Sviluppo Cerebrale: Neuroscienze dell'Apprendimento

Finora, questa lezione si è concentrata sul funzionamento del SNC maturo. Molti educatori, tuttavia, lavorano con bambini in età prescolare, bambini e adolescenti. L'argomento dello sviluppo cerebrale è di interesse non solo di per sé, ma anche perché le implicazioni educative per l'insegnamento e l'apprendimento variano a seconda del livello di sviluppo cerebrale. Nello scenario di apertura, Bryan sottolinea l'importanza che gli educatori comprendano lo sviluppo cerebrale. Questa sezione discute i fattori influenti sullo sviluppo, il corso dello sviluppo, i periodi critici nello sviluppo e il ruolo dello sviluppo nell'acquisizione e nell'uso del linguaggio.

Sebbene i cervelli umani siano strutturalmente simili, esistono differenze tra gli individui. Cinque influenze sullo sviluppo del cervello sono la genetica, la stimolazione ambientale, la nutrizione, gli steroidi e i teratogeni (Byrnes, 2001).

Genetica

Il cervello umano differisce per dimensioni e composizione da quelli di altri animali. Sebbene la differenza tra il genoma umano e quello del nostro parente animale più prossimo (lo scimpanzé) sia solo dell'1,23% (Lemonick & Dorfman, 2006), questa differenza e altre variazioni genetiche producono una specie in grado di progettare e costruire ponti, comporre musica, scrivere romanzi, risolvere equazioni complesse e così via.

I cervelli umani hanno una struttura genetica simile, ma tuttavia differiscono per dimensioni e struttura. Studi su gemelli monozigoti (da un solo uovo) dimostrano che a volte sviluppano cervelli strutturalmente diversi (Byrnes, 2001). Le istruzioni genetiche determinano le dimensioni, la struttura e la connettività neurale del cervello. La maggior parte delle volte queste differenze producono cervelli che funzionano normalmente, ma la ricerca sul cervello continua a identificare come alcune differenze genetiche producano anomalie.

Fattori che influenzano lo sviluppo del cervello:

• Genetica
• Stimolazione ambientale
• Nutrizione
• Steroidi
• Teratogeni

Stimolazione ambientale

Lo sviluppo del cervello richiede la stimolazione dell'ambiente. Lo sviluppo prenatale pone le basi per l'apprendimento sviluppando un circuito neurale in grado di ricevere ed elaborare stimoli ed esperienze. Queste esperienze modellano ulteriormente il circuito aggiungendo e riorganizzando le sinapsi. Ad esempio, le donne incinte che parlano e cantano ai loro bambini possono, attraverso il loro discorso e il canto, aiutare a stabilire connessioni neurali nei bambini (Wolfe, 2001). Lo sviluppo del cervello rallenta quando le esperienze sono mancanti o minime. Sebbene ci siano alcuni periodi critici in cui la stimolazione può avere effetti profondi (Jensen, 2005), la ricerca suggerisce che la stimolazione è importante durante l'intero arco della vita per garantire lo sviluppo continuo del cervello.

Nutrizione

La mancanza di una buona nutrizione può avere effetti importanti sullo sviluppo del cervello e gli effetti particolari dipendono da quando si verifica la cattiva nutrizione (Byrnes, 2001). La malnutrizione prenatale, ad esempio, rallenta la produzione e la crescita dei neuroni e delle cellule gliali. Un periodo critico è tra il 4° e il 7° mese di gestazione, quando vengono prodotte la maggior parte delle cellule cerebrali (Jensen, 2005). La malnutrizione successiva rallenta la velocità con cui le cellule crescono in dimensioni e acquisiscono una guaina mielinica. Sebbene quest'ultimo problema possa essere corretto con una dieta adeguata, il primo non può perché si sono sviluppate troppo poche cellule. Questo è il motivo per cui le donne incinte sono consigliate di evitare droghe, alcol e tabacco; mantenere una buona dieta; ed evitare lo stress (lo stress causa anche problemi a un feto in via di sviluppo).

Steroidi

Gli steroidi si riferiscono a una classe di ormoni che influenzano diverse funzioni, tra cui lo sviluppo sessuale e le reazioni allo stress (Byrnes, 2001). Gli steroidi possono influenzare lo sviluppo del cervello in vari modi. Il cervello ha recettori per gli ormoni. Ormoni come l'estrogeno e il cortisolo verranno assorbiti e potenzialmente cambieranno la struttura del cervello durante lo sviluppo prenatale. Eccessivi ormoni dello stress possono produrre la morte dei neuroni. I ricercatori hanno anche esplorato se le differenze di genere e di preferenza sessuale derivino in parte da differenze negli steroidi. Sebbene l'evidenza sul ruolo degli steroidi nello sviluppo del cervello sia meno conclusiva di quella per la nutrizione, gli steroidi hanno il potenziale per influenzare il cervello.

Teratogeni

I teratogeni sono sostanze estranee (ad esempio, alcol, virus) che possono causare anomalie in un embrione o feto in via di sviluppo (Byrnes, 2001). Una sostanza è considerata un teratogeno solo se la ricerca dimostra che un livello non irrealisticamente alto può influenzare lo sviluppo del cervello. Ad esempio, la caffeina in piccole quantità potrebbe non essere un teratogeno, ma potrebbe diventarlo quando l'assunzione è più alta. I teratogeni possono avere effetti sullo sviluppo e sulle interconnessioni dei neuroni e delle cellule gliali. In casi estremi (ad esempio, il virus della rosolia), possono causare difetti alla nascita.

Durante lo sviluppo prenatale, il cervello cresce in dimensioni e struttura, così come nel numero di neuroni, cellule gliali e connessioni neurali (sinapsi). Lo sviluppo prenatale del cervello è rapido, poiché avviene in nove mesi e la maggior parte delle cellule viene prodotta tra il 4° e il 7° mese (Jensen, 2005). Le cellule risalgono il tubo neurale, migrano verso varie parti del cervello e formano connessioni. Si stima che al suo apice, l'embrione generi un quarto di milione di cellule cerebrali al minuto.

Alla nascita, il cervello ha oltre un milione di connessioni, che rappresentano circa il 60% del numero massimo di sinapsi che si svilupperanno durante la vita (Jensen, 2005). Dati questi numeri, non c'è da meravigliarsi che lo sviluppo prenatale sia così importante. I cambiamenti che si verificano allora possono avere effetti di vasta portata e permanenti.

Anche lo sviluppo del cervello avviene rapidamente nei neonati. All'età di 2 anni, un bambino avrà tante sinapsi quanti un adulto, e all'età di 3 anni il bambino ne avrà miliardi in più di un adulto. I cervelli dei bambini piccoli sono densi e hanno molte connessioni neurali complesse e più che in qualsiasi altro momento della vita (Trawick-Smith, 2003).

Infatti, i bambini piccoli hanno troppe sinapsi. Circa il 60% dell'energia dei bambini viene utilizzata dal loro cervello; in confronto, il cervello degli adulti richiede solo il 20-25% (Brunton, 2007). Con lo sviluppo, i bambini e gli adolescenti perdono molte più sinapsi cerebrali di quante ne acquisiscano. Quando gli adolescenti compiono 18 anni, hanno perso circa la metà delle loro sinapsi infantili. Le connessioni cerebrali che non vengono utilizzate o necessarie semplicemente scompaiono. Questa strategia “usa o perdi” è auspicabile perché le connessioni che vengono utilizzate saranno rafforzate e consolidate, mentre quelle non utilizzate andranno perse in modo permanente.

All'età di 5 anni, il cervello del bambino ha acquisito un linguaggio e ha sviluppato capacità motorie sensoriali e altre competenze. I rapidi cambiamenti dei primi anni sono rallentati, ma il cervello continua ad aggiungere sinapsi. Le reti neurali stanno diventando più complesse nei loro collegamenti. Questo processo continua per tutto lo sviluppo.

Come notato da Bryan nella vignetta di apertura, importanti cambiamenti si verificano durante l'adolescenza, quando il cervello subisce alterazioni strutturali (Jensen, 2005). I lobi frontali, che gestiscono il ragionamento astratto e la risoluzione dei problemi, stanno maturando e i lobi parietali aumentano di dimensioni. La corteccia prefrontale, che controlla i giudizi e gli impulsi, matura lentamente (Shute, 2009). Ci sono anche cambiamenti nei neurotrasmettitori — specialmente la dopamina — che possono rendere il cervello più sensibile agli effetti piacevoli di droghe e alcol. C'è un ispessimento delle cellule cerebrali e massicce riorganizzazioni delle sinapsi, il che rende questo un momento chiave per l'apprendimento. La strategia “usa o perdi” porta al rafforzamento delle regioni del cervello attraverso la pratica (ad esempio, praticare il pianoforte ispessisce i neuroni nella regione del cervello che controlla le dita) (Wallis, 2004).

Dati questi cambiamenti diffusi nel loro cervello, non sorprende che gli adolescenti spesso prendano decisioni sbagliate e si impegnino in comportamenti ad alto rischio che coinvolgono droghe, alcol e sesso. Le strategie didattiche devono tenere conto di questi cambiamenti.

Molti libri sull'educazione dei figli sottolineano che i primi due anni di vita rappresentano un periodo critico, tale che, se determinate esperienze non si verificano, lo sviluppo del bambino ne risentirà permanentemente. C'è una parte di verità in questa affermazione, anche se la pretesa è esagerata. Cinque aspetti dello sviluppo del cervello per i quali sembrano esserci periodi critici sono il linguaggio, le emozioni, lo sviluppo sensomotorio, lo sviluppo uditivo e la vista. Il linguaggio e le emozioni sono discussi altrove in questo capitolo; i restanti tre sono trattati di seguito.

Sviluppo Sensomotorio

I sistemi associati alla vista, all'udito e ai movimenti motori si sviluppano ampiamente attraverso esperienze durante i primi due anni di vita. Il sistema vestibolare nell'orecchio interno influenza il senso del movimento e dell'equilibrio e influenza altri sistemi sensoriali. Ci sono prove che un'inadeguata stimolazione vestibolare tra neonati e bambini piccoli può portare a problemi di apprendimento in seguito (Jensen, 2005).

Aspetti dello sviluppo cerebrale con periodi critici.

• Sensomotorio
• Uditivo
• Visivo
• Emotivo
• Linguaggio

Troppo spesso, tuttavia, neonati e bambini piccoli non si trovano in ambienti stimolanti, specialmente quei bambini che trascorrono molto tempo in asili nido che forniscono principalmente assistenza. Molti bambini inoltre non ricevono una stimolazione sufficiente al di fuori di questi ambienti, perché trascorrono troppo tempo su seggiolini auto, girelli o davanti alla televisione. Consentire ai giovani di muoversi e persino cullarli fornisce stimolazione. Circa il 60% dei neonati e dei bambini piccoli trascorre in media da una a due ore al giorno guardando la televisione o video (Courage & Setliff, 2009). Sebbene i bambini piccoli possano imparare da questi media, non lo fanno facilmente. La comprensione e l'apprendimento dei bambini sono migliorati quando i genitori guardano con loro e forniscono descrizioni e spiegazioni (Courage & Setliff, 2009).

Sviluppo Uditivo

I primi due anni del bambino sono fondamentali per lo sviluppo uditivo. All'età di 6 mesi, i neonati possono discriminare la maggior parte dei suoni nel loro ambiente (Jensen, 2005). Nei primi due anni, i sistemi uditivi dei bambini maturano in termini di gamma di suoni uditi e capacità di discriminare tra i suoni. Problemi nello sviluppo uditivo possono portare a problemi nell'apprendimento della lingua, perché gran parte dell'acquisizione del linguaggio dipende dall'udire il discorso degli altri nel loro ambiente.

Visione

La vista si sviluppa in gran parte durante il primo anno di vita e soprattutto dopo il quarto mese. La densità sinaptica nel sistema visivo aumenta notevolmente, comprese le connessioni neurali che regolano la percezione del colore, della profondità, del movimento e della tonalità. Un corretto sviluppo visivo richiede un ambiente visivamente ricco in cui i neonati possano esplorare oggetti e movimenti. Televisione e film sono sostituti poveri. Sebbene forniscano colore e movimento, sono bidimensionali e il cervello in via di sviluppo ha bisogno di profondità. L'azione mostrata in televisione e nei film spesso si verifica troppo rapidamente perché i neonati possano concentrarsi correttamente (Jensen, 2005).

In breve, i primi due anni di vita sono fondamentali per il corretto sviluppo dei sistemi sensomotori, visivi e uditivi, e lo sviluppo di questi sistemi è aiutato quando i neonati si trovano in un ambiente ricco che consente loro di sperimentare movimenti, immagini e suoni. Allo stesso tempo, lo sviluppo del cervello è un processo permanente; i cervelli hanno bisogno di stimolazione dopo i 2 anni. Il cervello aggiunge, elimina e riorganizza continuamente le connessioni sinaptiche e cambia strutturalmente. Sebbene i ricercatori abbiano dimostrato che alcuni aspetti dello sviluppo del cervello si verificano più rapidamente in determinati momenti, gli individui di tutte le età traggono beneficio da ambienti stimolanti.

In precedenza abbiamo visto come alcune funzioni associate al linguaggio operano nel cervello. Sebbene i ricercatori abbiano esplorato i processi cerebrali con diversi tipi di contenuti che coinvolgono varie abilità mentali, una vasta mole di ricerca è stata condotta sull'acquisizione e l'uso del linguaggio. Questo è un aspetto chiave dello sviluppo cognitivo e uno che ha profonde implicazioni per l'apprendimento.

Come notato in precedenza, gran parte della ricerca cerebrale sul linguaggio è stata condotta su persone che hanno subito lesioni cerebrali e hanno sperimentato un certo grado di perdita del linguaggio. Tale ricerca è informativa su quali funzioni sono influenzate da lesioni a particolari aree del cervello, ma queste indagini di ricerca non affrontano l'acquisizione e l'uso del linguaggio nei cervelli in via di sviluppo dei bambini.

Gli studi sul cervello di bambini in via di sviluppo, sebbene meno comuni, hanno offerto importanti spunti sullo sviluppo delle funzioni linguistiche. Gli studi hanno spesso confrontato bambini con sviluppo normale con quelli che hanno difficoltà di apprendimento a scuola. Invece delle tecniche chirurgiche spesso utilizzate su pazienti con lesioni cerebrali o deceduti, questi studi impiegano tecniche meno invasive come quelle descritte in precedenza in questo capitolo. I ricercatori misurano spesso i potenziali evento-correlati (o potenziali evocati), che sono cambiamenti nelle onde cerebrali che si verificano quando gli individui anticipano o si impegnano in vari compiti (Halliday, 1998).

Le differenze nei potenziali evento-correlati differenziano in modo affidabile tra bambini al di sotto della media, nella media e al di sopra della media (Molfese et al., 2006). I bambini con sviluppo normale mostrano un'estesa attivazione corticale bilaterale e anteriore (frontale) e attivazioni accentuate sul lato sinistro nelle aree del linguaggio e dell'eloquio. A differenza del mantenimento della lettura, sembra che lo sviluppo della lettura dipenda anche dall'attivazione anteriore, forse su entrambi i lati del cervello (Vellutino & Denckla, 1996). Altre ricerche mostrano che i bambini in via di sviluppo che sperimentano una disfunzione sul lato sinistro apparentemente compensano in una certa misura imparando a leggere usando l'emisfero destro. L'emisfero destro può essere in grado di supportare e sostenere un livello adeguato di lettura, ma sembra fondamentale che questa transizione avvenga prima dello sviluppo della competenza linguistica. Tale assunzione di funzioni linguistiche da parte dell'emisfero destro potrebbe non verificarsi tra gli individui che hanno subito danni all'emisfero sinistro da adulti. Un periodo critico nello sviluppo del linguaggio sembra essere tra la nascita e i 5 anni. Durante questo periodo, il cervello dei bambini sviluppa la maggior parte delle loro capacità linguistiche. C'è un rapido aumento del vocabolario tra i 19 e i 31 mesi (Jensen, 2005). Lo sviluppo di queste capacità linguistiche è potenziato quando i bambini si trovano in ambienti ricchi di linguaggio dove i genitori e gli altri parlano con i bambini. Questo periodo critico per lo sviluppo del linguaggio si sovrappone al periodo critico dello sviluppo uditivo tra la nascita e i 2 anni.

Oltre a questo periodo critico, lo sviluppo del linguaggio sembra anche essere parte di un processo naturale con un calendario. Abbiamo visto come i sistemi uditivo e visivo sviluppano capacità per fornire l'input per lo sviluppo del linguaggio. Un processo parallelo può verificarsi nello sviluppo del linguaggio per la capacità di percepire i fonemi, che sono le unità più piccole dei suoni del linguaggio (ad esempio, i suoni “b” e “p” in “bet” e “pet”). I bambini imparano o acquisiscono i fonemi quando sono esposti ad essi nei loro ambienti; se i fonemi sono assenti nei loro ambienti, allora i bambini non li acquisiscono. Pertanto, potrebbe esserci un periodo critico in cui le connessioni sinaptiche si formano correttamente, ma solo se l'ambiente fornisce gli input. In breve, il cervello dei bambini potrebbe essere “pronto” (“pre-programmato”) per imparare vari aspetti del linguaggio in momenti diversi in linea con i loro livelli di sviluppo cerebrale (National Research Council, 2000).

Importante per l'istruzione, l'istruzione può aiutare a facilitare lo sviluppo del linguaggio. Diverse aree del cervello devono lavorare insieme per imparare il linguaggio, come le aree coinvolte nel vedere, sentire, parlare e pensare (Byrnes, 2001; National Research Council, 2000). Acquisire e usare il linguaggio è un'attività coordinata. Le persone ascoltano il discorso e leggono il testo, pensano a ciò che è stato detto o a ciò che hanno letto e compongono frasi per scrivere o parlare. Questa attività coordinata implica che lo sviluppo del linguaggio dovrebbe beneficiare di un'istruzione che coordina queste funzioni, cioè esperienze che richiedono visione, udito, linguaggio e pensiero.

In sintesi, diverse aree del cervello partecipano allo sviluppo del linguaggio nei bambini con sviluppo normale, anche se i contributi dell'emisfero sinistro sono in genere più importanti di quelli dell'emisfero destro. Nel tempo, le funzioni linguistiche sono fortemente sussunte dall'emisfero sinistro. In particolare, l'abilità di lettura sembra richiedere il controllo dell'emisfero sinistro. Ma sono necessarie ulteriori ricerche prima di comprendere appieno le relazioni tra le funzioni cerebrali e lo sviluppo del linguaggio e delle competenze di lettura.

Come altri aspetti dello sviluppo cerebrale, l'acquisizione del linguaggio riflette l'interazione tra ereditarietà e ambiente. Le esperienze culturali dei neonati e dei bambini determineranno in larga misura quali sinapsi cerebrali manterranno. Se la cultura sottolinea le funzioni motorie, allora queste dovrebbero essere rafforzate; mentre se la cultura sottolinea i processi cognitivi, allora questi ascenderanno. Se i bambini piccoli sono esposti a un ambiente linguistico ricco che sottolinea il linguaggio orale e scritto, allora la loro acquisizione del linguaggio si svilupperà più rapidamente rispetto alle capacità linguistiche dei bambini in ambienti impoveriti.

L'implicazione per facilitare lo sviluppo cerebrale precoce è quella di fornire esperienze ricche per neonati e bambini piccoli, sottolineando le funzioni percettive, motorie e linguistiche. Questo è particolarmente critico nei primi anni di vita. Queste esperienze dovrebbero migliorare la formazione di connessioni e reti sinaptiche. Ci sono anche prove che i bambini che hanno sofferto in utero (ad esempio, a causa dell'abuso di droghe o alcol da parte delle madri), così come quelli con disabilità dello sviluppo (ad esempio, ritardo, autismo), beneficiano di un intervento precoce nei primi tre anni (Shore, 1997).

Facilitare lo sviluppo del linguaggio

Sebbene il periodo dalla nascita ai 5 anni rappresenti un periodo critico per lo sviluppo del linguaggio, l'acquisizione e l'uso del linguaggio sono attività che durano tutta la vita. Gli insegnanti possono lavorare con studenti di tutte le età per aiutare a sviluppare le loro abilità linguistiche. È importante che l'istruzione coordini le funzioni linguistiche componenti del vedere, sentire, pensare e parlare.

Un'insegnante di scuola materna lavora regolarmente con i suoi studenti sull'apprendimento dei fonemi. Per aiutare a sviluppare il riconoscimento dei fonemi nelle parole “__at” (ad esempio, mat, hat, pat, cat, sat), ha stampato ciascuna di queste parole su un grande pezzo di cartone. Il fonema è stampato in rosso e la parte “at” appare in nero. Dà agli studenti la pratica tenendo in mano una carta, chiedendo loro di dire la parola e poi chiedendo ai singoli studenti di usare la parola in una frase.

Kathy Stone insegna ai suoi studenti i nomi degli animali e l'ortografia. Ha una foto di ogni animale e il suo nome stampato su un tabellone, insieme a due o tre fatti interessanti sull'animale (ad esempio, dove vive, cosa mangia). Fa pronunciare ai bambini il nome dell'animale più volte e lo fa pronunciare ad alta voce, quindi scrive una breve frase usando la parola. Questo è particolarmente utile per i nomi di animali che sono difficili da pronunciare o da scrivere (ad esempio, giraffa, ippopotamo).

Un'insegnante di matematica delle medie classi sta lavorando con i suoi studenti sul valore posizionale. Alcuni studenti hanno molte difficoltà e non riescono a ordinare correttamente i numeri dal più piccolo al più grande (ad esempio, .007, 7/100, sette decimi, 7). L'insegnante ha tre grandi linee numeriche magnetiche, ciascuna compresa tra 0 e 1 e suddivisa in unità di decimi, centesimi e millesimi. Ha chiesto agli studenti di mettere una barra magnetica sulla linea numerica appropriata (ad esempio, mettere la barra sul 7 della linea dei centesimi per 7/100). Poi ha diviso gli studenti in piccoli gruppi e ha dato loro dei problemi e ha chiesto loro di usare linee numeriche o grafici a torta per mostrare dove cadevano i numeri in modo che potessero ordinarli correttamente. Successivamente ha lavorato con loro per convertire tutti i numeri in un denominatore comune (ad esempio, 7/10 = 70/100) e per posizionare i marcatori sulla stessa lavagna (ad esempio, millesimi) in modo che potessero vedere l'ordine corretto.

Gli studenti della classe di Jim Marshall imparano i documenti storici chiave nella storia degli Stati Uniti (ad esempio, Dichiarazione di indipendenza, Costituzione, Carta dei diritti). Per fare appello a più sensi, Jim ha portato in classe copie facsimile di questi documenti. Poi ha fatto impegnare gli studenti nel gioco di ruolo in cui leggevano selezioni dai documenti. Agli studenti è stato insegnato come mettere l'enfasi nei punti appropriati durante la lettura per rendere questi passaggi particolarmente distintivi.

Molti studenti della classe di psicologia dell'educazione di Gina Brown hanno difficoltà a comprendere e utilizzare correttamente i termini psicologici (ad esempio, assimilazione, saziazione, zona di sviluppo prossimale). Dove possibile, ottiene film che dimostrano questi concetti (ad esempio, un bambino a cui vengono somministrati compiti piagetiani). Per altri, utilizza siti web con casi di studio che gli studenti leggono e rispondono, dopo di che discutono in classe come quel concetto entra in gioco. Ad esempio, in un caso di studio uno studente viene ripetutamente elogiato da un insegnante. Infine, lo studente si sazia di elogi e dice all'insegnante che non deve sempre dirgli che ha fatto così bene.