脳の発達（学習の神経科学）：発達段階と重要 периоды

これまでのレッスンでは、成熟した中枢神経系の機能に焦点を当ててきました。しかし、多くの教育者は、未就学児、児童、および青年を対象としています。脳の発達というトピックは、それ自体が興味深いだけでなく、教育における指導と学習への示唆が脳の発達レベルによって異なるためでもあります。冒頭のシナリオで、ブライアンは教育者が脳の発達を理解することの重要性を指摘しています。このセクションでは、発達に影響を与える要因、発達の過程、発達における臨界期、そして言語の習得と使用における発達の役割について議論します。

人間の脳は構造的に類似していますが、個体間には差異があります。脳の発達に影響を与える5つの要因は、遺伝、環境刺激、栄養、ステロイド、催奇形性物質です（Byrnes、2001）。

遺伝

人間の脳は、他の動物のものとは大きさと構成が異なります。人間のゲノムと最も近い動物の親戚（チンパンジー）との差はわずか1.23％にすぎませんが（Lemonick＆Dorfman、2006）、その差と他の遺伝的変異により、橋を設計および建設し、音楽を作曲し、小説を書き、複雑な方程式を解くことができる種が生まれます。

人間の脳は同様の遺伝的構造を持っていますが、それでも大きさと構造が異なります。一卵性双生児の研究では、構造的に異なる脳を発達させることがあることが示されています（Byrnes、2001）。遺伝的指示は、脳のサイズ、構造、および神経接続を決定します。ほとんどの場合、これらの違いは正常に機能する脳をもたらしますが、脳の研究は、特定の遺伝的違いがどのように異常を引き起こすかを特定し続けています。

脳の発達に影響を与える要因：

• 遺伝
• 環境刺激
• 栄養
• ステロイド
• 催奇形性物質

環境刺激

脳の発達には、環境からの刺激が必要です。出生前の発達は、刺激や経験を受信および処理できる神経回路を開発することにより、学習の舞台を設定します。これらの経験は、シナプスを追加および再編成することにより、回路をさらに形成します。たとえば、妊娠中の女性が赤ちゃんに話しかけたり歌ったりすると、そのスピーチや歌を通して、赤ちゃんの神経接続の確立を助ける可能性があります（Wolfe、2001）。経験が欠落しているか最小限である場合、脳の発達は遅れます。刺激が深刻な影響を与える可能性のある特定の臨界期がありますが（Jensen、2005）、刺激は、継続的な脳の発達を確実にするために、生涯を通じて重要であることが研究によって示唆されています。

栄養

栄養不足は脳の発達に大きな影響を与える可能性があり、特定の影響は栄養不良が発生する時期によって異なります（Byrnes、2001）。たとえば、出生前の栄養失調は、ニューロンとグリア細胞の生成と成長を遅らせます。臨界期は、ほとんどの脳細胞が生成される妊娠4〜7か月です（Jensen、2005）。後の栄養失調は、細胞がサイズを大きくし、ミエリン鞘を獲得する速度を遅らせます。後者の問題は適切な食事で修正できますが、前者は細胞の発達が少なすぎるために修正できません。これが、妊娠中の女性が薬物、アルコール、タバコを避け、良好な食事を維持し、ストレスを避けるようにアドバイスされる理由です（ストレスも発達中の胎児に問題を引き起こします）。

ステロイド

ステロイドとは、性的発達やストレス反応など、いくつかの機能に影響を与えるホルモンのクラスを指します（Byrnes、2001）。ステロイドは、さまざまな方法で脳の発達に影響を与える可能性があります。脳にはホルモン受容体があります。エストロゲンやコルチゾールなどのホルモンは吸収され、出生前の発達中に脳の構造を潜在的に変化させます。過度のストレスホルモンはニューロンの死を引き起こす可能性があります。研究者らはまた、性別と性的嗜好の違いが、ステロイドの違いに一部起因するかどうかを調査してきました。脳の発達におけるステロイドの役割に関する証拠は、栄養に関する証拠ほど決定的ではありませんが、ステロイドは脳に影響を与える可能性があります。

催奇形性物質

催奇形性物質は、発達中の胚または胎児に異常を引き起こす可能性のある異物（アルコール、ウイルスなど）です（Byrnes、2001）。物質は、非現実的に高いレベルが脳の発達に影響を与える可能性があることを研究が示している場合にのみ、催奇形性物質と見なされます。たとえば、少量のカフェインは催奇形性物質ではないかもしれませんが、摂取量が多い場合は催奇形性物質になる可能性があります。催奇形性物質は、ニューロンとグリア細胞の発達と相互接続に影響を与える可能性があります。極端な場合（たとえば、風疹ウイルス）、先天性欠損症を引き起こす可能性があります。

出生前発達の間、脳は大きさと構造が成長するだけでなく、ニューロン、グリア細胞、神経結合（シナプス）の数も増加します。出生前の脳の発達は急速に進みます。なぜなら、9ヶ月で起こり、ほとんどの細胞が4ヶ月から7ヶ月の間に生成されるからです（Jensen、2005）。細胞は神経管を上り、脳のさまざまな部分に移動し、結合を形成します。ピーク時には、胚が1分間に25万個の脳細胞を生成すると推定されています。

出生時、脳には100万以上の結合があり、これは生涯にわたって発達するシナプスのピーク数の約60％に相当します（Jensen、2005）。これらの数を考えると、出生前の発達が非常に重要であることは不思議ではありません。その時に起こる変化は、広範囲に及び、永続的な影響を与える可能性があります。

脳の発達は乳児期にも急速に進みます。2歳までに、子供は大人の数と同じくらいのシナプスを持ち、3歳までに、大人よりも数十億多いシナプスを持つようになります。幼い子供たちの脳は密度が高く、多くの複雑な神経結合を持ち、人生の他のどの時期よりも多いのです（Trawick-Smith、2003）。

実際、幼い子供たちはシナプスが多すぎます。赤ちゃんのエネルギーの約60％は脳によって使用されます。比較すると、大人の脳はわずか20〜25％しか必要としません（Brunton、2007）。発達に伴い、子供と青年は得るよりもはるかに多くの脳シナプスを失います。青年が18歳になるまでに、乳児期のシナプスの約半分を失っています。使用されていない、または必要とされていない脳の接続は単純に消えます。この「使えば勝ち、使わなければ失う」戦略は望ましいものです。なぜなら、使用されている接続は強化され、統合されますが、使用されていない接続は永久に失われるからです。

5歳までに、子供の脳は言語を獲得し、感覚運動能力およびその他の能力を発達させています。最初の数年間の急速な変化は鈍化しましたが、脳はシナプスを追加し続けています。神経ネットワークは、その連結においてより複雑になっています。このプロセスは発達を通じて続きます。

ブライアンが冒頭のビネットで述べたように、脳が構造的な変化を受ける10代の時期には、大きな変化が起こります（Jensen、2005）。抽象的な推論と問題解決を扱う前頭葉が成熟し、頭頂葉が大きくなります。判断と衝動を制御する前頭前皮質はゆっくりと成熟します（Shute、2009）。また、神経伝達物質、特にドーパミンにも変化があり、脳が薬物やアルコールの快楽的な影響を受けやすくなる可能性があります。脳細胞が肥厚し、シナプスの大規模な再編成が行われ、学習にとって重要な時期となります。「使えば勝ち、使わなければ失う」戦略により、練習を通じて脳の領域が強化されます（例えば、ピアノを練習すると、指を制御する脳領域のニューロンが肥厚します）（Wallis、2004）。

脳にこのような広範囲な変化があることを考えると、10代の若者がしばしば不適切な決定を下し、薬物、アルコール、セックスを含むリスクの高い行動に関与することは驚くべきことではありません。教育戦略はこれらの変化を考慮に入れる必要があります。

育児に関する多くの書籍では、生後最初の2年間が臨界期であり、特定の経験が起こらなければ、子どもの発達は永久に損なわれると強調されています。この記述にはある程度の真実が含まれていますが、誇張された主張でもあります。臨界期が存在すると考えられる脳の発達の5つの側面は、言語、感情、感覚運動発達、聴覚発達、視覚です。言語と感情については本章の別の箇所で議論されており、残りの3つについては次に説明します。

感覚運動発達

視覚、聴覚、および運動に関連するシステムは、生後最初の2年間の経験を通じて広範囲に発達します。内耳の前庭系は、動きとバランスの感覚に影響を与え、他の感覚系にも影響を与えます。乳幼児期の不十分な前庭刺激は、後年の学習障害につながる可能性があるという証拠があります（Jensen, 2005）。

臨界期を持つ脳の発達の側面。

• 感覚運動
• 聴覚
• 視覚
• 感情
• 言語

しかし、あまりにも多くの場合、乳幼児は刺激的な環境におらず、特にほとんどの時間を保育に費やす保育所にいる子どもたちはそうです。多くの子供たちは、カーシート、歩行器、またはテレビの前で過ごす時間が長すぎるため、そのような環境の外でも十分な刺激を受けていません。若者の動きを許容したり、揺らしたりすることさえ刺激を提供します。乳幼児の約60％が、1日に平均1〜2時間、テレビやビデオを見て過ごしています（Courage & Setliff, 2009）。幼い子供たちはこれらのメディアから学ぶことができますが、簡単にはそうではありません。子供たちの理解と学習は、親が一緒に見て、説明や解説を提供することで強化されます（Courage & Setliff, 2009）。

聴覚発達

子どもの最初の2年間は聴覚発達にとって重要です。生後6か月までに、乳児は環境内のほとんどの音を区別できます（Jensen, 2005）。最初の2年間で、子供たちの聴覚システムは、聞こえる音の範囲と音を区別する能力の点で成熟します。聴覚発達の問題は言語学習の問題につながる可能性があります。なぜなら、言語習得の多くは、子供たちが環境内で他の人の話し声を聞くことに依存しているからです。

視覚

視覚は主に生後1年、特に生後4か月以降に発達します。視覚系のシナプス密度は劇的に増加し、色、奥行き、動き、色相の知覚を調節する神経接続も含まれます。適切な視覚発達には、乳児が物体や動きを探求できる視覚的に豊かな環境が必要です。テレビや映画は、その代替としては不十分です。色と動きを提供しますが、二次元であり、発達中の脳は奥行きを必要とします。テレビや映画で示されるアクションは、乳児が適切に焦点を合わせるには速すぎる場合がよくあります（Jensen, 2005）。

要するに、生後最初の2年間は、感覚運動系、視覚系、聴覚系の適切な発達にとって重要であり、これらの系の発達は、乳児が動き、視覚、音を体験できる豊かな環境にいる場合に助けられます。同時に、脳の発達は生涯にわたるプロセスです。脳は2歳以降も刺激を必要とします。脳は絶えずシナプス接続を追加、削除、再編成し、構造的に変化しています。研究者たちは、脳の発達のある側面が特定の時期に急速に起こることを示していますが、すべての年齢の個人が刺激的な環境から恩恵を受けます。

前述したように、言語に関連する特定の機能が脳内でどのように働くかを見てきました。研究者たちは、さまざまな精神能力を伴うさまざまな種類のコンテンツを用いて脳のプロセスを調査してきましたが、言語の獲得と使用に関する豊富な研究が行われてきました。これは、認知発達の重要な側面であり、学習に深刻な影響を与えるものです。

前述したように、言語に関する脳の研究の多くは、脳損傷を受け、ある程度の言語喪失を経験した人々に対して行われてきました。このような研究は、特定の脳領域への損傷によってどのような機能が影響を受けるかを知る上で有益ですが、これらの研究調査は、子供の発達中の脳における言語の獲得と使用には対応していません。

発達中の子供の脳に関する研究は、一般的ではありませんが、言語機能の発達について重要な洞察を提供しています。研究では、通常の発達をしている子供と、学校での学習に困難を抱える子供とを比較することがよくあります。脳損傷患者や死亡した患者によく使用される外科的技術の代わりに、これらの研究では、本章で前述したような、より侵襲性の低い技術を使用します。研究者は、事象関連電位（または誘発電位）を測定することがよくあります。これは、個人がさまざまなタスクを予期または実行するときに発生する脳波の変化です（Halliday、1998）。

事象関連電位の違いは、平均以下の子供、平均的な子供、平均以上の子供を確実に区別します（Molfeseら、2006）。通常の発達をしている子供は、広範な両側性および前部（前頭部）皮質活性化を示し、言語および音声領域で左側の活性化が強調されます。読解の維持とは対照的に、読解の発達も前部活性化に依存しているように見えます。おそらく脳の両側で（Vellutino＆Denckla、1996）。他の研究では、左側の機能不全を経験している発達中の子供は、右半球を使用して読むことを学ぶことによって、ある程度補償していることが示されています。右半球は、適切なレベルの読解をサポートおよび維持できる可能性がありますが、この移行が言語能力の発達前に起こることが重要であるように思われます。右半球による言語機能のこのような引き受けは、成人として左半球の損傷を受けた個人には起こらない可能性があります。言語発達の重要な期間は、出生から5歳の間であるようです。この時期に、子供の脳は言語能力のほとんどを発達させます。19か月から31か月の間に語彙が急速に増加します（Jensen、2005）。これらの言語能力の発達は、子供たちが親や他の人が子供と話す言語が豊富な環境にいる場合に促進されます。この言語発達の重要な期間は、出生から2歳までの聴覚発達の重要な期間と重なります。

この重要な期間に加えて、言語発達はタイムテーブルのある自然なプロセスの一部でもあるようです。聴覚および視覚システムが言語の発達のための入力を提供する能力をどのように発達させるかを見てきました。並行プロセスは、音素を知覚する能力の言語発達で発生する可能性があります。音素は、音声の最小単位です（たとえば、「bet」および「pet」の「b」および「p」の音）。子供たちは、環境で音素にさらされると、音素を学習または習得します。環境に音素がない場合、子供たちは音素を習得しません。したがって、シナプス接続が適切に形成される重要な期間がある可能性がありますが、環境が入力を提供する場合に限ります。つまり、子供の脳は、脳の発達レベルに合わせて、さまざまな時期に言語のさまざまな側面を学習する「準備ができている」（「配線済み」）可能性があります（National Research Council、2000）。

教育にとって重要なことは、指導が言語発達を促進するのに役立つということです。脳のさまざまな領域が連携して言語を学習する必要があります。たとえば、見ること、聞くこと、話すこと、考えることに関与する領域などです（Byrnes、2001; National Research Council、2000）。言語の習得と使用は、協調的な活動です。人々はスピーチを聞き、テキストを読み、言われたことや読んだことについて考え、文章を作成して書いたり話したりします。この協調的な活動は、言語発達がこれらの機能を調整する指導、つまり、視覚、聴覚、スピーチ、思考を必要とする経験から恩恵を受けるはずであることを意味します。

要約すると、脳のさまざまな領域が通常の発達をしている子供の言語発達に関与していますが、通常、左半球の寄与は右半球の寄与よりも顕著です。時間の経過とともに、言語機能は左半球に大きく包含されます。特に、読解スキルは左半球の制御を必要とするようです。しかし、脳機能と言語および読解能力の発達との関係を完全に理解するには、さらに研究が必要です。

脳の発達の他の側面と同様に、言語の習得は遺伝と環境の相互作用を反映しています。乳幼児や子供の文化的経験は、どの脳のシナプスを保持するかを大きく決定します。文化が運動機能を強調する場合、これらは強化されるはずです。一方、文化が認知プロセスを強調する場合、これらは上昇します。幼い子供が口頭および書面による言語を強調する豊かな言語環境にさらされると、言語能力の乏しい環境にいる子供の言語能力よりも、言語の習得がより速く発達します。

初期の脳の発達を促進するための意味は、乳幼児や幼い子供に知覚、運動、言語機能を強調する豊かな経験を提供することです。これは、人生の最初の数年で特に重要です。これらの経験は、シナプス接続とネットワークの形成を強化する必要があります。また、子宮内で苦しんだ赤ちゃん（たとえば、母親の薬物やアルコール乱用によるもの）や、発達障害のある赤ちゃん（たとえば、精神遅滞、自閉症）は、最初の3年間で早期介入から恩恵を受けるという証拠もあります（Shore、1997）。

言語発達の促進

出生から5歳までの期間は言語発達の重要な期間ですが、言語の習得と使用は生涯にわたる活動です。教師は、あらゆる年齢の生徒と協力して、言語スキルを伸ばすことができます。指導が、見ること、聞くこと、考えること、話すことの言語機能の構成要素を調整することが重要です。

幼稚園の先生は、生徒と一緒に音素を学習することを定期的に行っています。「__at」という単語（たとえば、mat、hat、pat、cat、sat）の音素の認識を深めるために、これらの単語をそれぞれ大きな段ボール紙に印刷しています。音素は赤で印刷され、「at」は黒で表示されます。彼女は、カードを掲げて生徒に言葉を言わせ、次に個々の生徒に文章の中でその言葉を使わせることによって、生徒に練習をさせます。

キャシー・ストーンは生徒に動物の名前とスペルを教えています。彼女は各動物の写真と印刷された名前を掲示板に、その動物に関する2〜3の興味深い事実（たとえば、どこに住んでいるか、何を食べているか）と一緒に掲示しています。彼女は子供たちに動物の名前を数回発音させ、声に出してスペルを唱えさせ、次にその言葉を使って短い文章を書かせます。これは、発音またはスペルが難しい動物の名前（たとえば、キリン、カバ）に特に役立ちます。

中学校の数学教師は、生徒と一緒に位取りに取り組んでいます。一部の生徒は多くの困難を抱えており、数値を小さい順に正しく並べることができません（たとえば、.007、7/100、十分の七、7）。教師は、3つの大きな磁気数直線を持っており、それぞれ0から1の範囲で、十分の一、百分の一、千分の一の単位に分割されています。彼女は生徒に適切な数直線に磁気バーを置くように依頼しました（たとえば、7/100の場合は、百分の一の線の7にバーを置きます）。次に、彼女は生徒を小さなグループに分け、問題を出し、数直または円グラフを使用して数値がどこに落ちるかを示し、正しく並べることができるように依頼しました。次に、彼女は生徒と協力して、すべての数値を共通の分母（たとえば、7/10 = 70/100）に変換し、マーカーを同じボード（たとえば、千分の一）に配置して、正しい順序を確認できるようにしました。

ジム・マーシャルのクラスの生徒は、米国史の主要な歴史的文書（たとえば、独立宣言、憲法、権利章典）について学びます。複数の感覚に訴えるために、ジムはこれらの文書のファクシミリコピーをクラスに持ち込みました。次に、彼は生徒に文書から選択箇所を読むロールプレイングに参加させました。生徒は、これらの箇所を特に特徴的にするために、読みながら適切な場所に重点を置く方法を教えられました。

ジーナ・ブラウンの教育心理学のクラスの多くの生徒は、心理学用語（たとえば、同化、飽和、発達の最近接領域）を理解し、正しく使用することに苦労しています。可能な限り、彼女はこれらの概念を示す映画を入手します（たとえば、ピアジェのタスクを管理されている子供）。他の映画では、彼女は生徒が読んで応答するケーススタディが掲載されたウェブサイトを使用し、その後、クラスでその概念がどのように作用するかについて話し合います。たとえば、あるケーススタディでは、生徒が教師から繰り返し褒められています。最終的に、生徒は褒めに飽きてしまい、教師に自分がとてもよくできたといつも言う必要はないと言います。