Neuronová Organizace a Struktury (Neurověda učení): Průvodce

Centrální nervový systém (CNS) se skládá z mozku a míchy a představuje centrální mechanismus těla pro kontrolu volního chování (např. myšlení, jednání). Autonomní nervový systém (ANS) reguluje mimovolní aktivity, jako jsou trávení, dýchání a krevní oběh. Tyto systémy nejsou zcela nezávislé. Lidé se mohou například naučit kontrolovat svůj srdeční tep, což znamená, že dobrovolně kontrolují mimovolní aktivitu.

Mícha je dlouhá asi 45 cm a široká jako ukazováček. Vede od spodiny mozku dolů středem zad. Je to v podstatě prodloužení mozku. Její primární funkcí je přenášet signály do a z mozku, čímž se stává centrálním poslem mezi mozkem a zbytkem těla. Její vzestupná dráha přenáší signály z různých částí těla do mozku a její sestupná dráha přenáší zprávy z mozku do příslušné tělesné struktury (např. k vyvolání pohybu). Mícha se také podílí na některých reakcích nezávisle na mozku (např. kolenní reflex). Poškození míchy, například při nehodě, může vést k symptomům od necitlivosti až po úplnou paralýzu (Jensen, 2005; Wolfe, 2001).

CNS se skládá z miliard buněk v mozku a míše. Existují dva hlavní typy buněk: neurony a gliové buňky. Níže je uvedeno znázornění neuronální organizace:

Neurony

Mozek a mícha obsahují přibližně 100 miliard neuronů, které odesílají a přijímají informace mezi svaly a orgány (Wolfe, 2001). Většina neuronů v těle se nachází v CNS. Neurony se liší od ostatních tělesných buněk (např. kůže, krev) ve dvou důležitých ohledech. Za prvé, většina tělesných buněk se pravidelně regeneruje. Tato neustálá obnova je žádoucí; například, když se řízneme, nové buňky se regenerují, aby nahradily ty, které byly poškozeny. Neurony se však neregenerují stejným způsobem. Mozkové a míšní buňky zničené mrtvicí, nemocí nebo nehodou mohou být trvale ztraceny. Nicméně, na druhou stranu, existují důkazy, že neurony mohou vykazovat určitou regeneraci (Kempermann & Gage, 1999), ačkoli rozsah, v jakém k tomu dochází, a proces, kterým k tomu dochází, nejsou dobře pochopeny.

Neurony se také liší od ostatních tělesných buněk, protože spolu komunikují—pomocí elektrických signálů a chemických reakcí. Jsou tedy organizovány odlišně než ostatní tělesné buňky. Tato organizace je popsána dále v této části.

Gliové buňky

Druhým typem buněk v CNS jsou gliové buňky. Gliových buněk je mnohem více než neuronů. Lze o nich uvažovat jako o podpůrných buňkách, protože podporují práci neuronů. Nepřenášejí signály jako neurony, ale v tomto procesu asistují.

Gliové buňky vykonávají mnoho funkcí. Klíčová je zajistit, aby neurony fungovaly v dobrém prostředí. Gliové buňky pomáhají odstraňovat chemikálie, které mohou narušovat funkci neuronů. Gliové buňky také odstraňují odumřelé mozkové buňky. Další důležitou funkcí je, že gliové buňky ukládají myelin, obal podobný pochvě kolem axonů, který pomáhá přenášet mozkové signály (popsáno v následující části). Zdá se, že gliové buňky také hrají klíčové funkce ve vývoji fetálního mozku (Wolfe, 2001). Gliové buňky tedy pracují v součinnosti s neurony, aby zajistily efektivní fungování CNS.

Synapse

Každý neuron se skládá z těla buňky, tisíců krátkých dendritů a jednoho axonu. Dendrit je podlouhlá tkáň, která přijímá informace od jiných buněk. Axon je dlouhé vlákno tkáně, které posílá zprávy do jiných buněk. Myelinová pochva obklopuje axon a usnadňuje cestování signálů.

Každý axon končí větvící se strukturou. Konce těchto větvících se struktur se spojují s konci dendritů. Toto spojení je známé jako synapse. Propojená struktura je klíčem k tomu, jak neurony komunikují, protože zprávy jsou předávány mezi neurony na synapsích.

Proces, kterým neurony komunikují, je složitý. Na konci každého axonu jsou chemické neurotransmitery. Ty se nedotýkají dendritů jiné buňky. Mezera se nazývá synaptická štěrbina. Když elektrické a chemické signály dosáhnou dostatečně vysoké úrovně, neurotransmitery se uvolní do štěrbiny. Neurotransmitery buď aktivují, nebo inhibují reakci v kontaktovaném dendritu. Proces tedy začíná jako elektrická reakce v neuronu a axonu, mění se na chemickou reakci ve štěrbině a poté se znovu přemění na elektrickou odezvu v dendritu. Tento proces pokračuje od neuronu k neuronu rychlostí blesku. Jak je popsáno dále v této kapitole, role neurotransmiterů v synaptické štěrbině je kritická pro učení. Z neurovědního hlediska je učení změna ve vnímavosti buněk, která je způsobena neuronálními spoji, které se tvoří, posilují a propojují s ostatními používáním (Jensen, 2005; Wolfe, 2001).

Lidský dospělý mozek (cerebrum) váží přibližně tři libry a má velikost zhruba jako kantalup nebo velký grapefruit (Tolson, 2006; Wolfe, 2001). Jeho vnější textura má řadu záhybů a vypadá vrásčitě, připomíná květák. Jeho složení je převážně voda (78 %), zbytek tvoří tuk a bílkoviny. Jeho textura je obecně měkká. Hlavní mozkové struktury zapojené do učení jsou uvedeny na obrázku 2.2 (Byrnes, 2001; Jensen, 2005; Wolfe, 2001) a popsány níže.

Mozková kůra

Mozek pokrývá mozková kůra, což je tenká vrstva o tloušťce pomerančové kůry (méně než 1/4 palce). Mozková kůra je vrásčitá “šedá hmota” mozku. Vrásky umožňují mozkové kůře mít větší povrch, což umožňuje více neuronů a nervových spojení. Mozková kůra má dvě hemisféry (pravou a levou), z nichž každá má čtyři laloky (týlní, temenní, spánkový a čelní). Kůra je centrální oblast zapojená do učení, paměti a zpracování smyslových informací.

Mozkový kmen a retikulární formace

Na bázi mozku se nachází mozkový kmen. Mozkový kmen řídí funkce ANS (mimovolní) prostřednictvím své retikulární formace, což je síť neuronů a vláken, která reguluje kontrolu základních tělesných funkcí, jako je dýchání, srdeční frekvence, krevní tlak, pohyb oční bulvy, slinění a chuť. Retikulární formace se také podílí na úrovních bdělosti (např. spánek, bdění). Například, když vstoupíte do tiché, tmavé místnosti, retikulární formace sníží aktivaci mozku a umožní vám spát. Retikulární formace také pomáhá kontrolovat smyslové vstupy. I když jsme neustále bombardováni mnoha podněty, retikulární formace nám umožňuje soustředit se na relevantní podněty. To je klíčové pro pozornost a vnímání (kapitola 5), které jsou klíčovými složkami systému zpracování informací u člověka. A konečně, retikulární formace produkuje mnoho chemických poslů pro mozek.

Mozeček

Mozeček v zadní části mozku reguluje rovnováhu těla, svalovou kontrolu, pohyb a držení těla. I když jsou tyto činnosti z velké části pod vědomou kontrolou (a tedy v doméně kůry), kůra nemá veškeré vybavení, které potřebuje k jejich regulaci. Spolupracuje s mozečkem na koordinaci pohybů. Mozeček je klíčem k získávání motorických dovedností. S praxí se mnoho motorických dovedností stává automatickými (např. hra na klavír, řízení auta). Tato automatizace nastává proto, že mozeček přebírá velkou část kontroly, což umožňuje kůře soustředit se na činnosti vyžadující vědomí (např. myšlení, řešení problémů).

Thalamus a hypotalamus

Nad mozkovým kmenem se nacházejí dvě struktury o velikosti vlašského ořechu: thalamus a hypotalamus. Thalamus funguje jako most tím, že posílá vstupy ze smyslových orgánů (kromě čichu) do kůry. Hypotalamus je součástí ANS. Řídí tělesné funkce potřebné k udržení homeostázy, jako je tělesná teplota, spánek, voda a potrava. Hypotalamus je také zodpovědný za zvýšenou srdeční frekvenci a dýchání, když se vystrašíme nebo jsme ve stresu.

Amygdala

Amygdala se podílí na kontrole emocí a agrese. Příchozí smyslové vstupy (kromě čichu, který putuje přímo do kůry) jdou do thalamu, který následně předává informace do příslušné oblasti kůry a do amygdaly. Funkcí amygdaly je posoudit škodlivost smyslových vstupů. Pokud rozpozná potenciálně škodlivý podnět, signalizuje hypotalamu, který vytváří výše uvedené emoční změny (např. zvýšená srdeční frekvence a krevní tlak).

Hipokampus

Hipokampus je mozková struktura zodpovědná za paměť bezprostřední minulosti. Jak dlouho trvá bezprostřední minulost? Jak uvidíme v kapitole 5, neexistuje žádné objektivní kritérium pro to, co představuje bezprostřední a dlouhodobou (trvalou) paměť. Zdá se, že hipokampus pomáhá zakotvit informace do dlouhodobé paměti (která sídlí v kůře), ale zachovává si svou roli v aktivaci těchto informací podle potřeby. Hipokampus se tedy může podílet na aktuálně aktivní (pracovní) paměti. Jakmile jsou informace plně zakódovány v dlouhodobé paměti, hipokampus se může své role vzdát.

Corpus callosum

Podél mozku (cerebra) zepředu dozadu probíhá pás vláken známý jako corpus callosum. Rozděluje cerebrum na dvě poloviny neboli hemisféry a spojuje je pro nervové zpracování. To je zásadní, protože mnoho mentálních procesů probíhá na více než jednom místě v mozku a často zahrnuje obě hemisféry.

Týlní lalok

Týlní laloky cerebrum se primárně zabývají zpracováním vizuálních informací. Týlní lalok je také známý jako vizuální kůra. Připomeňme si, že vizuální podněty jsou nejprve přijímány thalamem, který pak posílá tyto signály do týlních laloků. Děje se zde mnoho funkcí, které zahrnují určování pohybu, barvy, hloubky, vzdálenosti a dalších vizuálních prvků. Jakmile k těmto určením dojde, jsou vizuální podněty porovnány s tím, co je uloženo v paměti, aby se určilo rozpoznání (vnímání). Objekt, který odpovídá uloženému vzoru, je tedy rozpoznán. Pokud neexistuje shoda, pak je nový podnět zakódován do paměti. Vizuální kůra musí komunikovat s jinými mozkovými systémy, aby se zjistilo, zda vizuální podnět odpovídá uloženému vzoru (Gazzaniga, Ivry, & Mangun, 1998). Důležitost vizuálního zpracování při učení je zdůrazněna v úvodní vinětě od Joea.

Lidé mohou snadno ovládat své vizuální vnímání tím, že se nutí věnovat pozornost určitým prvkům prostředí a ignorovat jiné. Například, pokud hledáme přítele v davu, můžeme ignorovat tisíce vizuálních podnětů a soustředit se pouze na ty podněty (např. rysy obličeje), které nám pomohou zjistit, zda je náš přítel přítomen. Učitelé používají tuto myšlenku tím, že žádají studenty, aby věnovali pozornost vizuálním zobrazením, a informují je o cílech lekce na začátku lekce.

Temenní lalok

Temenní laloky v horní části mozku v cerebrum jsou zodpovědné za hmat a pomáhají určovat polohu těla a integrovat vizuální informace. Temenní laloky mají přední (přední) a zadní (zadní) části. Přední část přijímá informace z těla ohledně dotyku, teploty, polohy těla a pocitů bolesti a tlaku (Wolfe, 2001). Každá část těla má určité oblasti v přední části, které přijímají její informace a zajišťují přesnou identifikaci.

Zadní část integruje hmatové informace, aby poskytla prostorové povědomí o těle, neboli vědomí toho, kde se části vašeho těla nacházejí neustále. Temenní laloky mohou také zvýšit nebo snížit pozornost věnovanou různým částem těla. Například bolest v noze bude přijata a identifikována temenním lalokem, ale pokud se díváte na zábavný film a věnujete mu pozornost, můžete na bolest v noze “zapomenout”.

Spánkový lalok

Spánkové laloky, které se nacházejí na straně cerebrum, jsou zodpovědné za zpracování sluchových informací. Když je přijat sluchový vstup—například hlas nebo jiný zvuk—tyto informace jsou zpracovány a přeneseny do sluchové paměti, aby se určilo rozpoznání. Toto rozpoznání pak může vést k akci. Například, když učitel řekne studentům, aby si uklidili knihy a seřadili se u dveří, tyto sluchové informace jsou zpracovány a rozpoznány a poté vedou k příslušné akci.

Tam, kde se v levé hemisféře kůry protínají týlní, temenní a spánkové laloky, se nachází Wernickeho oblast, která nám umožňuje porozumět řeči a používat správnou syntax při mluvení. Tato oblast úzce spolupracuje s jinou oblastí v čelním laloku levé hemisféry známou jako Brocova oblast, která je nezbytná pro mluvení. I když se tyto klíčové oblasti zpracování jazyka nacházejí v levé hemisféře (ale Brocova oblast je u některých lidí v pravé hemisféře, jak je vysvětleno později), mnoho částí mozku spolupracuje na porozumění a produkci jazyka. Jazyk je podrobněji popsán dále v této kapitole.

Čelní lalok

Jak název napovídá, čelní laloky leží v přední části cerebrum. Čelní laloky tvoří největší část kůry. Jejich hlavní funkcí je zpracování informací týkajících se paměti, plánování, rozhodování, stanovování cílů a kreativity. Čelní laloky také obsahují primární motorickou kůru, která reguluje svalové pohyby.

Dalo by se tvrdit, že čelní laloky v mozku nás nejjasněji odlišují od nižších zvířat a dokonce i od našich předků z minulých generací. Čelní laloky se vyvinuly tak, aby přebíraly stále složitější funkce. Umožňují nám plánovat a činit vědomá rozhodnutí, řešit problémy a konverzovat s ostatními. Dále nám tyto laloky poskytují vědomí našich mentálních procesů, formu metakognice.

Od horní části mozku dolů směrem k uším probíhá pruh buněk známý jako primární motorická kůra. Tato oblast je oblast, která řídí pohyby těla. Takže, pokud si při tanci “Hokey Pokey” pomyslíte “vložte pravou nohu dovnitř”, je to motorická kůra, která vás navede, abyste vložili pravou nohu dovnitř. Každá část těla je mapována na určité místo v motorické kůře, takže signál z určité části kůry vede ke správnému pohybu.

Před motorickou kůrou se nachází Brocova oblast, která je místem, které řídí produkci řeči. Tato oblast se nachází v levé hemisféře u asi 95 % lidí; u zbývajících 5 % (30 % leváků) je tato oblast v pravé hemisféře (Wolfe, 2001). Není překvapením, že tato oblast je nervovými vlákny spojena s Wernickeho oblastí v levém spánkovém laloku. Řeč se tvoří ve Wernickeho oblasti a poté se přenáší do Brocovy oblasti, aby byla produkována (Wolfe, 2001).

Přední část čelního laloku, neboli prefrontální kůra, je u lidí poměrně větší než u jiných zvířat. Zde probíhají nejvyšší formy mentální aktivity (Ackerman, 1992). Kapitola 5 pojednává o tom, jak se v mozku vytvářejí asociace kognitivního zpracování informací. Prefrontální kůra je klíčovou oblastí pro tyto asociace, protože informace přijímané ze smyslů jsou spojeny s informacemi uloženými v paměti. Stručně řečeno, zdá se, že sídlo učení je v prefrontální kůře. Je také regulátorem vědomí, který nám umožňuje uvědomovat si, co si myslíme, cítíme a děláme. Jak bude vysvětleno později, prefrontální kůra se zdá být zapojena do regulace emocí.

Tabulka 'Klíčové funkce oblastí mozku.' shrnuje klíčové funkce každé z hlavních oblastí mozku (Byrnes, 2001; Jensen, 2005; Wolfe, 2001). Při prohlížení této tabulky mějte na paměti, že žádná část mozku nepracuje nezávisle. Spíše se informace (ve formě nervových impulsů) rychle přenášejí mezi oblastmi mozku. I když je mnoho mozkových funkcí lokalizováno, na i jednoduchých úkolech se podílejí různé části mozku. Proto nemá smysl označovat jakoukoli mozkovou funkci za sídlící pouze v jedné oblasti, jak je uvedeno v úvodní vinětě od Emmy.

O fungování mozku víme dnes mnohem více než kdy dříve, ale mozek je studován již mnoho let. Funkce levé a pravé hemisféry jsou předmětem neustálých debat. Wolfe (2001) poznamenal, že kolem roku 400 př. n. l. Hippokrates hovořil o dualitě mozku. Cowey (1998) uvedl, že v roce 1870 výzkumníci elektricky stimulovali různé části mozků zvířat a vojáků s poraněními hlavy. Zjistili, že stimulace určitých částí mozku způsobovala pohyby v různých částech těla. Myšlenka, že mozek má dominantní hemisféru, byla navržena již v roce 1874 (Binney & Janson, 1990).

Je známo již mnoho let, že obecně levá hemisféra řídí pravé zorné pole a stranu těla a pravá hemisféra reguluje levé zorné pole a stranu těla. Nicméně, obě hemisféry jsou spojeny svazky vláken, z nichž největší je corpus callosum (mozkový trámec). Gazzaniga, Bogen a Sperry (1962) prokázali, že jazyk je z velké části řízen levou hemisférou. Tito výzkumníci zjistili, že když byl corpus callosum přerušen, pacienti, kteří drželi objekt mimo dohled v levé ruce, tvrdili, že nic nedrží. Zdá se, že bez vizuálního stimulu a protože levá ruka komunikuje s pravou hemisférou, když tato hemisféra přijala vstup, nemohla vytvořit jméno (protože jazyk je lokalizován v levé hemisféře) a s přerušeným corpus callosum nemohla být informace přenesena do levé hemisféry.

Výzkum mozku také identifikoval další lokalizované funkce. Analytické myšlení se zdá být soustředěno v levé hemisféře, zatímco prostorové, sluchové, emocionální a umělecké zpracování probíhá v pravé hemisféře (ale pravá hemisféra zjevně zpracovává negativní emoce a levá hemisféra zpracovává pozitivní emoce; Ornstein, 1997). Hudba je lépe zpracovávána v pravé hemisféře; směrovost v pravé hemisféře; a rozpoznávání obličejů v levé hemisféře.

Pravá hemisféra také hraje klíčovou roli při interpretaci kontextů (Wolfe, 2001). Předpokládejme například, že někdo slyší zprávu a řekne: “To je skvělé!” To by mohlo znamenat, že si osoba myslí, že zpráva je úžasná nebo hrozná. Kontext určuje správný význam (např. zda je mluvčí upřímný nebo sarkastický). Kontext lze získat z intonace, výrazů obličeje a gest lidí a znalosti dalších prvků v situaci. Zdá se, že pravá hemisféra je primárním místem pro sestavování kontextových informací, aby bylo možné provést správnou interpretaci.

Protože jsou funkce lokalizovány v mozkových oblastech, bylo lákavé postulovat, že lidé, kteří jsou vysoce verbální, jsou ovládáni svou levou hemisférou (levá mozková hemisféra), zatímco ti, kteří jsou více umělecky a emocionálně založení, jsou řízeni svou pravou hemisférou (pravá mozková hemisféra). To je ale zjednodušující a zavádějící závěr, jak si nyní uvědomují pedagogové v úvodním scénáři. Ačkoli mají hemisféry lokalizované funkce, jsou také propojeny a dochází mezi nimi k velkému přenosu informací (nervových impulsů). Velmi málo mentálních procesů pravděpodobně probíhá pouze v jedné hemisféře (Ornstein, 1997). Dále se můžeme zeptat, která hemisféra řídí jedince, kteří jsou vysoce verbální i emocionální (např. vášniví řečníci).

Hemisféry pracují v součinnosti; informace jsou k dispozici oběma z nich po celou dobu. Řeč nabízí dobrý příklad. Pokud vedete rozhovor s přítelem, je to vaše levá hemisféra, která vám umožňuje produkovat řeč, ale vaše pravá hemisféra, která poskytuje kontext a pomáhá vám pochopit význam.

Mezi kognitivními neurovědci existuje velká debata o rozsahu lateralizace. Někteří tvrdí, že specifické kognitivní funkce jsou lokalizovány ve specifických oblastech mozku, zatímco jiní věří, že různé oblasti mají schopnost provádět různé úkoly (Byrnes & Fox, 1998). Tato debata odráží debatu v kognitivní psychologii mezi tradičním názorem, že znalosti jsou lokálně kódovány, a paralelním distribuovaným zpracováním (viz kapitola 5), že znalosti nejsou kódovány na jednom místě, ale spíše napříč mnoha paměťovými sítěmi (Bowers, 2009).

Existují výzkumné důkazy na podporu obou pozic. Různé části mozku mají různé funkce, ale funkce jsou zřídka, pokud vůbec někdy, zcela lokalizovány v jedné části mozku. To platí zejména pro složité mentální operace, které závisí na několika základních mentálních operacích, jejichž funkce mohou být rozloženy v několika oblastech. Jak tvrdili Byrnes a Fox (1998), “Sotva jakýkoli úkol vyžaduje účast obou hemisfér, ale zdá se, že hemisféry zpracovávají určité typy informací efektivněji než jiné” (str. 310). Z hlediska vzdělávání tedy praxe výuky pro různé strany mozku (pravá, levá hemisféra) není podpořena empirickým výzkumem.

Jedním z důvodů, proč dnes víme o fungování CNS mnohem více než kdy dříve, je to, že se u lidí z různých oborů sbíhá zájem o výzkum mozku. Historicky byl výzkum mozku prováděn především výzkumníky v medicíně, biologických vědách a psychologii. V průběhu let projevovali lidé z jiných oborů o výzkum mozku větší zájem, protože věřili, že zjištění výzkumu budou mít dopad na vývoj v jejich oborech. Dnes nacházíme pedagogy, sociology, sociální pracovníky, poradce, vládní pracovníky (zejména ty v justičním systému) a další, kteří se zajímají o výzkum mozku. Zvýšilo se také financování výzkumu mozku, a to i ze strany agentur, které primárně financují výzkum, který s mozkem nesouvisí (např. vzdělávání).

Dalším důvodem pro naše rozšířené znalosti je to, že došlo k obrovskému pokroku v technologii pro provádění výzkumu mozku. Před mnoha lety byl jediný způsob, jak provádět výzkum mozku, provést pitvu. Ačkoli zkoumání mozků osob, které zemřely, přineslo užitečné informace, tento typ výzkumu nemůže určit, jak mozek funguje a zpracovává informace. Tyto informace jsou potřebné k rozvoji porozumění tomu, jak se mozek mění během učení a používá naučené informace k produkci akcí a nového učení.

Techniky, které přinesly užitečné informace, jsou popsány níže a shrnuty v tabulce. Jsou uspořádány zhruba od nejméně po nejsofistikovanější.

Rentgenové záření

Rentgenové záření jsou vysokofrekvenční elektromagnetické vlny, které mohou procházet nekovovými objekty, kde jsou absorbovány tělesnými strukturami (Wolfe, 2001). Neabsorbované paprsky dopadají na fotografickou desku. Interpretace je založena na světlých a tmavých oblastech (odstíny šedi). Rentgenové záření je dvourozměrné a je nejužitečnější pro pevné struktury, například pro zjištění, zda máte zlomenou kost. V mozku nefungují obzvláště dobře, protože je složen z měkké tkáně, ačkoli rentgenové záření může určit poškození lebky (kostní struktury).

CAT skeny

CAT (computerized axial tomography) skeny byly vyvinuty na počátku 70. let 20. století, aby se zvýšil počet stupňů v odstínech šedi produkovaných rentgenovým zářením. CAT skeny využívají rentgenovou technologii, ale vylepšují obrazy ze dvou na tři rozměry. CAT skeny používají lékaři k vyšetřování nádorů a dalších abnormalit, ale stejně jako rentgenové záření neposkytují podrobné informace o funkci mozku.

EEG

EEG (elektroencefalograf) je zobrazovací metoda, která měří elektrické vzorce vytvářené pohyby neuronů (Wolfe, 2001). Elektrody umístěné na pokožce hlavy detekují nervové impulzy procházející lebkou. Technologie EEG zesiluje signály a zaznamenává je na monitor nebo papírový graf (mozkové vlny). Frekvence mozkových vln (oscilací) se zvyšuje během mentální aktivity a snižuje se během spánku. EEG se ukázalo jako užitečné pro zobrazení některých typů poruch mozku (např. epilepsie, jazyk), stejně jako pro sledování poruch spánku (Wolfe, 2001). EEG poskytují cenné časové informace prostřednictvím potenciálů souvisejících s událostmi (viz část Vývoj jazyka), ale nemohou detekovat typ prostorových informací (tj. kde se aktivita vyskytuje), které jsou potřebné k hloubkovému zkoumání učení.

PET skeny

PET (positron emission tomography) skeny umožňují zkoumat aktivitu mozku, zatímco jedinec provádí úkoly. Osoba je injikována malou dávkou radioaktivní glukózy, kterou krev přenáší do mozku. Zatímco je v PET skeneru, jedinec provádí mentální úkoly. Ty oblasti mozku, které se zapojí, spotřebují více glukózy a produkují gama záření, které je detekováno zařízením. To vede k vytváření počítačových barevných obrazů (map), které ukazují oblasti aktivity.

Ačkoli PET skeny představují pokrok v technologii zobrazování mozku, jejich užitečnost je omezená. Protože postup vyžaduje požití radioaktivního materiálu, existuje limit, kolik sezení lze provést a kolik snímků lze pořídit najednou. Také vytváření snímků je relativně pomalý proces, takže rychlost, s jakou dochází k nervové aktivitě, nelze plně zachytit. Ačkoli PET sken poskytuje dobrou představu o celkové aktivitě mozku, neukazuje konkrétní oblasti aktivity v dostatečném detailu (Wolfe, 2001).

MRI a fMRI

Magnetická rezonance (MRI) a novější funkční magnetická rezonance (fMRI) jsou techniky zobrazování mozku, které řeší problémy s PET skeny. Při MRI je na mozek nasměrován paprsek rádiových vln. Mozek je většinou voda, která obsahuje atomy vodíku. Rádiové vlny způsobují, že atomy vodíku produkují rádiové signály, které jsou detekovány senzory a mapovány na počítačový obraz. Úroveň detailů je lepší než u CAT skenu a MRI se běžně používají k detekci nádorů, lézí a dalších abnormalit (Wolfe, 2001).

fMRI funguje podobně jako MRI, až na to, že osoby jsou povinny provádět mentální nebo behaviorální úkoly. Jak to dělají, části mozku, které jsou zodpovědné, aktivují neurony, což způsobí, že do těchto oblastí proudí více krve. Průtok krve mění magnetické pole, takže signály jsou intenzivnější. Skenování fMRI snímá tyto změny a mapuje je na počítačový obraz. Tento obraz lze porovnat s obrazem mozku v klidu, aby se detekovaly změny. fMRI dokáže zachytit aktivitu mozku tak, jak se děje a kde se děje, protože fMRI dokáže zaznamenat čtyři snímky za sekundu a protože trvá asi půl sekundy, než mozek zareaguje na stimul (Wolfe, 2001). Existuje však určitá časová nerovnost, protože změny průtoku krve mohou trvat několik sekund (Varma, McCandliss & Schwartz, 2008).

Ve srovnání s jinými metodami má fMRI mnoho výhod. Nevyžaduje požití radioaktivní látky. Funguje rychle a dokáže měřit aktivitu přesně. Dokáže zaznamenat obraz mozku během několika sekund, což je mnohem rychlejší než jiné metody. A fMRI lze opakovat bez problémů.

Problémem s technologiemi mozku je, že musí být používány v umělých kontextech (např. laboratořích), což vylučuje zachycení učení v aktivních třídách. Tento problém lze částečně vyřešit tím, že účastníci budou plnit úkoly učení během experimentů s mozkem nebo tím, že budou vystaveni technologii bezprostředně poté, co zažili různé kontexty ve třídě (Varma et al., 2008). Kromě toho se obor výzkumu mozku rychle mění a technologie se vyvíjejí a zdokonalují. V budoucnu můžeme očekávat techniky větší sofistikovanosti, které nám pomohou dále upřesnit mozkové procesy během učení. Nyní se obracíme k neurofyziologii učení, která se zabývá tím, jak mozek funguje při zpracování, integraci a používání informací.