Aju areng: õppimise neuroteadus – ülevaade ja olulised tegurid

Seni on see õppetund keskendunud küpsele kesknärvisüsteemi funktsioneerimisele. Paljud õpetajad töötavad aga koolieelsete laste, laste ja noorukitega. Aju arengu teema on huvipakkuv mitte ainult iseenesest, vaid ka seetõttu, et hariduslikud mõjud õpetamisele ja õppimisele varieeruvad sõltuvalt aju arengu tasemest. Avastseenis märgib Bryan, kui oluline on, et õpetajad mõistaksid aju arengut. Selles jaotises käsitletakse arengut mõjutavaid tegureid, arengu kulgu, kriitilisi perioode arengus ning arengu rolli keele omandamisel ja kasutamisel.

Kuigi inimaju on struktuurilt sarnane, on indiviidide vahel erinevusi. Aju arengut mõjutavad viis tegurit on geneetika, keskkonnastimulatsioon, toitumine, steroidid ja teratogeenid (Byrnes, 2001).

Geneetika

Inimaju erineb suuruselt ja koostiselt teiste loomade omast. Kuigi erinevus inimese genoomi ja meie lähima loomse sugulase (šimpansi) genoomi vahel on vaid 1,23% (Lemonick & Dorfman, 2006), tekitavad see erinevus ja muud geneetilised variatsioonid liigi, mis suudab projekteerida ja ehitada sildu, komponeerida muusikat, kirjutada romaane, lahendada keerulisi võrrandeid jne.

Inimajudel on sarnane geneetiline struktuur, kuid sellegipoolest erinevad nad suuruse ja struktuuri poolest. Monosügootsete (ühemunakaksikute) uuringud näitavad, et mõnikord areneb neil struktuurilt erinev aju (Byrnes, 2001). Geneetilised juhised määravad aju suuruse, struktuuri ja närviühendused. Enamasti põhjustavad need erinevused normaalselt funktsioneeriva aju, kuid aju-uuringud jätkavad selle väljaselgitamist, kuidas teatud geneetilised erinevused tekitavad kõrvalekaldeid.

Aju arengut mõjutavad tegurid:

• Geneetika
• Keskkonnastimulatsioon
• Toitumine
• Steroidid
• Teratogeenid

Keskkonnastimulatsioon

Aju areng nõuab stimulatsiooni keskkonnast. Prenataalne areng loob aluse õppimisele, arendades välja närvivõrgustiku, mis suudab vastu võtta ja töödelda stiimuleid ja kogemusi. Need kogemused kujundavad võrgustikku veelgi, lisades ja ümber korraldades sünapseid. Näiteks rasedad naised, kes oma beebidega räägivad ja laulavad, võivad oma kõne ja laulmisega aidata luua närviühendusi beebides (Wolfe, 2001). Aju areng jääb maha, kui kogemused puuduvad või on minimaalsed. Kuigi on teatud kriitilisi perioode, mil stimulatsioon võib avaldada sügavat mõju (Jensen, 2005), näitavad uuringud, et stimulatsioon on oluline kogu elu jooksul, et tagada aju pidev areng.

Toitumine

Halb toitumine võib avaldada suurt mõju aju arengule ning konkreetne mõju sõltub sellest, millal halb toitumine esineb (Byrnes, 2001). Näiteks prenataalne alatoitumine aeglustab neuronite ja gliiarakkude tootmist ja kasvu. Kriitiline periood on 4. ja 7. raseduskuu vahel, kui toodetakse enamik ajurakke (Jensen, 2005). Hilisem alatoitumine aeglustab rakkude kasvu ja müeliintupe omandamist. Kuigi viimast probleemi saab õige toitumisega korrigeerida, ei saa esimest, sest liiga vähe rakke on arenenud. Seetõttu soovitatakse rasedatel vältida narkootikume, alkoholi ja tubakat; säilitada head toitumist; ja vältida stressi (stress põhjustab ka arenevale lootele probleeme).

Steroidid

Steroidid viitavad hormoonide klassile, mis mõjutavad mitmeid funktsioone, sealhulgas seksuaalset arengut ja stressireaktsioone (Byrnes, 2001). Steroidid võivad mõjutada aju arengut mitmel viisil. Ajus on hormoonide retseptorid. Sellised hormoonid nagu östrogeen ja kortisool imenduvad ja võivad potentsiaalselt muuta aju struktuuri prenataalse arengu ajal. Liigsed stressihormoonid võivad põhjustada neuronite surma. Teadlased on uurinud ka seda, kas soolised ja seksuaalsed eelistuste erinevused tekivad osaliselt steroidide erinevuste tõttu. Kuigi tõendid steroidide rolli kohta aju arengus on vähem veenvad kui toitumise puhul, on steroididel potentsiaal mõjutada aju.

Teratogeenid

Teratogeenid on võõrained (nt alkohol, viirused), mis võivad põhjustada kõrvalekaldeid arenevas embrüos või lootes (Byrnes, 2001). Ainet peetakse teratogeeniks ainult siis, kui uuringud näitavad, et mitte ebarealistlikult kõrge tase võib mõjutada aju arengut. Näiteks kofeiin väikestes kogustes ei pruugi olla teratogeen, kuid see võib selleks muutuda, kui tarbimine on suurem. Teratogeenid võivad mõjutada neuronite ja gliiarakkude arengut ja ühendusi. Äärmuslikel juhtudel (nt punetiste viirus) võivad need põhjustada sünnidefekte.

Prenataalse arengu käigus aju kasvab nii suuruse kui ka struktuuri poolest, samuti neuronite, gliiarakkude ja närviühenduste (sünapside) arvus. Prenataalne aju areng on kiire, sest see toimub üheksa kuu jooksul ja enamik rakke toodetakse 4. ja 7. kuu vahel (Jensen, 2005). Rakud liiguvad ülespoole mööda neuraaltoru, rändavad aju erinevatesse osadesse ja moodustavad ühendusi. Hinnanguliselt genereerib embrüo oma tipphetkel veerand miljonit ajurakku minutis.

Sünnihetkel on ajus üle miljoni ühenduse, mis moodustavad umbes 60% sünapside tipparvust, mis arenevad kogu elu jooksul (Jensen, 2005). Arvestades neid numbreid, pole imestada, et prenataalne areng on nii oluline. Sel ajal toimuvatel muutustel võivad olla kaugeleulatuvad ja püsivad mõjud.

Aju areng toimub kiiresti ka imikutel. 2-aastaseks saamisel on lapsel sama palju sünapseid kui täiskasvanul ning 3-aastaseks saamisel on lapsel miljardeid rohkem kui täiskasvanul. Väikelaste ajus on tihe ja palju keerukaid närviühendusi ning rohkem kui kunagi varem elus (Trawick-Smith, 2003).

Tegelikult on väikelastel liiga palju sünapseid. Umbes 60% beebide energiast kasutavad nende ajusid; võrdluseks, täiskasvanute aju vajab vaid 20–25% (Brunton, 2007). Arengu käigus kaotavad lapsed ja noorukid palju rohkem ajusünapseid kui juurde saavad. Selleks ajaks, kui noorukid saavad 18-aastaseks, on nad kaotanud umbes poole oma imiku sünapsidest. Ajuühendused, mida ei kasutata või vajata, lihtsalt kaovad. See “kasuta või kaota” strateegia on soovitav, sest kasutatavad ühendused tugevnevad ja kinnistuvad, samas kui mittekasutatavad kaovad jäädavalt.

5-aastaseks saamisel on lapse aju omandanud keele ja arendanud sensoorseid motoorseid oskusi ja muid pädevusi. Esimese aasta kiire muutumine on aeglustunud, kuid aju jätkab sünapside lisamist. Närvivõrgustikud muutuvad oma sidemetes keerukamaks. See protsess jätkub kogu arengu vältel.

Nagu Bryan avavignetis märkis, toimuvad teismeeas suured muutused, kui aju läbib struktuurseid muutusi (Jensen, 2005). Otsmikusagarad, mis tegelevad abstraktse mõtlemise ja probleemide lahendamisega, küpsevad ning parietaalsagarad suurenevad. Prefrontaalne ajukoor, mis kontrollib otsuseid ja impulsse, küpseb aeglaselt (Shute, 2009). Samuti toimuvad muutused neurotransmitterites – eriti dopamiinis –, mis võivad muuta aju tundlikumaks narkootikumide ja alkoholi meeldiva mõju suhtes. Toimub ajurakkude paksenemine ja sünapside massiline ümberkorraldamine, mis muudab selle õppimise jaoks võtmeajaks. “kasuta või kaota” strateegia tulemuseks on aju piirkondade tugevnemine praktika kaudu (nt klaveri harjutamine pakseneb neuronites aju piirkonnas, mis kontrollib sõrmi) (Wallis, 2004).

Arvestades neid laialdasi muutusi nende ajus, pole üllatav, et teismelised teevad sageli halbu otsuseid ja osalevad kõrge riskiga käitumises, mis hõlmab narkootikume, alkoholi ja seksi. Õpetamisstrateegiad peavad neid muutusi arvesse võtma.

Paljud lastekasvatust käsitlevad raamatud rõhutavad, et elu esimesed kaks aastat on kriitiline periood, mille jooksul, kui teatud kogemused ei leia aset, kannatab lapse areng püsivalt. Selles väites on teatud tõde, kuigi seda on üle paisutatud. Viis ajude arengu aspekti, mille puhul näib olevat kriitilised perioodid, on keel, emotsioonid, sensoorne motoorne areng, kuulmisareng ja nägemine. Keelt ja emotsioone käsitletakse mujal selles peatükis; ülejäänud kolme käsitletakse järgmisena.

Sensoorne motoorne areng

Nägemise, kuulmise ja motoorsete liigutustega seotud süsteemid arenevad esimese kahe eluaasta jooksul ulatuslikult kogemuste kaudu. Sisekõrvas asuv vestibulaarsüsteem mõjutab liikumis- ja tasakaalutunnet ning mõjutab teisi sensoorseid süsteeme. On tõendeid, et ebapiisav vestibulaarne stimulatsioon imikute ja väikelaste seas võib hiljem põhjustada õpiraskusi (Jensen, 2005).

Aju arengu aspektid, millel on kriitilised perioodid.

• Sensoorne motoorne
• Kuulmisega seotud
• Visuaalne
• Emotsionaalne
• Keel

Liiga sageli ei viibi imikud ja väikelapsed aga stimuleerivas keskkonnas, eriti need lapsed, kes veedavad palju aega päevahoiukeskustes, mis pakuvad peamiselt hooldust. Paljud lapsed ei saa ka väljaspool neid tingimusi piisavalt stimulatsiooni, sest nad veedavad liiga palju aega turvatoolides, käimisraamides või telerite ees. Noorte liikumise lubamine ja isegi nende kiigutamine pakub stimulatsiooni. Ligikaudu 60% imikutest ja väikelastest veedavad keskmiselt üks kuni kaks tundi päevas televiisorit või videoid vaadates (Courage & Setliff, 2009). Kuigi väikesed lapsed võivad nendest meediatest õppida, ei tee nad seda kergesti. Laste arusaamist ja õppimist parandab see, kui vanemad vaatavad koos nendega ja pakuvad kirjeldusi ja selgitusi (Courage & Setliff, 2009).

Kuulmisareng

Lapse esimesed kaks aastat on kriitilise tähtsusega kuulmisarengu jaoks. 6 kuu vanuseks suudavad imikud eristada enamikku helisid oma keskkonnas (Jensen, 2005). Esimese kahe aasta jooksul küpsevad laste kuulmissüsteemid kuuldavate helide ulatuse ja helide eristamise võime osas. Kuulmisarengu probleemid võivad viia keele õppimise probleemideni, sest suur osa keele omandamisest sõltub sellest, kas lapsed kuulevad teiste inimeste kõnet oma keskkonnas.

Nägemine

Nägemine areneb suures osas elu esimesel aastal ja eriti pärast neljandat kuud. Sünaptiline tihedus visuaalses süsteemis suureneb dramaatiliselt, sealhulgas neuronaalsed ühendused, mis reguleerivad värvi, sügavuse, liikumise ja varjundi taju. Korralik visuaalne areng nõuab visuaalselt rikkalikku keskkonda, kus imikud saavad uurida esemeid ja liigutusi. Televiisor ja filmid on kehvad asendajad. Kuigi need pakuvad värvi ja liikumist, on need kahemõõtmelised ja areneval ajul on vaja sügavust. Televiisoris ja filmides näidatav tegevus toimub sageli liiga kiiresti, et imikud saaksid korralikult keskenduda (Jensen, 2005).

Lühidalt, elu esimesed kaks aastat on kriitilise tähtsusega sensoorse motoorse, visuaalse ja kuulmissüsteemi korralikuks arenguks ning nende süsteemide arengut soodustab see, kui imikud on rikkalikus keskkonnas, mis võimaldab neil kogeda liigutusi, vaateid ja helisid. Samal ajal on aju areng elukestev protsess; aju vajab stimulatsiooni ka pärast 2-aastaseks saamist. Aju lisab, kustutab ja ümberkorraldab pidevalt sünaptilisi ühendusi ning muutub struktuuriliselt. Kuigi teadlased on näidanud, et teatud aju arengu aspektid toimuvad teatud aegadel kiiremini, saavad igas vanuses inimesed kasu stimuleerivast keskkonnast.

Varem nägime, kuidas teatud keelega seotud funktsioonid ajus toimivad. Kuigi teadlased on uurinud ajutegevust erinevate vaimsete võimetega seotud sisu puhul, on ulatuslikke uuringuid läbi viidud keele omandamise ja kasutamise kohta. See on kognitiivse arengu võtmeaspekt ja sellel on sügav mõju õppimisele.

Nagu varem märgitud, on palju aju-uuringuid keele kohta läbi viidud inimestega, kes on kannatanud ajukahjustuse all ja kogenud mingil määral keelekaotust. Sellised uuringud annavad teavet selle kohta, milliseid funktsioone mõjutab kahjustus konkreetsetes aju piirkondades, kuid need uuringud ei käsitle keele omandamist ja kasutamist laste arenevas ajus.

Aju-uuringud arenevate laste kohta, kuigi vähem levinud, on pakkunud olulist teavet keelefunktsioonide arengu kohta. Uuringud on sageli võrrelnud normaalselt arenevaid lapsi lastega, kellel on koolis õppimisega raskusi. Sageli ajuvigastustega või surnud patsientide puhul kasutatavate kirurgiliste tehnikate asemel kasutavad need uuringud vähem invasiivseid meetodeid, nagu on kirjeldatud varem selles peatükis. Teadlased mõõdavad sageli sündmusega seotud potentsiaale (või esile kutsutud potentsiaale), mis on muutused ajulainetes, mis tekivad siis, kui inimesed ootavad või osalevad erinevates ülesannetes (Halliday, 1998).

Erinevused sündmusega seotud potentsiaalides eristavad usaldusväärselt alla keskmise, keskmise ja üle keskmise tasemega lapsi (Molfese jt, 2006). Normaalselt arenevatel lastel on ulatuslik kahepoolne ja eesmine (eesmine) ajukoore aktivatsioon ning keele- ja kõnealadel on rõhutatud vasakpoolsed aktivatsioonid. Erinevalt lugemise säilitamisest näib, et lugemise areng sõltub ka eesmisest aktivatsioonist, võib-olla aju mõlemal poolel (Vellutino & Denckla, 1996). Muud uuringud näitavad, et arenevad lapsed, kellel on vasakpoolne düsfunktsioon, kompenseerivad seda ilmselt mingil määral, õppides lugema parema ajupoolkera abil. Parem ajupoolkera võib olla võimeline toetama ja säilitama piisavat lugemistaset, kuid see üleminek näib olevat kriitiline enne keelelise pädevuse arengut. Selline keelefunktsioonide ülevõtmine parema ajupoolkera poolt ei pruugi esineda täiskasvanueas vasakpoolkera kahjustusi saanud inimestel. Keele arengu kriitiline periood näib olevat sünnist kuni 5. eluaastani. Sel ajal arendavad laste ajud enamiku oma keelevõimetest. Sõnavara kiireneb 19 ja 31 kuu vanuselt (Jensen, 2005). Nende keelevõimete arengut soodustab see, kui lapsed on keelerikkas keskkonnas, kus vanemad ja teised inimesed lastega räägivad. See keele arengu kriitiline periood kattub kuulmismeele arengu kriitilise perioodiga sünnist kuni 2. eluaastani.

Lisaks sellele kriitilisele perioodile näib keele areng olevat ka osa loomulikust protsessist, millel on ajakava. Oleme näinud, kuidas kuulmis- ja nägemissüsteemid arendavad võimeid, et pakkuda sisendit keele arenguks. Keele arengus võib toimuda paralleelne protsess foneemide tajumise võime jaoks, mis on kõnehelide väikseimad ühikud (nt helid “b” ja “p” sõnades “bet” ja “pet”). Lapsed õpivad või omandavad foneeme, kui nad puutuvad nendega kokku oma keskkonnas; kui foneemid nende keskkonnas puuduvad, siis lapsed neid ei omanda. Seega võib olla kriitiline periood, mil sünaptilised ühendused moodustuvad korralikult, kuid ainult siis, kui keskkond pakub sisendit. Lühidalt, laste ajud võivad olla “valmis” (“esiplaneeritud”) õppima erinevaid keeleaspekte erinevatel aegadel vastavalt nende aju arengutasemele (National Research Council, 2000).

Oluline hariduse jaoks on see, et õpetamine võib aidata keele arengut hõlbustada. Keele õppimiseks peavad koostööd tegema erinevad aju piirkonnad, näiteks nägemise, kuulmise, rääkimise ja mõtlemisega seotud piirkonnad (Byrnes, 2001; National Research Council, 2000). Keele omandamine ja kasutamine on koordineeritud tegevus. Inimesed kuulavad kõnet ja loevad teksti, mõtlevad sellele, mida öeldi või mida nad lugesid, ja koostavad lauseid kirjutamiseks või rääkimiseks. See koordineeritud tegevus tähendab, et keele areng peaks saama kasu õpetamisest, mis koordineerib neid funktsioone, see tähendab kogemusi, mis nõuavad nägemist, kuulmist, kõnet ja mõtlemist.

Kokkuvõtteks võib öelda, et erinevad aju piirkonnad osalevad keele arengus normaalselt arenevatel lastel, kuigi vasaku ajupoolkera panused on tavaliselt silmapaistvamad kui parema ajupoolkera omad. Aja jooksul võtab keelefunktsioonid suurel määral üle vasak ajupoolkera. Eelkõige näib lugemisoskus nõudvat vasaku ajupoolkera kontrolli. Kuid enne, kui me täielikult mõistame aju funktsioonide ja areneva keele- ja lugemisoskuse vahelisi suhteid, on vaja rohkem uurimistööd.

Nagu ka teised aju arengu aspektid, peegeldab keele omandamine pärilikkuse ja keskkonna vahelist koostoimet. Imikute ja laste kultuurilised kogemused määravad suures osas, milliseid aju sünapse nad säilitavad. Kui kultuur rõhutab motoorseid funktsioone, siis neid tuleks tugevdada; kui aga kultuur rõhutab kognitiivseid protsesse, siis need tõusevad esile. Kui väikesed lapsed puutuvad kokku rikkaliku keelekeskkonnaga, mis rõhutab suulist ja kirjalikku keelt, siis areneb nende keele omandamine kiiremini kui vaestes keskkondades olevate laste keelevõimed.

Varase aju arengu soodustamise mõte on pakkuda imikutele ja väikelastele rikkalikke kogemusi, rõhutades taju-, motoorseid ja keelelisi funktsioone. See on eriti oluline esimestel eluaastatel. Need kogemused peaksid parandama sünaptiliste ühenduste ja võrgustike moodustumist. Samuti on tõendeid selle kohta, et beebid, kes on kannatanud emakas (nt emade narkootikumide või alkoholi kuritarvitamise tõttu), samuti need, kellel on arengupuuded (nt vaimne alaareng, autism), saavad kasu varajasest sekkumisest esimesel kolmel eluaastal (Shore, 1997).

Keele arengu soodustamine

Kuigi periood sünnist kuni 5. eluaastani on keele arengu kriitiline periood, on keele omandamine ja kasutamine elukestvad tegevused. Õpetajad saavad töötada igas vanuses õpilastega, et aidata arendada nende keeleoskust. Oluline on, et õpetamine koordineeriks keele komponentfunktsioone, nagu nägemine, kuulmine, mõtlemine ja rääkimine.

Lasteaiaõpetaja töötab regulaarselt oma õpilastega foneemide õppimisel. Selleks, et aidata arendada foneemide äratundmist “__at”-sõnades (nt mat, hat, pat, cat, sat), on ta iga need sõnad trükkinud suurele papitükile. Foneem on trükitud punasega ja “at” ilmub mustaga. Ta harjutab õpilasi, hoides kaarti üleval, paludes neil sõna öelda ja seejärel paludes üksikutel õpilastel sõna lauses kasutada.

Kathy Stone õpetab oma õpilastele loomade nimesid ja õigekirja. Tal on iga looma pilt ja selle trükitud nimi stendil koos kahe-kolme huvitava faktiga looma kohta (nt kus ta elab, mida ta sööb). Ta paneb lapsed looma nime mitu korda hääldama ja valjusti kirjutama, seejärel kirjutama lühikese lause, kasutades seda sõna. See on eriti kasulik loomade nimede puhul, mida on raske hääldada või kirjutada (nt kaelkirjak, jõehobu).

Põhikooli matemaatikaõpetaja töötab oma õpilastega kohaväärtuse kallal. Mõnel õpilasel on palju raskusi ja nad ei suuda numbreid õigesti väikseimast suurimani järjestada (nt 0,007, 7/100, kümnendikku, 7). Õpetajal on kolm suurt magnetilist arvtelge, millest igaüks ulatub 0-st 1-ni ja on jagatud kümnendikeks, sajandikeks ja tuhandikeks. Ta palus õpilastel panna magnetriba vastavale arvteljele (nt panna riba sajandike rea 7 peale 7/100 jaoks). Seejärel jagas ta õpilased väikestesse rühmadesse ja andis neile ülesandeid ning palus neil kasutada arvtelgi või sektordiagramme, et näidata, kuhu numbrid langevad, et nad saaksid neid õigesti järjestada. Seejärel töötas ta nendega, et teisendada kõik arvud ühiseks nimetajaks (nt 7/10 = 70/100) ja panna markerid samale tahvlile (nt tuhandikud), et nad näeksid õiget järjekorda.

Jim Marshalli klassi õpilased õpivad tundma USA ajaloo peamisi ajaloolisi dokumente (nt iseseisvusdeklaratsioon, põhiseadus, õiguste deklaratsioon). Et pöörduda mitme meele poole, tõi Jim klassi nende dokumentide faksiimilekoopiad. Seejärel pani ta õpilased tegelema rollimängudega, kus nad lugesid valikuid dokumentidest. Õpilastele õpetati, kuidas lugemisel sobivates kohtades rõhku panna, et need lõigud oleksid eriti eristuvad.

Paljudel Gina Browni hariduspsühholoogia klassi õpilastel on raskusi psühholoogiliste terminite mõistmise ja õige kasutamisega (nt assimilatsioon, küllastumine, lähima arengu tsoon). Võimalusel hangib ta filme, mis neid kontseptsioone demonstreerivad (nt lapsele Piaget' ülesannete andmine). Teiste jaoks kasutab ta veebisaite juhtumiuuringutega, mida õpilased loevad ja millele vastavad, mille järel nad arutavad klassis, kuidas see kontseptsioon mängu tuleb. Näiteks ühes juhtumiuuringus kiidab õpetaja õpilast korduvalt. Lõpuks küllastub õpilane kiitusest ja ütleb õpetajale, et ta ei pea talle alati ütlema, et ta nii hästi hakkama sai.