důležité, že výuka může pomoci usnadnit rozvoj jazyka. Různé oblasti mozku musí spolupracovat, aby se naučily jazyk, jako jsou oblasti zapojené do vidění, slyšení, mluvení a myšlení (Byrnes, 2001; National Research Council, 2000). Osvojování a používání jazyka je koordinovaná činnost. Lidé poslouchají řeč a čtou text, přemýšlejí o tom, co bylo řečeno nebo co četli, a skládají věty, aby psali nebo mluvili. Tato koordinovaná činnost naznačuje, že rozvoj jazyka by měl těžit z výuky, která koordinuje tyto funkce, to znamená ze zkušeností, které vyžadují zrak, sluch, řeč a myšlení.

Stručně řečeno, různé oblasti mozku se podílejí na rozvoji jazyka u normálně se vyvíjejících dětí, i když příspěvky levé hemisféry jsou obvykle výraznější než příspěvky pravé hemisféry. Postupem času jsou jazykové funkce silně zahrnuty do levé hemisféry. Zdá se, že zejména dovednost čtení vyžaduje kontrolu levé hemisféry. Je však zapotřebí dalšího výzkumu, než plně porozumíme vztahům mezi mozkovými funkcemi a rozvíjejícími se jazykovými a čtenářskými kompetencemi.

Stejně jako jiné aspekty vývoje mozku, i osvojování jazyka odráží interakci mezi dědičností a prostředím. Kulturní zkušenosti kojenců a dětí do značné míry určí, které mozkové synapse si udrží. Pokud kultura zdůrazňuje motorické funkce, pak by měly být posíleny; zatímco pokud kultura zdůrazňuje kognitivní procesy, pak tyto postoupí. Pokud jsou malé děti vystaveny bohatému jazykovému prostředí zdůrazňujícímu mluvený a psaný jazyk, pak se jejich osvojování jazyka bude vyvíjet rychleji než jazykové schopnosti dětí v chudém prostředí.

Důsledkem pro usnadnění raného vývoje mozku je poskytovat kojencům a malým dětem bohaté zkušenosti, které zdůrazňují percepční, motorické a jazykové funkce. To je zvláště důležité v prvních letech života. Tyto zkušenosti by měly posílit tvorbu synaptických spojení a sítí. Existují také důkazy, že kojenci, kteří trpěli in utero (např. z užívání drog nebo alkoholu matkou), stejně jako ti s vývojovými poruchami (např. retardace, autismus), mají prospěch z včasné intervence v prvních třech letech (Shore, 1997).

Usnadnění rozvoje jazyka

Ačkoli období od narození do 5 let představuje kritické období pro rozvoj jazyka, osvojování a používání jazyka jsou celoživotní činnosti. Učitelé mohou pracovat se studenty všech věkových kategorií, aby jim pomohli rozvíjet jejich jazykové dovednosti. Je důležité, aby výuka koordinovala složkové jazykové funkce vidění, slyšení, myšlení a mluvení.

Učitelka v mateřské škole pravidelně pracuje se svými studenty na učení fonémů. Aby jim pomohla rozvíjet rozpoznávání fonémů ve slovech “__at” (např. mat, hat, pat, cat, sat), má každé z těchto slov vytištěné na velkém kusu kartonu. Foném je vytištěn červeně a “at” se objevuje černě. Dává studentům praxi tím, že drží kartu, žádá je, aby řekli slovo, a poté žádá jednotlivé studenty, aby použili slovo ve větě.

Kathy Stone učí své studenty názvy a hláskování zvířat. Má obrázek každého zvířete a jeho tištěný název na výstavní tabuli, spolu se dvěma až třemi zajímavými fakty o zvířeti (např. kde žije, co jí). Nechá děti několikrát vyslovit jméno zvířete a hláskovat ho nahlas, poté napíší krátkou větu s použitím slova. To je zvláště užitečné pro názvy zvířat, které je obtížné vyslovit nebo hláskovat (např. žirafa, hroch).

Učitelka matematiky na druhém stupni pracuje se svými studenty na místní hodnotě. Někteří studenti mají velké potíže a nemohou správně seřadit čísla od nejmenšího po největší (např. .007, 7/100, sedmdesát setin, 7). Učitelka má tři velké magnetické číselné osy, každá v rozsahu od 0 do 1 a rozdělená na jednotky desetin, setin a tisícin. Požádala studenty, aby umístili magnetickou lištu na příslušnou číselnou osu (např. umístili lištu na 7 na ose setin pro 7/100). Poté rozdělila studenty do malých skupin a dala jim problémy a požádala je, aby použili číselné osy nebo koláčové grafy k zobrazení toho, kam čísla spadají, aby je mohli správně seřadit. Dále s nimi pracovala na převodu všech čísel na společného jmenovatele (např. 7/10 = 70/100) a na umístění značek na stejnou tabuli (např. tisíciny), aby viděli správné pořadí.

Studenti v třídě Jima Marshalla se učí o klíčových historických dokumentech v historii USA (např. Deklarace nezávislosti, Ústava, Listina práv). Aby oslovil více smyslů, přinesl Jim do třídy faksimile těchto dokumentů. Poté nechal studenty zapojit se do hraní rolí, kde četli vybrané pasáže z dokumentů. Studenti byli učeni, jak klást důraz na vhodná místa při čtení, aby tyto pasáže byly obzvláště výrazné.

Mnoho studentů v třídě pedagogické psychologie Giny Brown má potíže s pochopením a správným používáním psychologických termínů (např. asimilace, nasycení, zóna proximálního vývoje). Kde je to možné, získává filmy, které demonstrují tyto koncepty (např. dítě, kterému jsou zadávány Piagetovské úkoly). Pro jiné používá webové stránky s případovými studiemi, které si studenti přečtou a reagují na ně, poté ve třídě diskutují o tom, jak se daný koncept uplatňuje. Například v jedné případové studii je student opakovaně chválen učitelem. Nakonec se student chválou nasytí a řekne učiteli, že mu nemusí vždy říkat, že si vedl tak dobře.