Neuroloogiline organisatsioon ja struktuurid (õppimise neuroteadus)

Kesknärvisüsteem (KNS) koosneb ajust ja seljaajust ning on keha peamine mehhanism tahtliku käitumise kontrollimiseks (nt mõtlemine, tegutsemine). Autonoomne närvisüsteem (ANS) reguleerib tahtmatuid tegevusi, nagu need, mis on seotud seedimise, hingamise ja vereringega. Need süsteemid ei ole täielikult sõltumatud. Inimesed võivad näiteks õppida kontrollima oma südamelööke, mis tähendab, et nad kontrollivad tahtlikult tahtmatut tegevust.

Seljaaju on umbes 18 tolli pikk ja nimetissõrme jämedune. See kulgeb aju põhjast mööda selgroogu alla. See on sisuliselt aju pikendus. Selle peamine funktsioon on signaalide edastamine ajju ja ajust, muutes selle keskseks vahendajaks aju ja ülejäänud keha vahel. Selle ülenev rada kannab signaale keha asukohtadest ajju ja selle alanev rada kannab sõnumeid ajust vastavasse keha struktuuri (nt liikumise põhjustamiseks). Seljaaju on seotud ka mõnede reaktsioonidega iseseisvalt ajust (nt põlve refleks). Seljaaju kahjustus, näiteks õnnetuse tagajärjel, võib põhjustada sümptomeid, mis ulatuvad tuimusest kuni täieliku halvatuseeni (Jensen, 2005; Wolfe, 2001).

KNS koosneb miljarditest rakkudest ajus ja seljaajus. On kaks peamist rakutüüpi: neuronid ja gliiarakud. Neuraalse organisatsiooni kujutis on näidatud allpool:

Neuronid

Aju ja seljaaju sisaldavad umbes 100 miljardit neuroni, mis saadavad ja võtavad vastu teavet lihaste ja organite vahel (Wolfe, 2001). Enamik keha neuroneid leidub KNS-is. Neuronid erinevad teistest keharakkudest (nt nahk, veri) kahel olulisel viisil. Esiteks, enamik keharakke taastub regulaarselt. See pidev uuenemine on soovitav; näiteks, kui me end lõikame, siis uued rakud taastuvad, et asendada kahjustatud rakke. Kuid neuronid ei taastu samal viisil. Insuldi, haiguse või õnnetuse tagajärjel hävitatud aju- ja seljaajurakud võivad jäädavalt kaduma minna. Positiivse poole pealt on aga tõendeid, et neuronid võivad näidata mingit taastumist (Kempermann & Gage, 1999), kuigi selle toimumise ulatus ja protsess, mille kaudu see toimub, ei ole hästi arusaadavad.

Neuronid erinevad teistest keharakkudest ka seetõttu, et nad suhtlevad omavahel elektriliste signaalide ja keemiliste reaktsioonide abil. Seega on nad organiseeritud teisiti kui teised keharakud. Seda organisatsiooni käsitletakse hiljem selles jaotises.

Gliiarakud

Teine rakutüüp KNS-is on gliiarakud. Gliiarakke on palju rohkem kui neuroneid. Neid võib pidada toetavateks rakkudeks, kuna nad toetavad neuronite tööd. Nad ei edasta signaale nagu neuronid, kuid nad abistavad protsessis.

Gliiarakud täidavad paljusid funktsioone. Peamine neist on tagada, et neuronid töötaksid heas keskkonnas. Gliiarakud aitavad eemaldada kemikaale, mis võivad häirida neuronite tööd. Gliiarakud eemaldavad ka surnud ajurakud. Teine oluline funktsioon on see, et gliiarakud panevad maha müeliini, mis on aksoneid ümbritsev tupe-sarnane ümbris, mis aitab edastada ajusignaale (käsitletakse järgmises jaotises). Gliiarakud näivad mängivat võtmerolli ka loote aju arengus (Wolfe, 2001). Seega töötavad gliiarakud koos neuronitega, et tagada KNS-i tõhus toimimine.

Sünapsid

Iga neuron koosneb rakukehast, tuhandetest lühikestest dendriitidest ja ühest aksonist. Dendriit on piklik kude, mis saab teavet teistelt rakkudelt. Akson on pikk koelõng, mis saadab sõnumeid teistele rakkudele. Müeliintupp ümbritseb aksonit ja hõlbustab signaalide liikumist.

Iga akson lõpeb haruneva struktuuriga. Nende harunevate struktuuride otsad ühenduvad dendriitide otstega. Seda ühendust nimetatakse sünapsiks. Omavahel ühendatud struktuur on võti neuronite suhtlemisele, sest sõnumid edastatakse neuronite vahel sünapsides.

Protsess, mille abil neuronid suhtlevad, on keeruline. Iga aksoni otsas on keemilised neurotransmitterid. Nad ei puuduta päris teise raku dendriite. Lünka nimetatakse sünaptiliseks lüngaks. Kui elektrilised ja keemilised signaalid jõuavad piisavalt kõrgele tasemele, vabanevad neurotransmitterid lünka. Neurotransmitterid kas aktiveerivad või pärsivad reaktsiooni kontaktitud dendriidis. Seega algab protsess elektrilise reaktsioonina neuronis ja aksonis, muutub keemiliseks reaktsiooniks lüngas ja muundub seejärel tagasi elektriliseks vastuseks dendriidis. See protsess jätkub neuronist neuronisse välkkiirusel. Nagu käsitletakse hiljem selles peatükis, on neurotransmitterite roll sünaptilises lüngas õppimise jaoks kriitiline. Neuroteaduse vaatenurgast on õppimine rakkude vastuvõtlikkuse muutus, mille põhjustavad närviühendused, mis on moodustunud, tugevnenud ja teistega kasutamise kaudu ühendatud (Jensen, 2005; Wolfe, 2001).

Inimese täiskasvanud aju (suuraju) kaalub ligikaudu kolm naela ja on umbes kantalupi või suure greibi suurune (Tolson, 2006; Wolfe, 2001). Selle välimine tekstuur on voldiline ja kortsus, meenutades lillkapsast. Selle koostis on peamiselt vesi (78%), ülejäänu on rasv ja valk. Selle tekstuur on üldiselt pehme. Peamised õppimisega seotud aju struktuurid on näidatud joonisel 2.2 (Byrnes, 2001; Jensen, 2005; Wolfe, 2001) ja kirjeldatud allpool.

Ajukoor

Aju katab ajukoor, mis on õhuke kiht, umbes apelsinikoore paksune (vähem kui 1/4 tolli). Ajukoor on aju kortsus “hall aine”. Kortsud võimaldavad ajukoorel olla suurem pindala, mis võimaldab rohkem neuroneid ja närviühendusi. Ajukoorel on kaks poolkera (parem ja vasak), millest igaühel on neli sagarat (kuklasagar, kiirusagar, oimusagar ja otsmikusagar). Ajukoor on peamine õppimise, mälu ja sensoorse teabe töötlemise piirkond.

Ajustamm ja retikulaarformatsioon

Aju põhjas on ajustamm. Ajustamm tegeleb ANS-i (tahtmatute) funktsioonidega oma retikulaarformatsiooni kaudu, mis on neuronite ja kiudude võrgustik, mis reguleerib selliste põhiliste kehaliste funktsioonide kontrolli nagu hingamine, südame löögisagedus, vererõhk, silmamuna liikumine, süljeeritus ja maitse. Retikulaarformatsioon on seotud ka teadvuse tasemega (nt uni, ärkvelolek). Näiteks, kui te lähete vaiksesse, pimedasse ruumi, vähendab retikulaarformatsioon aju aktivatsiooni ja võimaldab teil magada. Retikulaarformatsioon aitab ka kontrollida sensoorseid sisendeid. Kuigi meid pidevalt pommitavad mitmed stiimulid, võimaldab retikulaarformatsioon meil keskenduda asjakohastele stiimulitele. See on kriitiline tähelepanu ja taju jaoks (5. peatükk), mis on inimese infoprotsessisüsteemi põhikomponendid. Lõpuks toodab retikulaarformatsioon paljusid aju keemilisi sõnumitoojaid.

Väikeaju

Aju tagaküljel asuv väikeaju reguleerib keha tasakaalu, lihaste kontrolli, liikumist ja keha asendit. Kuigi need tegevused on suuresti teadvuse kontrolli all (ja seetõttu ajukoore valdkond), ei ole ajukoorel kogu varustust, mida ta vajab nende reguleerimiseks. See töötab koos väikeajuga, et koordineerida liigutusi. Väikeaju on motoorsete oskuste omandamise võti. Harjutamise käigus muutuvad paljud motoorsed oskused automaatseks (nt klaverimäng, autojuhtimine). See automaatsus tekib seetõttu, et väikeaju võtab üle suure osa kontrollist, mis võimaldab ajukoorel keskenduda teadvust nõudvatele tegevustele (nt mõtlemine, probleemide lahendamine).

Talamus ja hüpotalamus

Ajustammi kohal on kaks pähklisuurust struktuuri: talamus ja hüpotalamus. Talamus toimib sillana, saates sisendeid meeleorganitest (v.a haistmine) ajukoorele. Hüpotalamus on osa ANS-ist. See kontrollib kehalisi funktsioone, mis on vajalikud homöostaasi säilitamiseks, nagu kehatemperatuur, uni, vesi ja toit. Hüpotalamus vastutab ka südame löögisageduse ja hingamise suurenemise eest, kui me muutume hirmunuks või stressis.

Amügdala

Amügdala on seotud emotsioonide ja agressiooni kontrolliga. Saabuvaid sensoorseid sisendeid (v.a haistmine, mis liigub otse ajukoorele) lähevad talamusse, mis omakorda edastab teabe ajukoore vastavale piirkonnale ja amügdalale. Amügdala funktsioon on hinnata sensoorsete sisendite kahjulikkust. Kui see tunneb ära potentsiaalselt kahjuliku stiimuli, annab see märku hüpotalamusele, mis tekitab eespool nimetatud emotsionaalsed muutused (nt südame löögisageduse ja vererõhu tõus).

Hipokampus

Hipokampus on aju struktuur, mis vastutab lähimineviku mälu eest. Kui pikk on lähiminevik? Nagu me näeme 5. peatükis, ei ole objektiivset kriteeriumi selle kohta, mis on lähimälu ja pikaajaline (püsiv) mälu. Ilmselt aitab hipokampus luua teavet pikaajalises mälus (mis asub ajukoores), kuid säilitab oma rolli selle teabe aktiveerimisel vastavalt vajadusele. Seega võib hipokampus olla seotud praegu aktiivse (töö)mäluga. Kui teave on täielikult kodeeritud pikaajalises mälus, võib hipokampus oma rollist loobuda.

Lisasomakal

Piki aju (suuraju) eest taha jookseb kiudude riba, mida tuntakse lisasomakana. See jagab suuraju kaheks pooleks ehk poolkeraks ja ühendab need närvitöötluseks. See on kriitiline, sest suur osa vaimsest töötlemisest toimub rohkem kui ühes kohas ajus ja sageli hõlmab mõlemat poolkera.

Kuklasagar

Suuraju kuklasagarad on peamiselt seotud visuaalse teabe töötlemisega. Kuklasagar on tuntud ka kui visuaalne ajukoor. Tuletage meelde, et visuaalseid stiimuleid võtab esmalt vastu talamus, mis seejärel saadab need signaalid kuklasagaradele. Siin toimuvad paljud funktsioonid, mis hõlmavad liikumise, värvi, sügavuse, kauguse ja muude visuaalsete tunnuste määramist. Kui need määramised on toimunud, võrreldakse visuaalseid stiimuleid mälus talletatuga, et määrata äratundmine (taju). Seega tunnistatakse ära objekt, mis vastab salvestatud mustrile. Kui vastet ei ole, siis kodeeritakse uus stiimul mällu. Visuaalne ajukoor peab suhtlema teiste ajusüsteemidega, et teha kindlaks, kas visuaalne stiimul vastab salvestatud mustrile (Gazzaniga, Ivry & Mangun, 1998). Visuaalse töötlemise tähtsust õppimisel rõhutab Joe avavignett.

Inimesed saavad hõlpsasti kontrollida oma visuaalset taju, sundides end keskenduma teatud keskkonna tunnustele ja ignoreerima teisi. Näiteks, kui me otsime rahvahulgas sõpra, saame ignoreerida tuhandeid visuaalseid stiimuleid ja keskenduda ainult neile stiimulitele (nt näojooned), mis aitavad meil kindlaks teha, kas meie sõber on kohal. Õpetajad kasutavad seda ideed, paludes õpilastel pöörata tähelepanu visuaalsetele kuvaritele ja teavitades neid tunni eesmärkidest tunni alguses.

Kiirusagar

Kiirusagarad aju ülaosas suuureajus vastutavad puutetundlikkuse eest ning aitavad määrata keha asendit ja integreerida visuaalset teavet. Kiirusagaradel on eesmine ja tagumine osa. Eesmine osa saab kehalt teavet puudutuse, temperatuuri, keha asendi ning valu ja surve tunnete kohta (Wolfe, 2001). Igal kehaosal on eesmises osas teatud piirkonnad, mis saavad selle teavet ja muudavad tuvastamise täpseks.

Tagumine osa integreerib kombatavat teavet, et tagada ruumiline keha teadlikkus ehk teadmine, kus teie kehaosad kogu aeg asuvad. Kiirusagarad võivad ka suurendada või vähendada tähelepanu erinevatele kehaosadele. Näiteks võtab teie jalas oleva valu vastu ja tuvastab kiirusagar, kuid kui te vaatate nauditavat filmi ja olete sellele tähelepanelik, võite jalas oleva valu “unustada”.

Oimusagar

Oimusagarad, mis asuvad suuraju küljel, vastutavad auditoorse teabe töötlemise eest. Kui võetakse vastu auditoorne sisend—nagu hääl või muu heli—siis töödeldakse seda teavet ja edastatakse auditoorsesse mällu, et määrata äratundmine. See äratundmine võib seejärel viia tegevuseni. Näiteks, kui õpetaja käsib õpilastel oma raamatud ära panna ja ukse juurde rivistuda, siis töödeldakse ja tunnistatakse seda auditoorset teavet ning see viib seejärel asjakohase tegevuseni.

Kuklasagara, kiirusagara ja oimusagara ristumiskohas ajukoore vasakus poolkeras asub Wernicke’i piirkond, mis võimaldab meil kõnest aru saada ja kõnelemisel kasutada õiget süntaksit. See piirkond töötab tihedalt koos teise piirkonnaga vasaku poolkera otsmikusagaras, mida tuntakse Broca’i piirkonnana ja mis on vajalik kõnelemiseks. Kuigi need peamised keeletöötluspiirkonnad asuvad vasakus poolkeras (kuid Broca’i piirkond on mõnel inimesel paremas poolkeras, nagu hiljem selgitatakse), teevad paljud ajuosad koostööd, et keelest aru saada ja seda toota. Keelt käsitletakse selles peatükis hiljem põhjalikumalt.

Otsmikusagar

Nagu nimigi ütleb, asuvad otsmikusagarad suuraju ees. Otsmikusagarad moodustavad suurima osa ajukoorest. Nende peamised funktsioonid on mäluga, planeerimisega, otsuste tegemisega, eesmärkide seadmisega ja loovusega seotud teabe töötlemine. Otsmikusagarad sisaldavad ka peamist motoorset ajukoort, mis reguleerib lihasliigutusi.

Võib väita, et otsmikusagarad ajus eristavad meid kõige selgemini madalamatest loomadest ja isegi meie esivanematest minevikus. Otsmikusagarad on arenenud, et võtta enda kanda üha keerukamaid funktsioone. Need võimaldavad meil planeerida ja teha teadlikke otsuseid, lahendada probleeme ja vestelda teistega. Lisaks pakuvad need sagarad meile teadvust oma vaimsetest protsessidest, metakognitsiooni vormi.

Aju ülaosast alla kõrvade suunas jookseb rakuriba, mida tuntakse peamise motoorse ajukoorena. See piirkond on piirkond, mis kontrollib keha liigutusi. Seega, kui te tantsides “Hokey Pokeyt” mõtlete “pange oma parem jalg sisse”, siis on see motoorne ajukoor, mis suunab teid panema oma parema jala sisse. Iga kehaosa on kaardistatud teatud asukohta motoorses ajukoores, nii et signaal teatud ajukoore osast viib õige liigutuse tegemiseni.

Motoorse ajukoore ees on Broca’i piirkond, mis on kõne tootmise juhtimiskoht. See piirkond asub umbes 95% inimestest vasakus poolkeras; ülejäänud 5% (30% vasakukäelistest) on see piirkond paremas poolkeras (Wolfe, 2001). Pole üllatav, et see piirkond on närvikiududega seotud Wernicke’i piirkonnaga vasakus oimusagaras. Kõne moodustatakse Wernicke’i piirkonnas ja seejärel kantakse üle Broca’i piirkonda, et seda toota (Wolfe, 2001).

Otsmikusagara eesmine osa ehk prefrontaalne ajukoor on inimestel proportsionaalselt suurem kui teistel loomadel. Siin toimuvad vaimse tegevuse kõrgeimad vormid (Ackerman, 1992). 5. peatükk käsitleb, kuidas kognitiivse infoprotsessi assotsiatsioonid ajus luuakse. Prefrontaalne ajukoor on nende assotsiatsioonide jaoks peamine piirkond, sest meeltest saadud teave on seotud mällu salvestatud teabega. Lühidalt öeldes näib õppimise koht olevat prefrontaalses ajukoores. See on ka teadvuse regulaator, mis võimaldab meil olla teadlikud sellest, mida me mõtleme, tunneme ja teeme. Nagu hiljem selgitatakse, näib prefrontaalne ajukoor olevat seotud emotsioonide reguleerimisega.

Tabel “Aju piirkondade peamised funktsioonid” võtab kokku iga peamise aju piirkonna peamised funktsioonid (Byrnes, 2001; Jensen, 2005; Wolfe, 2001). Seda tabelit vaadates pidage meeles, et ükski ajuosa ei tööta iseseisvalt. Pigem kantakse teavet (närviimpulsside kujul) kiiresti aju piirkondade vahel. Kuigi paljud aju funktsioonid on lokaliseeritud, on isegi lihtsate ülesannete puhul seotud erinevad ajuosad. Seetõttu ei ole mõtet märgistada ühtegi aju funktsiooni kui ainult ühes piirkonnas asuvat, nagu tõi välja Emma avavignett.

Me teame aju toimimise kohta tänapäeval palju rohkem kui kunagi varem, kuid aju on uuritud juba aastaid. Vasaku ja parema ajupoolkera funktsioonid on olnud jätkuva arutelu teema. Wolfe (2001) märkis, et umbes 400 eKr rääkis Hippokrates aju duaalsusest. Cowey (1998) teatas, et 1870. aastal stimuleerisid teadlased elektriliselt loomade ja peavigastustega sõdurite aju erinevaid osi. Nad leidsid, et teatud ajuosade stimuleerimine põhjustas liigutusi keha erinevates osades. Idee, et ajul on domineeriv poolkera, pakuti välja juba 1874. aastal (Binney & Janson, 1990).

On juba aastaid teada, et üldiselt juhib vasak ajupoolkera paremat nägemisvälja ja kehapoolt ning parem ajupoolkera reguleerib vasakut nägemisvälja ja kehapoolt. Kuid kahte poolkera ühendavad kiudude kimbud, millest suurim on corpus callosum. Gazzaniga, Bogen ja Sperry (1962) näitasid, et keelt kontrollib suures osas vasak ajupoolkera. Need teadlased leidsid, et kui corpus callosum oli läbi lõigatud, väitsid patsiendid, kes hoidsid eset varjatult vasakus käes, et nad ei hoia midagi. Ilmselt, ilma visuaalse stiimulita ja kuna vasak käsi suhtleb parema ajupoolkeraga, ei suutnud see poolkera sisendi saamisel nime genereerida (sest keel on lokaliseeritud vasakus ajupoolkeras) ja läbilõigatud corpus callosumi korral ei saanud teavet vasakusse ajupoolkerasse üle kanda.

Aju-uuringud on tuvastanud ka muid lokaliseeritud funktsioone. Analüütiline mõtlemine näib olevat keskendunud vasakusse ajupoolkerasse, samas kui ruumiline, auditoorne, emotsionaalne ja kunstiline töötlemine toimub paremas ajupoolkeras (kuid parem ajupoolkera töötleb ilmselt negatiivseid emotsioone ja vasak ajupoolkera positiivseid emotsioone; Ornstein, 1997). Muusikat töödeldakse paremini paremas ajupoolkeras; suunda paremas ajupoolkeras ja nägude äratundmist vasakus ajupoolkeras.

Paremal ajupoolkeral on oluline roll ka kontekstide tõlgendamisel (Wolfe, 2001). Oletame näiteks, et keegi kuuleb uudist ja ütleb: „See on suurepärane!” See võib tähendada, et inimene arvab, et uudis on imeline või kohutav. Kontekst määrab õige tähenduse (nt kas kõneleja on siiras või sarkastiline). Konteksti saab intonatsioonist, inimeste näoilmetest ja žestidest ning teadmistest teiste olukorra elementide kohta. Näib, et parem ajupoolkera on peamine koht kontekstuaalse teabe kokkupanemiseks, et saaks teha õige tõlgenduse.

Kuna funktsioonid on lokaliseeritud ajuosades, on olnud ahvatlev postuleerida, et inimesed, kes on väga verbaalsed, on domineeritud oma vasaku ajupoolkera poolt (vasakpoolsed), samas kui need, kes on kunstilisemad ja emotsionaalsemad, on kontrollitud oma parema ajupoolkera poolt (parempoolsed). Kuid see on lihtsustatud ja eksitav järeldus, nagu avastavad ka avastseenis olevad õpetajad. Kuigi poolkeradel on lokaliseeritud funktsioonid, on need ka ühendatud ja nende vahel toimub palju teabe (närviimpulsside) vahetust. Väga vähe vaimset töötlemist toimub tõenäoliselt ainult ühes poolkeras (Ornstein, 1997). Lisaks võime küsida, milline ajupoolkera juhib indiviide, kes on nii väga verbaalsed kui ka emotsionaalsed (nt kirglikud kõnelejad).

Poolkerad töötavad koos; teave on mõlemale neist kogu aeg kättesaadav. Kõne pakub hea näite. Kui teil on sõbraga vestlus, võimaldab teie vasak ajupoolkera teil kõnet toota, kuid teie parem ajupoolkera pakub konteksti ja aitab teil tähendust mõista.

Kognitiivsete neuroteadlaste seas on palju arutelusid lateraliseerumise ulatuse üle. Mõned väidavad, et konkreetsed kognitiivsed funktsioonid on lokaliseeritud aju konkreetsetes piirkondades, samas kui teised usuvad, et erinevatel piirkondadel on võime täita erinevaid ülesandeid (Byrnes & Fox, 1998). See arutelu peegeldab kognitiivses psühholoogias toimuvat arutelu traditsioonilise vaate vahel, et teadmised on lokaalselt kodeeritud, ja paralleelse hajutatud töötlemise vaate (vt 5. peatükk), et teadmised on kodeeritud mitte ühes kohas, vaid pigem paljudes mäluvõrkudes (Bowers, 2009).

Mõlema positsiooni toetuseks on uurimistulemusi. Aju erinevatel osadel on erinevad funktsioonid, kuid funktsioonid on harva, kui üldse, täielikult lokaliseeritud ühes ajuosas. See kehtib eriti keerukate vaimsete operatsioonide puhul, mis sõltuvad mitmest põhilisest vaimsest operatsioonist, mille funktsioonid võivad olla jaotatud mitmele alale. Nagu Byrnes ja Fox (1998) väitsid, „Peaaegu iga ülesanne nõuab mõlema ajupoolkera osalemist, kuid poolkerad näivad teatud tüüpi teavet töötlevat tõhusamalt kui teised” (lk 310). Hariduslikust seisukohast lähtuvalt ei toeta seetõttu empiirilised uuringud aju erinevatele külgedele (parem aju, vasak aju) õpetamise praktikat.

Üks põhjus, miks me tänapäeval KNS-i toimimise kohta nii palju rohkem teame kui kunagi varem, on see, et erinevatel aladel tegutsevad inimesed on hakanud aju-uuringute vastu suuremat huvi tundma. Ajalooliselt viisid aju-uuringuid läbi peamiselt meditsiini, bioloogiateaduste ja psühholoogia teadlased. Aastate jooksul on teised alad hakanud aju-uuringute vastu suuremat huvi tundma, uskudes, et uuringute tulemused mõjutavad nende valdkondade arengut. Tänapäeval leiame aju-uuringute vastu huvi tundmas õpetajaid, sotsiolooge, sotsiaaltöötajaid, nõustajaid, valitsustöötajaid (eriti kohtusüsteemis) ja teisi. Samuti on suurenenud aju-uuringute rahastamine, sealhulgas asutuste poolt, mis rahastavad peamiselt mitte-aju-uuringuid (nt haridus).

Teine põhjus meie suurenenud teadmistele on see, et aju-uuringute tehnoloogia on tohutult edasi arenenud. Aastaid tagasi oli ainus viis aju-uuringute tegemiseks lahkamine. Kuigi surnud inimeste aju uurimine on andnud kasulikku teavet, ei saa seda tüüpi uuringud kindlaks teha, kuidas aju funktsioneerib ja teavet töötleb. Viimast teavet on vaja, et arendada arusaamist, kuidas aju õppimise ajal muutub ja kasutab õpitud teavet tegevuste ja uue õppimise tootmiseks.

Allpool on arutletud tehnikaid, mis on andnud kasulikku teavet ja need on kokku võetud tabelis. Need on järjestatud ligikaudu kõige vähem keerukast kõige keerukamani.

Röntgenikiirgus

Röntgenikiirgus on kõrgsageduslikud elektromagnetlained, mis võivad läbida mittemetallilisi objekte, kus need imenduvad keha struktuuridesse (Wolfe, 2001). Neeldumata kiired tabavad fotoplaati. Tõlgendamine põhineb heledatel ja tumedatel aladel (halli varjundid). Röntgenikiirgus on kahemõõtmeline ja kõige kasulikum tahkete struktuuride jaoks, näiteks luumurdude kindlakstegemiseks. Need ei tööta eriti hästi ajus, kuna see koosneb pehmest koest, kuigi röntgenikiirgus võib kindlaks teha kahjustusi koljule (luustruktuur).

KT-skaneeringud

KT (kompuutertomograafia) skaneeringud töötati välja 1970. aastate alguses, et suurendada röntgenikiirte poolt toodetud halli varjundi gradatsioone. KT-skaneeringud kasutavad röntgentehnoloogiat, kuid täiustavad pilte kahest kuni kolme dimensioonini. KT-skaneeringuid kasutavad arstid kasvajate ja muude kõrvalekallete uurimiseks, kuid nagu ka röntgenikiirgus, ei anna need üksikasjalikku teavet aju funktsioneerimise kohta.

EEG-d

EEG (elektroentsefalograaf) on pildistamismeetod, mis mõõdab neuronite liikumisest tekkivaid elektrilisi mustreid (Wolfe, 2001). Elektroodid, mis on asetatud peanahale, tuvastavad läbi kolju kulgevaid närviimpulsse. EEG-tehnoloogia võimendab signaale ja salvestab need monitorile või paberdiagrammile (ajulained). Ajulainete sagedus (võnkumised) suureneb vaimse tegevuse ajal ja väheneb une ajal. EEG-d on osutunud kasulikuks teatud tüüpi ajuhaiguste (nt epilepsia, keel) pildistamisel, samuti unehäirete jälgimisel (Wolfe, 2001). EEG-d pakuvad väärtuslikku ajalise teavet sündmustega seotud potentsiaalide kaudu (vt jaotist Keele areng), kuid need ei suuda tuvastada sellist ruumilist teavet (st kus tegevus toimub), mida on vaja õppimise põhjalikuks uurimiseks.

PET-skaneeringud

PET (positronemissioontomograafia) skaneeringud võimaldavad uurida aju aktiivsust, kui inimene täidab ülesandeid. Inimesele süstitakse väike annus radioaktiivset glükoosi, mille veri kannab ajju. PET-skanneris viibides täidab inimene vaimseid ülesandeid. Need aju piirkonnad, mis muutuvad kaasatud, kasutavad rohkem glükoosi ja toodavad gammakiiri, mida seadmed tuvastavad. See viib arvutipõhiste värviliste piltide (kaartide) tootmiseni, mis näitavad aktiivsuspiirkondi.

Kuigi PET-skaneeringud kujutavad endast aju pildistamistehnoloogia arengut, on nende kasulikkus piiratud. Kuna protseduur nõuab radioaktiivse materjali allaneelamist, on piiratud, kui palju seansse saab teha ja kui palju pilte saab korraga toota. Samuti on piltide tootmine suhteliselt aeglane protsess, nii et närvitegevuse kiirust ei saa täielikult jäädvustada. Kuigi PET-skaneering annab hea ülevaate aju üldisest aktiivsusest, ei näita see tegevuse konkreetseid piirkondi piisavalt detailselt (Wolfe, 2001).

MRI-d ja fMRI-d

Magnetresonantstomograafia (MRI) ja uuem funktsionaalne magnetresonantstomograafia (fMRI) on aju pildistamistehnikad, mis lahendavad PET-skaneeringute probleeme. MRI-s suunatakse raadiolaine kiir ajju. Aju on peamiselt vesi, mis sisaldab vesinikuaatomeid. Raadiolained panevad vesinikuaatomid tootma raadiosignaale, mida andurid tuvastavad ja kaardistavad arvutipõhisele pildile. Detailide tase on kõrgem kui KT-skaneeringul ja MRI-d kasutatakse tavaliselt kasvajate, kahjustuste ja muude kõrvalekallete tuvastamiseks (Wolfe, 2001).

fMRI töötab sarnaselt MRI-ga, välja arvatud see, et inimestelt nõutakse vaimsete või käitumuslike ülesannete täitmist. Nende tegevuse ajal aktiveerivad aju osad neuroneid, mis põhjustavad rohkem verevoolu nendesse piirkondadesse. Verevool muudab magnetvälja, nii et signaalid muutuvad intensiivsemaks. fMRI-skanner tuvastab need muutused ja kaardistab need arvutipõhisele pildile. Seda pilti saab võrrelda aju puhkeoleku pildiga, et tuvastada muutusi. fMRI suudab jäädvustada aju aktiivsust nii, nagu see toimub ja kus see toimub, sest fMRI suudab salvestada neli pilti sekundis ja kuna aju reageerimiseks stiimulile kulub umbes pool sekundit (Wolfe, 2001). Siiski on mõningane ajalise erinevus, sest verevoolu muutused võivad võtta mitu sekundit (Varma, McCandliss ja Schwartz, 2008).

Võrreldes teiste meetoditega on fMRI-l palju eeliseid. See ei nõua radioaktiivse aine allaneelamist. See töötab kiiresti ja suudab aktiivsust täpselt mõõta. See suudab salvestada aju pildi mõne sekundiga, mis on palju kiirem kui teised meetodid. Ja fMRI-d saab probleemideta korrata.

Aju tehnoloogiate probleem on see, et neid tuleb kasutada kunstlikes kontekstides (nt laborites), mis välistab nende jäädvustamise aktiivsetes klassiruumides õppimisel. Seda probleemi saab osaliselt lahendada, andes osalejatele õppeülesandeid aju katsete ajal või allutades nad tehnoloogiale vahetult pärast erinevate klassiruumi kontekstide kogemist (Varma jt, 2008). Lisaks on aju-uuringute valdkond kiiresti muutumas ja tehnoloogiaid arendatakse ja täiustatakse. Tulevikus võime oodata keerukamaid tehnikaid, mis aitavad meil veelgi täpsemalt kindlaks määrata ajuprotsesse õppimise ajal. Nüüd pöördume õppimise neurofüsioloogia juurde, mis käsitleb seda, kuidas aju funktsioneerib teabe töötlemiseks, integreerimiseks ja kasutamiseks.