두뇌 발달: 학습 신경과학 - 영향 요인 및 단계

지금까지 이 강의는 성숙한 중추신경계 기능에 초점을 맞추었습니다. 그러나 많은 교육자들이 미취학 아동, 어린이 및 청소년과 함께 일합니다. 뇌 발달이라는 주제는 그 자체로도 흥미롭지만, 교육 및 학습에 대한 교육적 함의는 뇌 발달 수준에 따라 달라지기 때문에 더욱 그렇습니다. 시작 시나리오에서 Bryan은 교육자들이 뇌 발달을 이해하는 것의 중요성을 언급합니다. 이 섹션에서는 발달에 영향을 미치는 요인, 발달 과정, 발달의 중요한 시기, 언어 습득 및 사용에서 발달의 역할을 논의합니다.

인간의 뇌는 구조적으로 유사하지만, 개인 간에는 차이가 존재합니다. 뇌 발달에 영향을 미치는 다섯 가지 요인은 유전, 환경적 자극, 영양, 스테로이드, 그리고 기형 유발 물질입니다(Byrnes, 2001).

유전

인간의 뇌는 크기와 구성 면에서 다른 동물들과 차이가 있습니다. 인간 게놈과 가장 가까운 동물 친척(침팬지)의 게놈 간 차이는 단 1.23%에 불과하지만(Lemonick & Dorfman, 2006), 이러한 차이와 다른 유전적 변이는 다리를 설계하고 건설하며, 음악을 작곡하고, 소설을 쓰고, 복잡한 방정식을 풀 수 있는 종을 만들어냅니다.

인간의 뇌는 유사한 유전적 구조를 가지고 있지만, 크기와 구조 면에서 여전히 차이가 있습니다. 일란성 쌍둥이 연구에 따르면 때로는 구조적으로 다른 뇌를 발달시키는 경우가 있습니다(Byrnes, 2001). 유전적 지침은 뇌의 크기, 구조 및 신경 연결을 결정합니다. 대부분의 경우 이러한 차이로 인해 정상적으로 기능하는 뇌가 생성되지만, 뇌 연구는 특정 유전적 차이가 어떻게 이상을 일으키는지 계속해서 밝혀내고 있습니다.

뇌 발달에 영향을 미치는 요인:

• 유전
• 환경적 자극
• 영양
• 스테로이드
• 기형 유발 물질

환경적 자극

뇌 발달에는 환경으로부터의 자극이 필요합니다. 출생 전 발달은 자극과 경험을 받아들이고 처리할 수 있는 신경 회로를 개발함으로써 학습을 위한 기반을 마련합니다. 이러한 경험은 시냅스를 추가하고 재구성하여 회로를 더욱 형성합니다. 예를 들어, 임산부가 아기에게 말을 걸고 노래를 부르면, 그들의 말과 노래를 통해 아기의 신경 연결을 확립하는 데 도움이 될 수 있습니다(Wolfe, 2001). 경험이 부족하거나 최소한일 때 뇌 발달이 지연됩니다. 자극이 심오한 영향을 미칠 수 있는 특정 결정적 시기가 있지만(Jensen, 2005), 연구에 따르면 지속적인 뇌 발달을 보장하기 위해 평생 동안 자극이 중요합니다.

영양

영양 부족은 뇌 발달에 큰 영향을 미칠 수 있으며, 특정 효과는 영양 부족이 발생하는 시기에 따라 달라집니다(Byrnes, 2001). 예를 들어, 출생 전 영양실조는 뉴런과 신경교세포의 생산 및 성장을 늦춥니다. 대부분의 뇌 세포가 생성되는 임신 4개월에서 7개월 사이가 중요한 시기입니다(Jensen, 2005). 이후의 영양실조는 세포가 크기가 커지고 미엘린 수초를 획득하는 속도를 늦춥니다. 후자의 문제는 적절한 식단으로 교정할 수 있지만, 전자는 너무 적은 세포가 발달했기 때문에 교정할 수 없습니다. 이것이 임산부에게 약물, 알코올, 담배를 피하고, 좋은 식단을 유지하고, 스트레스를 피하도록 권고하는 이유입니다(스트레스 또한 발달 중인 태아에게 문제를 일으킵니다).

스테로이드

스테로이드는 성 발달 및 스트레스 반응을 포함한 여러 기능에 영향을 미치는 호르몬의 한 종류를 지칭합니다(Byrnes, 2001). 스테로이드는 다양한 방식으로 뇌 발달에 영향을 미칠 수 있습니다. 뇌에는 호르몬 수용체가 있습니다. 에스트로겐 및 코르티솔과 같은 호르몬은 흡수되어 출생 전 발달 동안 뇌 구조를 잠재적으로 변화시킬 수 있습니다. 과도한 스트레스 호르몬은 뉴런의 죽음을 초래할 수 있습니다. 연구자들은 또한 성별 및 성적 선호도 차이가 스테로이드의 차이로 인해 발생하는지 여부를 탐구했습니다. 뇌 발달에서 스테로이드의 역할에 대한 증거는 영양에 대한 증거만큼 결정적이지는 않지만, 스테로이드는 뇌에 영향을 미칠 가능성이 있습니다.

기형 유발 물질

기형 유발 물질은 발달 중인 배아 또는 태아에 이상을 일으킬 수 있는 외부 물질(예: 알코올, 바이러스)입니다(Byrnes, 2001). 물질이 비현실적으로 높은 수준이 뇌 발달에 영향을 미칠 수 있다는 연구 결과가 있는 경우에만 기형 유발 물질로 간주됩니다. 예를 들어, 소량의 카페인은 기형 유발 물질이 아닐 수 있지만, 섭취량이 더 많아지면 기형 유발 물질이 될 수 있습니다. 기형 유발 물질은 뉴런과 신경교세포의 발달 및 상호 연결에 영향을 미칠 수 있습니다. 극단적인 경우(예: 풍진 바이러스) 출생 결함을 일으킬 수 있습니다.

출생 전 발달 동안 뇌는 크기와 구조뿐만 아니라 뉴런, 신경교세포 및 신경 연결(시냅스)의 수가 증가합니다. 출생 전 뇌 발달은 9개월 동안 발생하고 대부분의 세포가 4개월에서 7개월 사이에 생성되기 때문에 빠릅니다(Jensen, 2005). 세포는 신경관을 따라 이동하여 뇌의 여러 부분으로 이동하고 연결을 형성합니다. 배아가 분당 25만 개의 뇌 세포를 생성하는 것으로 추정됩니다.

출생 시 뇌는 백만 개 이상의 연결을 가지고 있으며, 이는 평생 동안 발달할 시냅스 수의 약 60%를 나타냅니다(Jensen, 2005). 이러한 숫자를 고려할 때 출생 전 발달이 매우 중요하다는 것은 당연합니다. 그때 발생하는 변화는 광범위하고 영구적인 영향을 미칠 수 있습니다.

뇌 발달은 유아에서도 빠르게 일어납니다. 2세가 되면 어린이는 성인만큼 많은 시냅스를 갖게 되며, 3세가 되면 성인보다 수십억 개 더 많은 시냅스를 갖게 됩니다. 어린 아이들의 뇌는 조밀하고 복잡한 신경 연결이 많으며 인생의 다른 어떤 시기보다 많습니다(Trawick-Smith, 2003).

사실 어린 아이들은 너무 많은 시냅스를 가지고 있습니다. 아기의 에너지의 약 60%가 뇌에서 사용됩니다. 이에 비해 성인의 뇌는 20~25%만 필요합니다(Brunton, 2007). 발달하면서 어린이와 청소년은 얻는 것보다 훨씬 더 많은 뇌 시냅스를 잃습니다. 청소년이 18세가 될 때쯤이면 유아 시냅스의 약 절반을 잃게 됩니다. 사용되지 않거나 필요하지 않은 뇌 연결은 단순히 사라집니다. 이 '사용하거나 잃거나' 전략은 사용되는 연결이 강화되고 통합되는 반면, 사용되지 않는 연결은 영구적으로 손실되기 때문에 바람직합니다.

5세가 되면 어린이의 뇌는 언어를 습득하고 감각 운동 기술 및 기타 능력을 개발합니다. 처음 몇 년간의 급격한 변화는 느려졌지만 뇌는 계속해서 시냅스를 추가합니다. 신경망은 연결에서 더욱 복잡해지고 있습니다. 이 과정은 발달 전반에 걸쳐 계속됩니다.

Bryan이 오프닝 비네트에서 언급했듯이 뇌가 구조적 변화를 겪는 십대 시절에 주요 변화가 발생합니다(Jensen, 2005). 추상적 추론과 문제 해결을 담당하는 전두엽이 성숙하고 두정엽의 크기가 증가합니다. 판단과 충동을 조절하는 전전두피질은 천천히 성숙합니다(Shute, 2009). 또한 신경 전달 물질, 특히 도파민에 변화가 있어 뇌가 약물과 알코올의 즐거운 효과에 더 민감해질 수 있습니다. 뇌 세포가 두꺼워지고 시냅스가 대대적으로 재구성되어 학습에 중요한 시기입니다. '사용하거나 잃거나' 전략은 연습을 통해 뇌 영역이 강화됩니다(예: 피아노 연습은 손가락을 제어하는 뇌 영역의 뉴런을 두껍게 함)(Wallis, 2004).

뇌의 광범위한 변화를 감안할 때 십대들이 종종 잘못된 결정을 내리고 약물, 알코올 및 성과 관련된 고위험 행동에 참여하는 것은 놀라운 일이 아닙니다. 교육 전략은 이러한 변화를 고려해야 합니다.

많은 육아 서적에서는 생후 처음 2년이 결정적 시기이므로 특정 경험이 발생하지 않으면 아동의 발달이 영구적으로 손상될 것이라고 강조합니다. 이 말에는 어느 정도 진실이 있지만 주장이 과장되어 있습니다. 결정적 시기가 있는 것으로 보이는 뇌 발달의 다섯 가지 측면은 언어, 감정, 감각 운동 발달, 청각 발달 및 시각입니다. 언어와 감정은 이 장의 다른 곳에서 논의되고 나머지 세 가지는 다음에 다룹니다.

감각 운동 발달

시각, 청각 및 운동과 관련된 시스템은 생후 처음 2년 동안의 경험을 통해 광범위하게 발달합니다. 내이의 전정 시스템은 움직임과 균형 감각에 영향을 미치고 다른 감각 시스템에 영향을 미칩니다. 유아 및 유아의 부적절한 전정 자극은 나중에 학습 문제로 이어질 수 있다는 증거가 있습니다(Jensen, 2005).

결정적 시기가 있는 뇌 발달의 측면.

• 감각 운동
• 청각
• 시각
• 정서적
• 언어

그러나 너무 자주 유아와 유아는 자극적인 환경에 있지 않으며 특히 주로 양육을 제공하는 데이 케어 센터에서 많은 시간을 보내는 어린이가 그렇습니다. 많은 어린이들이 자동차 시트, 보행기 또는 텔레비전 앞에서 너무 많은 시간을 보내기 때문에 이러한 환경 밖에서 충분한 자극을 받지 못합니다. 청소년의 움직임을 허용하고 심지어 흔들어주는 것만으로도 자극을 제공합니다. 유아와 유아의 약 60%가 하루 평균 1~2시간 동안 텔레비전이나 비디오를 시청합니다(Courage & Setliff, 2009). 어린이는 이러한 매체에서 배울 수 있지만 쉽게 배울 수는 없습니다. 어린이가 이해하고 배우는 능력은 부모가 함께 시청하고 설명과 설명을 제공할 때 향상됩니다(Courage & Setliff, 2009).

청각 발달

아동의 처음 2년은 청각 발달에 매우 중요합니다. 생후 6개월이 되면 유아는 환경에서 대부분의 소리를 구별할 수 있습니다(Jensen, 2005). 처음 2년 동안 어린이의 청각 시스템은 들리는 소리의 범위와 소리 간의 구별 능력 측면에서 성숙합니다. 청각 발달의 문제는 언어 학습의 문제로 이어질 수 있습니다. 언어 습득은 환경에서 다른 사람의 말을 듣는 것에 크게 의존하기 때문입니다.

시각

시각은 주로 생후 첫 해, 특히 4개월 이후에 발달합니다. 시각 시스템의 시냅스 밀도는 색상, 깊이, 움직임 및 색조의 인식을 조절하는 신경 연결을 포함하여 극적으로 증가합니다. 적절한 시각 발달에는 유아가 물체와 움직임을 탐색할 수 있는 시각적으로 풍부한 환경이 필요합니다. 텔레비전과 영화는 좋지 않은 대안입니다. 색상과 움직임을 제공하지만 2차원이며 발달하는 뇌에는 깊이가 필요합니다. 텔레비전과 영화에 표시되는 동작은 너무 빨리 발생하여 유아가 제대로 집중할 수 없는 경우가 많습니다(Jensen, 2005).

요컨대 생후 처음 2년은 감각 운동, 시각 및 청각 시스템의 적절한 발달에 중요하며 이러한 시스템의 발달은 유아가 움직임, 시각 및 소리를 경험할 수 있는 풍부한 환경에 있을 때 도움이 됩니다. 동시에 뇌 발달은 평생 진행되는 과정입니다. 뇌는 2세 이후에도 자극이 필요합니다. 뇌는 끊임없이 시냅스 연결을 추가, 삭제 및 재구성하고 구조적으로 변화하고 있습니다. 연구자들은 뇌 발달의 특정 측면이 특정 시기에 더 빠르게 발생한다는 것을 보여주었지만 모든 연령대의 개인은 자극적인 환경에서 이점을 얻습니다.

이전에 우리는 언어와 관련된 특정 기능이 뇌에서 어떻게 작동하는지 살펴보았습니다. 연구자들은 다양한 정신 능력과 관련된 다양한 유형의 콘텐츠를 사용하여 뇌 과정을 탐구했지만, 언어 습득 및 사용에 대한 풍부한 연구가 수행되었습니다. 이는 인지 발달의 핵심 측면이며 학습에 심오한 영향을 미칩니다.

앞서 언급했듯이 언어에 대한 뇌 연구는 뇌 손상을 입고 어느 정도의 언어 상실을 경험한 사람들을 대상으로 많이 수행되었습니다. 이러한 연구는 특정 뇌 영역의 손상으로 인해 어떤 기능이 영향을 받는지에 대한 정보를 제공하지만, 이러한 연구 조사는 아동의 발달하는 뇌에서 언어 습득 및 사용을 다루지 않습니다.

일반적으로 발달 중인 아동에 대한 뇌 연구는 덜 일반적이지만 언어 기능 발달에 대한 중요한 통찰력을 제공했습니다. 연구는 종종 정상적으로 발달하는 아동과 학교에서 학습에 어려움을 겪는 아동을 비교했습니다. 뇌 손상 또는 사망 환자에게 자주 사용되는 수술 기법 대신 이러한 연구에서는 이 장에서 앞서 설명한 것과 같이 덜 침습적인 기법을 사용합니다. 연구자들은 종종 사건 관련 전위(또는 유발 전위)를 측정하는데, 이는 개인이 다양한 작업을 예상하거나 참여할 때 발생하는 뇌파의 변화입니다(Halliday, 1998).

사건 관련 전위의 차이는 평균 이하, 평균, 평균 이상의 아동을 안정적으로 구별합니다(Molfese et al., 2006). 정상적으로 발달하는 아동은 광범위한 양측 및 전방(전두) 피질 활성화와 언어 및 말하기 영역에서 강조된 좌측 활성화를 보입니다. 읽기 유지와는 대조적으로 읽기 발달은 또한 전방 활성화, 아마도 뇌의 양쪽 모두에 의존하는 것으로 보입니다(Vellutino & Denckla, 1996). 다른 연구에 따르면 좌측 기능 장애를 겪는 발달 중인 아동은 오른쪽 반구를 사용하여 읽기를 배우면서 어느 정도 보상하는 것으로 보입니다. 오른쪽 반구는 적절한 수준의 읽기를 지원하고 유지할 수 있지만 이러한 전환은 언어 능력이 발달하기 전에 발생하는 것이 중요한 것으로 보입니다. 오른쪽 반구에 의한 언어 기능의 이러한 가정은 성인으로서 좌반구 손상을 입은 개인에게는 발생하지 않을 수 있습니다. 언어 발달의 중요한 시기는 출생에서 5세 사이인 것으로 보입니다. 이 기간 동안 아동의 뇌는 언어 능력의 대부분을 발달시킵니다. 19개월에서 31개월 사이에 어휘가 빠르게 증가합니다(Jensen, 2005). 이러한 언어 능력의 발달은 아동이 부모와 다른 사람들이 아동과 대화하는 언어가 풍부한 환경에 있을 때 향상됩니다. 언어 발달의 이 중요한 시기는 출생에서 2세 사이의 청각 발달의 중요한 시기와 겹칩니다.

이 중요한 시기 외에도 언어 발달은 또한 시간표가 있는 자연스러운 과정의 일부인 것으로 보입니다. 우리는 청각 및 시각 시스템이 언어 발달을 위한 입력을 제공하는 능력을 어떻게 개발하는지 보았습니다. 음소(예: “bet” 및 “pet”의 “b” 및 “p” 소리)인 말소리의 가장 작은 단위인 음소를 인식하는 능력에 대해 언어 발달에서 병렬 과정이 발생할 수 있습니다. 아동은 환경에서 음소에 노출될 때 음소를 배우거나 습득합니다. 환경에 음소가 없으면 아동은 음소를 습득하지 않습니다. 따라서 시냅스 연결이 적절하게 형성되는 중요한 시기가 있을 수 있지만 환경이 입력을 제공하는 경우에만 가능합니다. 간단히 말해서 아동의 뇌는 뇌 발달 수준에 따라 다양한 측면의 언어를 배울 “준비”(“사전 배선”)가 되어 있을 수 있습니다(National Research Council, 2000).

교육에 중요한 것은 교육이 언어 발달을 촉진하는 데 도움이 될 수 있다는 것입니다. 뇌의 여러 영역, 예를 들어 보고, 듣고, 말하고, 생각하는 데 관여하는 영역이 언어를 배우기 위해 함께 작동해야 합니다(Byrnes, 2001; National Research Council, 2000). 언어를 습득하고 사용하는 것은 협력적인 활동입니다. 사람들은 연설을 듣고 텍스트를 읽고, 말한 내용이나 읽은 내용에 대해 생각하고, 문장을 구성하여 쓰거나 말합니다. 이러한 협력적인 활동은 언어 발달이 이러한 기능을 조정하는 교육, 즉 시각, 청각, 말하기 및 사고를 요구하는 경험으로부터 이익을 얻어야 함을 의미합니다.

요약하면 뇌의 여러 영역이 정상적으로 발달하는 아동의 언어 발달에 참여하지만 일반적으로 좌반구 기여가 우반구 기여보다 더 두드러집니다. 시간이 지남에 따라 언어 기능은 좌반구에 의해 크게 포함됩니다. 특히 읽기 능력은 좌반구 제어가 필요한 것으로 보입니다. 그러나 뇌 기능과 발달하는 언어 및 읽기 능력 간의 관계를 완전히 이해하기 전에 더 많은 연구가 필요합니다.

뇌 발달의 다른 측면과 마찬가지로 언어 습득은 유전과 환경 간의 상호 작용을 반영합니다. 유아와 아동의 문화적 경험은 그들이 유지하는 뇌 시냅스를 크게 결정합니다. 문화가 운동 기능을 강조하면 강화되어야 합니다. 반면에 문화가 인지 과정을 강조하면 상승합니다. 어린 아동이 구두 및 서면 언어를 강조하는 풍부한 언어 환경에 노출되면 빈약한 환경에 있는 아동의 언어 능력보다 언어 습득이 더 빠르게 발달합니다.

초기 뇌 발달을 촉진하는 데 대한 의미는 유아와 어린 아동에게 지각, 운동 및 언어 기능을 강조하는 풍부한 경험을 제공하는 것입니다. 이것은 인생의 첫 해에 특히 중요합니다. 이러한 경험은 시냅스 연결 및 네트워크의 형성을 향상시켜야 합니다. 또한 자궁 내에서 고통을 겪은(예: 산모의 약물 또는 알코올 남용으로 인해) 아기와 발달 장애(예: 정신 지체, 자폐증)가 있는 아동도 처음 3년 동안 조기 개입으로부터 혜택을 받는다는 증거가 있습니다(Shore, 1997).

언어 발달 촉진

출생에서 5세 사이의 기간이 언어 발달의 중요한 시기를 나타내지만, 언어 습득 및 사용은 평생 활동입니다. 교사는 모든 연령대의 학생들과 협력하여 언어 능력을 개발할 수 있습니다. 교육은 보고, 듣고, 생각하고, 말하는 구성 요소 언어 기능을 조정하는 것이 중요합니다.

유치원 교사는 학생들과 함께 정기적으로 음소 학습을 합니다. “__at” 단어(예: mat, hat, pat, cat, sat)에서 음소 인식을 개발하는 데 도움이 되도록 이러한 각 단어를 큰 판지에 인쇄했습니다. 음소는 빨간색으로 인쇄되고 “at”는 검은색으로 나타납니다. 그녀는 학생들에게 카드를 들고 단어를 말하게 하고 개별 학생들에게 문장에서 단어를 사용하도록 요청하여 연습을 시킵니다.

Kathy Stone은 학생들에게 동물 이름과 철자를 가르칩니다. 그녀는 각 동물의 사진과 인쇄된 이름을 디스플레이 보드에 동물에 대한 두세 가지 흥미로운 사실(예: 어디에 사는지, 무엇을 먹는지)과 함께 게시했습니다. 그녀는 아이들에게 동물의 이름을 여러 번 발음하고 소리내어 철자를 쓰고 단어를 사용하여 짧은 문장을 쓰도록 합니다. 이것은 발음하거나 철자를 쓰기 어려운 동물 이름(예: giraffe, hippopotamus)에 특히 유용합니다.

중간 학년 수학 교사는 학생들과 함께 자릿수를 공부하고 있습니다. 일부 학생들은 많은 어려움을 겪고 있으며 가장 작은 것부터 가장 큰 것 순서로 숫자를 올바르게 정렬할 수 없습니다(예: .007, 7/100, seventenths, 7). 교사는 3개의 큰 자석 숫자선을 가지고 있는데, 각 숫자선은 0에서 1까지이며 10분의 1, 100분의 1, 1000분의 1 단위로 나뉩니다. 그녀는 학생들에게 적절한 숫자선에 자석 막대를 놓도록 요청했습니다(예: 7/100의 경우 100분의 1 선의 7에 막대를 놓습니다). 그런 다음 그녀는 학생들을 소그룹으로 나누어 문제를 주고 숫자선이나 원형 차트를 사용하여 숫자가 어디에 떨어지는지 보여주어 올바르게 정렬할 수 있도록 요청했습니다. 다음으로 그녀는 모든 숫자를 공통 분모(예: 7/10 = 70/100)로 변환하고 동일한 보드(예: 1000분의 1)에 마커를 배치하여 올바른 순서를 볼 수 있도록 했습니다.

Jim Marshall의 수업 학생들은 미국 역사의 주요 역사 문서(예: 독립 선언서, 헌법, 권리 장전)에 대해 배웁니다. 여러 감각에 호소하기 위해 Jim은 이러한 문서의 복사본을 수업에 가져왔습니다. 그런 다음 그는 학생들이 문서에서 선택 사항을 읽는 역할극에 참여하도록 했습니다. 학생들은 이러한 구절을 특히 독특하게 만들기 위해 읽을 때 적절한 위치에 강조를 두는 방법을 배웠습니다.

Gina Brown의 교육 심리학 수업의 많은 학생들은 심리학 용어(예: 동화, 포만, 근접 발달 영역)를 이해하고 올바르게 사용하는 데 어려움을 겪고 있습니다. 가능한 경우 이러한 개념을 보여주는 영화를 얻습니다(예: Piagetian 작업이 수행되는 아동). 다른 경우에는 학생들이 읽고 응답하는 사례 연구가 있는 웹사이트를 사용한 다음 해당 개념이 어떻게 작용하는지 수업에서 논의합니다. 예를 들어 한 사례 연구에서 학생은 교사로부터 반복적으로 칭찬을 받습니다. 마침내 학생은 칭찬에 싫증이 나서 교사에게 자신이 너무 잘했다고 항상 말할 필요는 없다고 말합니다.