Розвиток мозку: нейронаука навчання та важливі фактори

До цього моменту цей урок зосереджувався на функціонуванні зрілої центральної нервової системи. Однак, багато педагогів працюють з дошкільниками, дітьми та підлітками. Тема розвитку мозку цікава не лише сама по собі, але й тому, що освітні наслідки для навчання та викладання різняться залежно від рівня розвитку мозку. У вступному сценарії Браян зазначає важливість розуміння розвитку мозку педагогами. У цьому розділі розглядаються впливові фактори розвитку, хід розвитку, критичні періоди розвитку та роль розвитку в оволодінні та використанні мови.

Хоча людський мозок структурно подібний, існують відмінності між окремими особами. П'ять впливів на розвиток мозку: генетика, стимуляція навколишнього середовища, харчування, стероїди та тератогени (Byrnes, 2001).

Генетика

Людський мозок відрізняється за розміром і складом від мозку інших тварин. Хоча різниця між геномом людини і геномом нашого найближчого тваринного родича (шимпанзе) становить лише 1,23% (Lemonick & Dorfman, 2006), ця різниця та інші генетичні варіації створюють вид, який може проектувати та будувати мости, складати музику, писати романи, вирішувати складні рівняння і так далі.

Людський мозок має подібну генетичну структуру, але, тим не менш, відрізняється за розміром і структурою. Дослідження монозиготних (однояйцевих) близнюків показують, що іноді у них розвивається мозок, який структурно відрізняється (Byrnes, 2001). Генетичні інструкції визначають розмір, структуру та нейронні зв'язки мозку. Здебільшого ці відмінності призводять до нормального функціонування мозку, але дослідження мозку продовжують визначати, як певні генетичні відмінності викликають аномалії.

Фактори, що впливають на розвиток мозку:

• Генетика
• Стимуляція навколишнього середовища
• Харчування
• Стероїди
• Тератогени

Стимуляція навколишнього середовища

Для розвитку мозку необхідна стимуляція з навколишнього середовища. Пренатальний розвиток готує основу для навчання, розвиваючи нейронні ланцюги, які можуть отримувати та обробляти стимули та досвід. Цей досвід надалі формує ланцюги, додаючи та реорганізовуючи синапси. Наприклад, вагітні жінки, які розмовляють і співають своїм дітям, можуть, через свою мову та спів, допомогти встановити нейронні зв'язки у дітей (Wolfe, 2001). Розвиток мозку відстає, коли досвід відсутній або мінімальний. Хоча існують певні критичні періоди, коли стимуляція може мати глибокий вплив (Jensen, 2005), дослідження показують, що стимуляція важлива протягом усього життя для забезпечення безперервного розвитку мозку.

Харчування

Відсутність повноцінного харчування може мати значний вплив на розвиток мозку, і конкретні наслідки залежать від того, коли відбувається погане харчування (Byrnes, 2001). Пренатальне недоїдання, наприклад, уповільнює виробництво та ріст нейронів і гліальних клітин. Критичний період - між 4-м і 7-м місяцями вагітності, коли виробляється більшість клітин мозку (Jensen, 2005). Пізніше недоїдання уповільнює швидкість росту клітин у розмірі та набуття мієлінової оболонки. Хоча останню проблему можна виправити за допомогою правильної дієти, першу - ні, оскільки розвинулося занадто мало клітин. Ось чому вагітним жінкам радять уникати наркотиків, алкоголю та тютюну; дотримуватися правильної дієти; і уникати стресу (стрес також викликає проблеми для розвитку плода).

Стероїди

Стероїди - це клас гормонів, які впливають на кілька функцій, включаючи статевий розвиток і реакції на стрес (Byrnes, 2001). Стероїди можуть впливати на розвиток мозку різними способами. Мозок має рецептори для гормонів. Такі гормони, як естроген і кортизол, будуть поглинатися і потенційно змінювати структуру мозку під час пренатального розвитку. Надмірні гормони стресу можуть викликати загибель нейронів. Дослідники також вивчали, чи виникають відмінності між статтю та сексуальною орієнтацією частково через відмінності в стероїдах. Хоча докази ролі стероїдів у розвитку мозку менш переконливі, ніж докази щодо харчування, стероїди мають потенціал впливати на мозок.

Тератогени

Тератогени - це сторонні речовини (наприклад, алкоголь, віруси), які можуть викликати аномалії у розвитку ембріона або плода (Byrnes, 2001). Речовина вважається тератогеном лише в тому випадку, якщо дослідження показують, що не нереально високий рівень може впливати на розвиток мозку. Наприклад, кофеїн у невеликих кількостях може не бути тератогеном, але він може стати ним, коли споживання вище. Тератогени можуть впливати на розвиток і взаємозв'язки нейронів і гліальних клітин. У крайніх випадках (наприклад, вірус краснухи) вони можуть викликати вроджені дефекти.

Під час пренатального розвитку мозок росте в розмірах і структурі, а також у кількості нейронів, гліальних клітин і нейронних зв'язків (синапсів). Пренатальний розвиток мозку є швидким, оскільки відбувається протягом дев'яти місяців, і більшість клітин утворюються між 4-м і 7-м місяцями (Jensen, 2005). Клітини рухаються вгору по нервовій трубці, мігрують до різних частин мозку та формують зв'язки. За оцінками, на піку свого розвитку ембріон генерує чверть мільйона клітин мозку за хвилину.

При народженні мозок має понад мільйон зв'язків, що становить близько 60% від пікової кількості синапсів, які розвинуться протягом життя (Jensen, 2005). З огляду на ці цифри, не дивно, що пренатальний розвиток настільки важливий. Зміни, які відбуваються тоді, можуть мати далекосяжні та постійні наслідки.

Розвиток мозку також відбувається швидко у немовлят. До 2 років у дитини буде стільки ж синапсів, скільки у дорослого, а до 3 років у дитини буде на мільярди більше, ніж у дорослого. Мозок маленьких дітей щільний, має багато складних нейронних зв'язків і більше, ніж будь-коли в житті (Trawick-Smith, 2003).

Фактично, у маленьких дітей занадто багато синапсів. Близько 60% енергії немовлят використовується їхнім мозком; для порівняння, мозку дорослої людини потрібно лише 20–25% (Brunton, 2007). З розвитком діти та підлітки втрачають значно більше мозкових синапсів, ніж набувають. До 18 років підлітки втрачають близько половини своїх дитячих синапсів. Мозкові зв'язки, які не використовуються або не потрібні, просто зникають. Ця стратегія «використовуй або втрачай» є бажаною, оскільки зв'язки, які використовуються, будуть посилені та консолідовані, тоді як ті, що не використовуються, будуть назавжди втрачені.

До 5 років мозок дитини засвоює мову, розвиває сенсорно-моторні навички та інші компетенції. Швидкі зміни перших років сповільнилися, але мозок продовжує додавати синапси. Нейронні мережі стають більш складними у своїх зв'язках. Цей процес триває протягом усього розвитку.

Як зазначив Браян у вступній віньєтці, значні зміни відбуваються в підлітковому віці, коли мозок зазнає структурних змін (Jensen, 2005). Лобні частки, які відповідають за абстрактне мислення та розв'язання задач, дозрівають, а тім'яні частки збільшуються в розмірах. Префронтальна кора, яка контролює судження та імпульси, дозріває повільно (Shute, 2009). Також відбуваються зміни в нейромедіаторах — особливо дофаміні — які можуть зробити мозок більш чутливим до приємних ефектів наркотиків і алкоголю. Відбувається потовщення клітин мозку та масова реорганізація синапсів, що робить цей час ключовим для навчання. Стратегія «використовуй або втрачай» призводить до того, що ділянки мозку стають сильнішими завдяки практиці (наприклад, практика гри на піаніно потовщує нейрони в ділянці мозку, що контролює пальці) (Wallis, 2004).

Враховуючи ці широкі зміни в їхньому мозку, не дивно, що підлітки часто приймають погані рішення та вдаються до ризикованої поведінки, пов'язаної з наркотиками, алкоголем і сексом. Стратегії навчання повинні враховувати ці зміни.

Багато книг про виховання дітей наголошують на тому, що перші два роки життя являють собою критичний період, і якщо певний досвід не буде отримано, розвиток дитини постраждає назавжди. У цьому твердженні є певна доля правди, хоча воно й перебільшене. П'ять аспектів розвитку мозку, для яких, здається, існують критичні періоди, — це мова, емоції, сенсорно-моторний розвиток, слуховий розвиток і зір. Мова та емоції обговорюються в інших розділах цієї глави; решта три розглянуті далі.

Сенсорно-моторний розвиток

Системи, пов'язані із зором, слухом і руховими рухами, активно розвиваються через досвід протягом перших двох років життя. Вестибулярна система у внутрішньому вусі впливає на відчуття руху та рівноваги та впливає на інші сенсорні системи. Існують докази того, що недостатня вестибулярна стимуляція у немовлят і малюків може призвести до проблем з навчанням у подальшому житті (Jensen, 2005).

Аспекти розвитку мозку, що мають критичні періоди.

• Сенсорно-моторний
• Слуховий
• Зоровий
• Емоційний
• Мовний

Занадто часто, однак, немовлята та малюки не перебувають у стимулюючому середовищі, особливо ті діти, які проводять багато часу в дитячих садках, де надають здебільшого догляд. Багато дітей також не отримують достатньої стимуляції поза цими закладами, оскільки вони проводять занадто багато часу в автомобільних кріслах, ходунках або перед телевізором. Дозволяючи малюкам рухатися і навіть заколисуючи їх, ми забезпечуємо стимуляцію. Близько 60% немовлят і малюків проводять в середньому від однієї до двох годин на день, дивлячись телевізор або відео (Courage & Setliff, 2009). Хоча маленькі діти можуть вчитися за допомогою цих медіа, їм це нелегко. Розуміння та навчання дітей покращуються, коли батьки дивляться разом з ними та надають описи та пояснення (Courage & Setliff, 2009).

Слуховий розвиток

Перші два роки життя дитини є критичними для слухового розвитку. До 6 місяців немовлята можуть розрізняти більшість звуків у своєму середовищі (Jensen, 2005). У перші два роки слухові системи дітей дозрівають з точки зору діапазону звуків, які вони чують, і здатності розрізняти звуки. Проблеми у слуховому розвитку можуть призвести до проблем у вивченні мови, оскільки значна частина засвоєння мови залежить від того, чи чують діти мову інших у своєму середовищі.

Зір

Зір розвивається в основному протягом першого року життя, особливо після четвертого місяця. Синаптична щільність у зоровій системі різко зростає, включаючи нервові зв'язки, що регулюють сприйняття кольору, глибини, руху та відтінку. Правильний зоровий розвиток вимагає візуально насиченого середовища, де немовлята можуть досліджувати об'єкти та рухи. Телевізор і фільми є поганою заміною. Хоча вони забезпечують колір і рух, вони є двовимірними, а мозку, що розвивається, потрібна глибина. Дії, показані по телевізору та у фільмах, часто відбуваються занадто швидко, щоб немовлята могли належним чином зосередитися (Jensen, 2005).

Коротше кажучи, перші два роки життя є критичними для правильного розвитку сенсорно-моторної, зорової та слухової систем, і розвитку цих систем сприяє перебування немовлят у насиченому середовищі, яке дозволяє їм відчувати рухи, звуки та бачити. У той же час розвиток мозку є процесом, що триває все життя; мозку потрібна стимуляція і після 2 років. Мозок постійно додає, видаляє та реорганізовує синаптичні зв'язки та змінюється структурно. Хоча дослідники показали, що певні аспекти розвитку мозку відбуваються швидше в певний час, люди будь-якого віку отримують користь від стимулюючого середовища.

Раніше ми розглянули, як певні функції, пов'язані з мовою, працюють у мозку. Хоча дослідники вивчали мозкові процеси з різним типом контенту, що включає різні розумові здібності, було проведено велику кількість досліджень щодо засвоєння та використання мови. Це ключовий аспект когнітивного розвитку, який має глибокі наслідки для навчання.

Як зазначалося раніше, значна частина досліджень мозку щодо мови проводилася на людях, які отримали травми мозку та відчули певний ступінь втрати мови. Такі дослідження інформативні щодо того, які функції уражаються внаслідок травми певних ділянок мозку, але ці дослідницькі дослідження не стосуються засвоєння та використання мови в мозку дітей, що розвивається.

Дослідження мозку дітей, що розвиваються, хоч і менш поширені, запропонували важливі відомості про розвиток мовних функцій. Часто дослідження порівнювали дітей з нормальним розвитком з тими, хто має труднощі з навчанням у школі. Замість хірургічних методів, які часто використовуються на пацієнтах з травмами мозку або померлих, у цих дослідженнях застосовуються менш інвазивні методи, такі як ті, що були описані раніше в цьому розділі. Дослідники часто вимірюють викликані потенціали (або пов'язані з подіями потенціали), які є змінами в мозкових хвилях, що виникають, коли люди передбачають або беруть участь у різних завданнях (Halliday, 1998).

Відмінності у викликаних потенціалах надійно розрізняють дітей з рівнем нижчим за середній, середнім та вищим за середній (Molfese et al., 2006). У дітей з нормальним розвитком спостерігається велика двобічна та передня (лобова) кортикальна активація та акцентована лівостороння активація в мовних та мовленнєвих областях. На відміну від підтримки навичок читання, здається, що розвиток навичок читання також залежить від передньої активації, можливо, з обох боків мозку (Vellutino & Denckla, 1996). Інші дослідження показують, що у дітей, що розвиваються, які відчувають лівосторонню дисфункцію, очевидно, певною мірою компенсується, навчаючись читати, використовуючи праву півкулю. Права півкуля може бути в змозі підтримувати та підтримувати адекватний рівень читання, але здається критичним, щоб цей перехід відбувся до розвитку мовної компетенції. Таке перебирання на себе мовних функцій правою півкулею може не відбуватися серед осіб, які отримали пошкодження лівої півкулі в дорослому віці. Критичний період у розвитку мови, здається, припадає на період від народження до 5 років. У цей час мозок дітей розвиває більшість своїх мовних здібностей. Спостерігається швидке збільшення словникового запасу у віці від 19 до 31 місяця (Jensen, 2005). Розвиток цих мовних здібностей посилюється, коли діти перебувають у збагаченому мовному середовищі, де батьки та інші розмовляють з дітьми. Цей критичний період для розвитку мови збігається з критичним періодом розвитку слуху між народженням та віком 2 років.

На додаток до цього критичного періоду, розвиток мовлення, здається, також є частиною природного процесу з розкладом. Ми бачили, як слухова та зорова системи розвивають можливості для забезпечення вхідних даних для розвитку мови. Паралельний процес може відбуватися в розвитку мови для здатності сприймати фонеми, які є найменшими одиницями мовних звуків (наприклад, звуки “b” та “p” у словах “bet” та “pet”). Діти вивчають або засвоюють фонеми, коли вони піддаються їх впливу у своєму середовищі; якщо фонеми відсутні в їхньому середовищі, тоді діти не засвоюють їх. Таким чином, може бути критичний період, в якому синаптичні зв'язки належним чином формуються, але лише якщо середовище забезпечує вхідні дані. Коротше кажучи, мозок дітей може бути “готовий” (“запрограмований”) вивчати різні аспекти мови в різний час відповідно до їхніх рівнів розвитку мозку (Національна дослідницька рада, 2000).

Важливо для освіти, що навчання може допомогти полегшити розвиток мови. Різні ділянки мозку повинні працювати разом, щоб вивчити мову, наприклад, ділянки, залучені до зору, слуху, мовлення та мислення (Byrnes, 2001; Національна дослідницька рада, 2000). Засвоєння та використання мови є скоординованою діяльністю. Люди слухають мову та читають текст, думають про те, що було сказано або що вони прочитали, і складають речення, щоб писати чи говорити. Ця скоординована діяльність передбачає, що розвиток мови повинен вигравати від навчання, яке координує ці функції, тобто досвіду, який вимагає зору, слуху, мовлення та мислення.

Підсумовуючи, різні ділянки мозку беруть участь у розвитку мови у дітей з нормальним розвитком, хоча внесок лівої півкулі зазвичай є більш значним, ніж правої. З часом мовні функції значною мірою підпорядковуються лівій півкулі. Зокрема, навички читання, здається, вимагають контролю з боку лівої півкулі. Але потрібно більше досліджень, перш ніж ми повністю зрозуміємо взаємозв'язки між функціями мозку та розвитком мови та навичок читання.

Як і інші аспекти розвитку мозку, засвоєння мови відображає взаємодію між спадковістю та навколишнім середовищем. Культурний досвід немовлят і дітей значною мірою визначатиме, які мозкові синапси вони збережуть. Якщо культура підкреслює рухові функції, тоді їх слід зміцнювати; тоді як якщо культура підкреслює когнітивні процеси, тоді вони будуть зростати. Якщо маленькі діти піддаються впливу збагаченого лінгвістичного середовища, яке підкреслює усну та писемну мову, тоді їхнє засвоєння мови розвиватиметься швидше, ніж мовні здібності дітей у збідненому середовищі.

Наслідком для сприяння ранньому розвитку мозку є забезпечення багатого досвіду для немовлят і маленьких дітей, наголошуючи на перцептивних, рухових і мовних функціях. Це особливо важливо в перші роки життя. Цей досвід повинен покращити формування синаптичних зв'язків і мереж. Існують також докази того, що діти, які страждали в утробі матері (наприклад, від зловживання наркотиками чи алкоголем матерями), а також ті, хто має вади розвитку (наприклад, розумова відсталість, аутизм), отримують користь від раннього втручання в перші три роки (Shore, 1997).

Сприяння розвитку мовлення

Хоча період від народження до 5 років є критичним періодом для розвитку мовлення, засвоєння та використання мови є діяльністю протягом усього життя. Вчителі можуть працювати зі студентами будь-якого віку, щоб допомогти розвинути їхні мовні навички. Важливо, щоб навчання координувало складові мовні функції зору, слуху, мислення та мовлення.

Вихователька дитячого садка регулярно працює зі своїми вихованцями над вивченням фонем. Щоб допомогти розвинути розпізнавання фонем у словах “__at” (наприклад, mat, hat, pat, cat, sat), вона друкує кожне з цих слів на великому аркуші картону. Фонема надрукована червоним кольором, а “at” з'являється чорним кольором. Вона дає учням практику, піднімаючи картку, просячи їх сказати слово, а потім просячи окремих учнів використати слово в реченні.

Кеті Стоун навчає своїх учнів назвам тварин і правопису. У неї є зображення кожної тварини та її надрукована назва на дошці, а також два-три цікаві факти про тварину (наприклад, де вона живе, що вона їсть). Вона просить дітей кілька разів вимовити назву тварини та вимовити її по буквах вголос, а потім написати коротке речення, використовуючи слово. Це особливо корисно для назв тварин, які важко вимовляти або писати (наприклад, жираф, гіпопотам).

Вчителька математики середньої школи працює зі своїми учнями над розрядом числа. Деякі учні мають багато труднощів і не можуть правильно впорядкувати числа від найменшого до найбільшого (наприклад, 0,007, 7/100, сім десятих, 7). У вчительки є три великі магнітні числові лінії, кожна з яких коливається від 0 до 1 і розбита на одиниці десятих, сотих і тисячних. Вона попросила учнів поставити магнітну планку на відповідну числову лінію (наприклад, поставити планку на 7 сотих лінії для 7/100). Потім вона розділила учнів на невеликі групи, дала їм завдання і попросила їх використовувати числові лінії або кругові діаграми, щоб показати, де падають числа, щоб вони могли правильно їх впорядкувати. Далі вона попрацювала з ними, щоб перетворити всі числа до спільного знаменника (наприклад, 7/10 = 70/100) і розмістити маркери на одній дошці (наприклад, тисячні), щоб вони могли бачити правильний порядок.

Учні в класі Джима Маршалла дізнаються про ключові історичні документи в історії США (наприклад, Декларація незалежності, Конституція, Білль про права). Щоб звернутися до кількох почуттів, Джим приніс факсимільні копії цих документів до класу. Потім він залучив учнів до рольових ігор, де вони читали уривки з документів. Учнів навчали, як робити наголос у відповідних місцях під час читання, щоб зробити ці уривки особливо виразними.

Багато студентів у класі педагогічної психології Джини Браун мають труднощі з розумінням і правильним використанням психологічних термінів (наприклад, асиміляція, насичення, зона найближчого розвитку). Де це можливо, вона отримує фільми, які демонструють ці концепції (наприклад, дитині дають завдання Піаже). Для інших вона використовує веб-сайти з тематичними дослідженнями, які учні читають і відповідають, після чого вони обговорюють у класі, як ця концепція вступає в гру. Наприклад, в одному тематичному дослідженні вчитель постійно хвалить учня. Нарешті учень насичується похвалою і каже вчителю, що їй не завжди потрібно говорити йому, що він так добре впорався.