Neuraalinen organisaatio ja rakenteet: Oppimisen neurotiede

Keskushermosto (CNS) koostuu aivoista ja selkäytimestä, ja se on kehon keskeinen mekanismi tahdonalaisen käyttäytymisen (esim. ajattelun, toiminnan) hallintaan. Autonominen hermosto (ANS) säätelee tahdosta riippumattomia toimintoja, kuten ruoansulatusta, hengitystä ja verenkiertoa. Nämä järjestelmät eivät ole täysin itsenäisiä. Ihmiset voivat esimerkiksi oppia hallitsemaan sydämensykettään, mikä tarkoittaa, että he hallitsevat tahdonalaisesti tahdosta riippumatonta toimintaa.

Selkäydin on noin 45 cm pitkä ja etusormen paksuinen. Se kulkee aivojen pohjasta alas selän keskelle. Se on olennaisesti aivojen jatke. Sen ensisijainen tehtävä on kuljettaa signaaleja aivoihin ja aivoista, mikä tekee siitä keskeisen sanansaattajan aivojen ja muun kehon välillä. Sen nouseva rata kuljettaa signaaleja kehon eri osista aivoihin, ja sen laskeva rata kuljettaa viestejä aivoista asianmukaiseen kehon rakenteeseen (esim. aiheuttaakseen liikkeen). Selkäydin on myös mukana joissakin reaktioissa riippumatta aivoista (esim. polviheijaste). Selkäytimen vaurioituminen, esimerkiksi onnettomuudesta, voi aiheuttaa oireita, jotka vaihtelevat tunnottomuudesta täydelliseen halvaantumiseen (Jensen, 2005; Wolfe, 2001).

Keskushermosto (CNS) koostuu miljardeista soluista aivoissa ja selkäytimessä. On olemassa kaksi päätyyppiä soluja: neuronit ja gliasolut. Neuraalisen organisaation kuvaus on esitetty alla:

Neuronit

Aivot ja selkäydin sisältävät noin 100 miljardia neuronia, jotka lähettävät ja vastaanottavat tietoa lihasten ja elinten välillä (Wolfe, 2001). Suurin osa kehon neuroneista sijaitsee keskushermostossa. Neuronit eroavat muista kehon soluista (esim. iho, veri) kahdella tärkeällä tavalla. Ensinnäkin useimmat kehon solut uusiutuvat säännöllisesti. Tämä jatkuva uusiutuminen on toivottavaa; esimerkiksi kun viillämme itsemme, uudet solut uusiutuvat korvaamaan vaurioituneet solut. Neuronit eivät kuitenkaan uusiudu samalla tavalla. Aivo- ja selkäydinsolujen, jotka ovat tuhoutuneet aivohalvauksen, sairauden tai onnettomuuden seurauksena, voidaan menettää pysyvästi. Positiivisena huomiona on kuitenkin näyttöä siitä, että neuronit voivat osoittaa jonkin verran uusiutumista (Kempermann & Gage, 1999), vaikka sen laajuutta ja prosessia ei ymmärretä hyvin.

Neuronit eroavat myös muista kehon soluista, koska ne kommunikoivat keskenään sähköisten signaalien ja kemiallisten reaktioiden avulla. Siten ne ovat järjestäytyneet eri tavalla kuin muut kehon solut. Tätä organisaatiota käsitellään myöhemmin tässä osiossa.

Gliasolut

Toinen solutyyppi keskushermostossa on gliasolu. Gliasoluja on paljon enemmän kuin neuroneja. Niitä voidaan pitää tukisoluina, koska ne tukevat neuronien työtä. Ne eivät välitä signaaleja kuten neuronit, mutta ne avustavat prosessissa.

Gliasolut suorittavat monia tehtäviä. Keskeinen tehtävä on varmistaa, että neuronit toimivat hyvässä ympäristössä. Gliasolut auttavat poistamaan kemikaaleja, jotka voivat häiritä neuronien toimintaa. Gliasolut poistavat myös kuolleita aivosoluja. Toinen tärkeä tehtävä on, että gliasolut laskevat myeliiniä, aksoneiden ympärille kääriytyvää kalvoa, joka auttaa välittämään aivosignaaleja (käsitellään seuraavassa osiossa). Gliasoluilla näyttää myös olevan keskeinen rooli sikiön aivojen kehityksessä (Wolfe, 2001). Siten gliasolut toimivat yhdessä neuronien kanssa varmistaakseen keskushermoston tehokkaan toiminnan.

Synapsit

Jokainen neuroni koostuu solukappaleesta, tuhansista lyhyistä dendriiteistä ja yhdestä aksonista. Dendriitti on pitkänomainen kudos, joka vastaanottaa tietoa muista soluista. Aksoni on pitkä kudoslanka, joka lähettää viestejä muille soluille. Myeliinituppi ympäröi aksonia ja helpottaa signaalien kulkua.

Jokainen aksoni päättyy haarautuvaan rakenteeseen. Näiden haarautuvien rakenteiden päät yhdistyvät dendriittien päihin. Tätä yhteyttä kutsutaan synapsiksi. Yhdistetty rakenne on avain siihen, miten neuronit kommunikoivat, koska viestit välitetään neuronien välillä synapseissa.

Prosessi, jolla neuronit kommunikoivat, on monimutkainen. Jokaisen aksonin päässä on kemiallisia välittäjäaineita. Ne eivät aivan kosketa toisen solun dendriittejä. Aukkoa kutsutaan synaptiseksi rakoksi. Kun sähköiset ja kemialliset signaalit saavuttavat riittävän korkean tason, välittäjäaineita vapautuu rakoon. Välittäjäaineet joko aktivoivat tai estävät reaktion kosketetussa dendriitissä. Siten prosessi alkaa sähköisenä reaktiona neuronissa ja aksonissa, muuttuu kemialliseksi reaktioksi rakossa ja muuntuu sitten takaisin sähköiseksi vasteeksi dendriitissä. Tämä prosessi jatkuu neuronista neuroniin salamannopeasti. Kuten myöhemmin tässä luvussa käsitellään, välittäjäaineiden rooli synaptisessa rakossa on ratkaiseva oppimisen kannalta. Neurotieteen näkökulmasta oppiminen on solujen vastaanottavuuden muutos, jonka aiheuttavat hermoyhteydet, jotka muodostuvat, vahvistuvat ja yhdistyvät muihin käytön kautta (Jensen, 2005; Wolfe, 2001).

Aikuisen ihmisen aivot (isotaivot) painavat noin kolme paunaa (noin 1,4 kg) ja ovat suunnilleen cantaloupe-melonin tai suuren greipin kokoiset (Tolson, 2006; Wolfe, 2001). Niiden ulkopinta on poimuttunut ja ulkonäöltään ryppyinen, muistuttaen kukkakaalia. Ne koostuvat pääasiassa vedestä (78 %), ja loppuosa on rasvaa ja proteiinia. Niiden rakenne on yleisesti ottaen pehmeä. Oppimiseen osallistuvat keskeiset aivojen rakenteet on esitetty kuviossa 2.2 (Byrnes, 2001; Jensen, 2005; Wolfe, 2001) ja kuvattu alla.

Aivokuori (Cortex Cerebri)

Aivoja peittää aivokuori, joka on ohut, noin appelsiininkuoren paksuinen kerros (alle 1/4 tuumaa). Aivokuori on aivojen poimuttunutta ”harmaata ainetta”. Poimut mahdollistavat aivokuorelle suuremman pinta-alan, mikä sallii enemmän hermosoluja ja hermoyhteyksiä. Aivokuorella on kaksi aivopuoliskoa (oikea ja vasen), joista kummassakin on neljä lohkoa (takaraivo-, päälaki-, ohimo- ja otsalohko). Aivokuori on keskeinen alue, joka osallistuu oppimiseen, muistiin ja aistitiedon käsittelyyn.

Aivorunko ja aivoverkosto

Aivojen juuressa sijaitsee aivorunko. Aivorunko hoitaa autonomisen hermoston (tahdosta riippumattomia) toimintoja aivoverkostonsa kautta. Aivoverkosto on hermosolujen ja -säikeiden verkosto, joka säätelee peruselintoimintoja, kuten hengitystä, sydämen sykettä, verenpainetta, silmänliikkeitä, syljeneritystä ja makuaistia. Aivoverkosto osallistuu myös vireystilan säätelyyn (esim. uni, valveillaolo). Esimerkiksi mentäessä hiljaiseen, pimeään huoneeseen aivoverkosto vähentää aivojen aktivaatiota ja mahdollistaa nukkumisen. Aivoverkosto auttaa myös säätelemään aistiärsykkeitä. Vaikka meitä pommitetaan jatkuvasti useilla ärsykkeillä, aivoverkosto mahdollistaa keskittymisen olennaisiin ärsykkeisiin. Tämä on kriittistä tarkkaavaisuudelle ja havaitsemiselle (luku 5), jotka ovat ihmisen tiedonkäsittelyjärjestelmän avainkomponentteja. Lopuksi, aivoverkosto tuottaa monia aivojen kemiallisia välittäjäaineita.

Pikkuaivot

Aivojen takaosassa sijaitsevat pikkuaivot säätelevät kehon tasapainoa, lihasten hallintaa, liikettä ja kehon asentoa. Vaikka nämä toiminnot ovat suurelta osin tietoisen kontrollin alaisia (ja siten aivokuoren aluetta), aivokuorella ei ole kaikkia tarvittavia välineitä niiden säätelemiseen. Se toimii yhdessä pikkuaivojen kanssa liikkeiden koordinoimiseksi. Pikkuaivot ovat avainasemassa motoristen taitojen oppimisessa. Harjoittelun myötä monet motoriset taidot muuttuvat automaattisiksi (esim. pianon soittaminen, auton ajaminen). Tämä automaatio tapahtuu, koska pikkuaivot ottavat suuren osan hallinnasta, mikä antaa aivokuoren keskittyä tietoisuutta vaativiin toimintoihin (esim. ajattelu, ongelmanratkaisu).

Talamus ja hypotalamus

Aivorungon yläpuolella on kaksi saksanpähkinän kokoista rakennetta: talamus ja hypotalamus. Talamus toimii siltana lähettämällä aistielimistä (paitsi hajuaistista) tulevat signaalit aivokuorelle. Hypotalamus on osa autonomista hermostoa. Se säätelee homeostaasin ylläpitämiseen tarvittavia kehon toimintoja, kuten ruumiinlämpöä, unta, veden ja ravinnon saantia. Hypotalamus on myös vastuussa sydämen sykkeen ja hengityksen kiihtymisestä pelästyessämme tai stressaantuessamme.

Mantelitumake

Mantelitumake osallistuu tunteiden ja aggression hallintaan. Saapuvat aistiärsykkeet (lukuun ottamatta hajua, joka kulkee suoraan aivokuorelle) menevät talamukseen, joka puolestaan välittää tiedon aivokuoren asianmukaiselle alueelle ja mantelitumakkeelle. Mantelitumakkeen tehtävä on arvioida aistiärsykkeiden haitallisuutta. Jos se tunnistaa mahdollisesti haitallisen ärsykkeen, se lähettää signaalin hypotalamukselle, joka saa aikaan edellä mainitut tunnereaktiot (esim. kohonnut syke ja verenpaine).

Hippokampus

Hippokampus on aivojen rakenne, joka vastaa lähimuistista. Kuinka pitkä on lähimuisti? Kuten luvussa 5 nähdään, ei ole olemassa objektiivista kriteeriä sille, mikä muodostaa lyhytkestoisen ja pitkäkestoisen (pysyvän) muistin. Ilmeisesti hippokampus auttaa tiedon vakiinnuttamisessa pitkäkestoiseen muistiin (joka sijaitsee aivokuorella), mutta säilyttää roolinsa tuon tiedon aktivoimisessa tarvittaessa. Siten hippokampus saattaa olla osallisena tällä hetkellä aktiivisessa (työ-) muistissa. Kun tieto on täysin koodattu pitkäkestoiseen muistiin, hippokampus voi luopua roolistaan.

Aivokurkiainen

Aivojen (isotaivojen) halki edestä taakse kulkee hermosäiekimppu, joka tunnetaan nimellä aivokurkiainen. Se jakaa isotaivot kahteen puoliskoon eli aivopuoliskoon ja yhdistää ne hermostollista käsittelyä varten. Tämä on kriittistä, koska suuri osa mielen prosesseista tapahtuu useammassa kuin yhdessä paikassa aivoissa ja sisältää usein molemmat aivopuoliskot.

Takaraivolohko

Isotaivojen takaraivolohkot käsittelevät pääasiassa näkötietoa. Takaraivolohko tunnetaan myös näköaivokuorena. Muistettakoon, että näköärsykkeet vastaanottaa ensin talamus, joka sitten lähettää nämä signaalit takaraivolohkoihin. Siellä tapahtuu monia toimintoja, jotka liittyvät liikkeen, värin, syvyyden, etäisyyden ja muiden visuaalisten piirteiden määrittämiseen. Kun nämä määritykset on tehty, näköärsykkeitä verrataan muistiin tallennettuun tietoon tunnistamisen (havaitsemisen) määrittämiseksi. Siten objekti, joka vastaa tallennettua mallia, tunnistetaan. Kun vastaavuutta ei löydy, uusi ärsyke koodataan muistiin. Näköaivokuoren on kommunikoitava muiden aivojärjestelmien kanssa määrittääkseen, vastaako näköärsyke tallennettua mallia (Gazzaniga, Ivry, & Mangun, 1998). Näönvaraisen käsittelyn merkitystä oppimisessa korostetaan Joen alustusvinjetissä.

Ihmiset voivat helposti hallita näköhavaintoaan pakottamalla itsensä kiinnittämään huomiota tiettyihin ympäristön piirteisiin ja jättämään toiset huomiotta. Esimerkiksi, jos etsimme ystävää väkijoukosta, voimme jättää huomiotta tuhansia näköärsykkeitä ja keskittyä vain niihin ärsykkeisiin (esim. kasvonpiirteisiin), jotka auttavat meitä määrittämään, onko ystävämme paikalla. Opettajat hyödyntävät tätä ajatusta pyytämällä oppilaita kiinnittämään huomiota visuaalisiin esityksiin ja ilmoittamalla heille oppitunnin tavoitteet tunnin alussa.

Päälakilohko

Isotaivojen yläosassa sijaitsevat päälakilohkot vastaavat tuntoaistista ja auttavat määrittämään kehon asentoa sekä yhdistämään näkötietoa. Päälakilohkoissa on etu- (anteriorinen) ja takaosa (posteriorinen). Etuosa vastaanottaa kehosta tietoa kosketuksesta, lämpötilasta, kehon asennosta sekä kivun ja paineen tuntemuksista (Wolfe, 2001). Jokaisella kehonosalla on etuosassa tietyt alueet, jotka vastaanottavat sen tietoa ja tekevät tunnistamisesta tarkan.

Takaosa yhdistää tuntoaistitietoa tuottaakseen spatiaalisen kehotietoisuuden eli tiedon siitä, missä kehon osat ovat kaikkina aikoina. Päälakilohkot voivat myös lisätä tai vähentää huomion kiinnittämistä eri kehonosiin. Esimerkiksi jalassa oleva kipu vastaanotetaan ja tunnistetaan päälakilohkossa, mutta jos katselet nautittavaa elokuvaa ja keskityt siihen tarkasti, saatat ”unohtaa” jalkakivun.

Ohimolohko

Isotaivojen sivulla sijaitsevat ohimolohkot vastaavat kuuloaistitiedon käsittelystä. Kun kuuloärsyke – kuten ääni tai muu melu – vastaanotetaan, tieto käsitellään ja lähetetään kuulomuistiin tunnistamista varten. Tämä tunnistaminen voi sitten johtaa toimintaan. Esimerkiksi kun opettaja kehottaa oppilaita laittamaan kirjansa pois ja asettumaan jonoon ovelle, kuulotieto käsitellään ja tunnistetaan, mikä johtaa asianmukaiseen toimintaan.

Aivokuoren vasemmassa aivopuoliskossa, missä takaraivo-, päälaki- ja ohimolohkot kohtaavat, sijaitsee Wernicken alue, joka mahdollistaa puheen ymmärtämisen ja oikeanlaisen lauserakenteen käytön puhuessa. Tämä alue toimii tiiviissä yhteistyössä vasemman aivopuoliskon otsalohkossa sijaitsevan toisen alueen, Brocan alueen, kanssa, joka on välttämätön puhumiselle. Vaikka nämä keskeiset kielenkäsittelyalueet sijaitsevat vasemmassa aivopuoliskossa (mutta Brocan alue on joillakin ihmisillä oikeassa aivopuoliskossa, kuten myöhemmin selitetään), monet aivojen osat työskentelevät yhdessä ymmärtääkseen ja tuottaakseen kieltä. Kieltä käsitellään syvällisemmin myöhemmin tässä luvussa.

Otsalohko

Kuten nimestä voi päätellä, otsalohkot sijaitsevat isotaivojen etuosassa. Otsalohkot muodostavat suurimman osan aivokuoresta. Niiden keskeisiä toimintoja ovat muistiin, suunnitteluun, päätöksentekoon, tavoitteiden asettamiseen ja luovuuteen liittyvän tiedon käsittely. Otsalohkot sisältävät myös primaarisen motorisen aivokuoren, joka säätelee lihasliikkeitä.

Voidaan väittää, että aivojen otsalohkot erottavat meidät selvimmin alemmista eläimistä ja jopa menneiden sukupolvien esi-isistämme. Otsalohkot ovat kehittyneet hoitamaan yhä monimutkaisempia toimintoja. Ne mahdollistavat suunnittelun ja tietoisten päätösten tekemisen, ongelmien ratkaisemisen ja keskustelemisen muiden kanssa. Lisäksi nämä lohkot antavat meille tietoisuuden omista mielensisäisistä prosesseistamme, mikä on metakognition muoto.

Aivojen yläosasta korvia kohti kulkee solujuoste, joka tunnetaan primaarisena motorisena aivokuorena. Tämä alue hallitsee kehon liikkeitä. Siten, jos tanssiessasi ”Hokey Pokey” -tanssia ajattelet ”laita oikea jalka sisään”, motorinen aivokuori ohjaa sinua laittamaan oikean jalkasi sisään. Jokainen kehon osa on kartoitettu tiettyyn paikkaan motorisella aivokuorella, joten signaali aivokuoren tietystä osasta johtaa oikean liikkeen tekemiseen.

Motorisen aivokuoren edessä on Brocan alue, joka on puheen tuottamista ohjaava sijainti. Tämä alue sijaitsee vasemmassa aivopuoliskossa noin 95 prosentilla ihmisistä; lopuilla 5 prosentilla (30 % vasenkätisistä) tämä alue on oikeassa aivopuoliskossa (Wolfe, 2001). Ei ole yllättävää, että tämä alue on yhteydessä vasemman ohimolohkon Wernicken alueeseen hermosäikeillä. Puhe muodostetaan Wernicken alueella ja siirretään sitten Brocan alueelle tuotettavaksi (Wolfe, 2001).

Otsalohkon etuosa eli prefrontaalinen aivokuori on ihmisillä suhteellisesti suurempi kuin muilla eläimillä. Siellä tapahtuvat korkeimmat henkisen toiminnan muodot (Ackerman, 1992). Luvussa 5 käsitellään, miten kognitiivisen tiedonkäsittelyn assosiaatiot muodostuvat aivoissa. Prefrontaalinen aivokuori on keskeinen alue näille assosiaatioille, koska aisteista saatu tieto yhdistetään muistiin tallennettuun tietoon. Lyhyesti sanottuna oppimisen keskus näyttää olevan prefrontaalisessa aivokuoressa. Se on myös tietoisuuden säädin, joka antaa meille tietoisuuden siitä, mitä ajattelemme, tunnemme ja teemme. Kuten myöhemmin selitetään, prefrontaalinen aivokuori näyttää osallistuvan tunteiden säätelyyn.

Taulukko 'Aivojen alueiden keskeiset toiminnot' tiivistää kunkin keskeisen aivoalueen avaintoiminnot (Byrnes, 2001; Jensen, 2005; Wolfe, 2001). Tätä taulukkoa tarkasteltaessa on pidettävä mielessä, ettei mikään aivojen osa toimi itsenäisesti. Sen sijaan tieto (hermoimpulssien muodossa) siirtyy nopeasti aivojen alueiden välillä. Vaikka monet aivojen toiminnot ovat paikallistettuja, jopa yksinkertaisiin tehtäviin osallistuu eri aivojen osia. Siksi ei ole mielekästä leimata mitään aivotoimintoa vain yhdelle alueelle kuuluvaksi, kuten Emman alustusvinjetissä tuodaan esiin.

Tiedämme nykyään aivojen toiminnasta paljon enemmän kuin koskaan ennen, mutta aivoja on tutkittu jo vuosia. Vasemman ja oikean aivopuoliskon toiminnot ovat olleet jatkuvan keskustelun kohteena. Wolfe (2001) totesi, että noin 400 eaa. Hippokrates puhui aivojen dualismista. Cowey (1998) raportoi, että vuonna 1870 tutkijat stimuloivat sähköisesti eläinten ja päävammoja saaneiden sotilaiden aivojen eri osia. He havaitsivat, että tiettyjen aivojen osien stimulointi aiheutti liikkeitä kehon eri osissa. Ajatus siitä, että aivoilla on hallitseva aivopuolisko, esitettiin jo vuonna 1874 (Binney & Janson, 1990).

On jo vuosia tiedetty, että yleisesti ottaen vasen aivopuolisko hallitsee oikeaa näkökenttää ja kehon puolta ja oikea aivopuolisko säätelee vasenta näkökenttää ja kehon puolta. Kuitenkin nämä kaksi aivopuoliskoa on yhdistetty kuitukimpuilla, joista suurin on aivokurkiainen. Gazzaniga, Bogen ja Sperry (1962) osoittivat, että kieltä hallitsee pääasiassa vasen aivopuolisko. Nämä tutkijat havaitsivat, että kun aivokurkiainen katkaistiin, potilaat, jotka pitivät esinettä poissa näkyvistä vasemmassa kädessään, väittivät, etteivät he pidä mitään. Ilmeisesti ilman visuaalista ärsykettä ja koska vasen käsi kommunikoi oikean aivopuoliskon kanssa, kun tämä aivopuolisko vastaanotti syötteen, se ei voinut tuottaa nimeä (koska kieli on lokalisoitu vasempaan aivopuoliskoon) ja katkaistun aivokurkiaisesta johtuen tietoa ei voitu siirtää vasempaan aivopuoliskoon.

Aivotutkimus on myös tunnistanut muita paikallisia toimintoja. Analyyttinen ajattelu näyttää keskittyvän vasempaan aivopuoliskoon, kun taas spatiaalinen, auditiivinen, emotionaalinen ja taiteellinen prosessointi tapahtuu oikeassa aivopuoliskossa (mutta oikea aivopuolisko käsittelee ilmeisesti negatiivisia tunteita ja vasen aivopuolisko positiivisia tunteita; Ornstein, 1997). Musiikkia käsitellään paremmin oikeassa aivopuoliskossa; suuntaa, oikeassa aivopuoliskossa; ja kasvojen tunnistusta, vasemmassa aivopuoliskossa.

Oikealla aivopuoliskolla on myös kriittinen rooli kontekstien tulkinnassa (Wolfe, 2001). Oletetaan esimerkiksi, että joku kuulee uutisen ja sanoo: “Se on hienoa!” Tämä voi tarkoittaa, että henkilö pitää uutista ihmeellisenä tai kauheana. Konteksti määrittää oikean merkityksen (esim. onko puhuja vilpitön vai sarkastinen). Konteksti voidaan saada intonaatiosta, ihmisten kasvonilmeistä ja eleistä sekä tiedosta tilanteen muista elementeistä. Vaikuttaa siltä, että oikea aivopuolisko on ensisijainen paikka kontekstuaalisen tiedon kokoamiselle, jotta voidaan tehdä oikea tulkinta.

Koska toiminnot on lokalisoitu aivojen osiin, on ollut houkuttelevaa olettaa, että ihmiset, jotka ovat erittäin sanallisia, ovat vasemman aivopuoliskonsa (vasen aivoinen) hallitsemia, kun taas niitä, jotka ovat taiteellisempia ja emotionaalisempia, hallitsee oikea aivopuolisko (oikea aivoinen). Mutta tämä on yksinkertaistava ja harhaanjohtava johtopäätös, kuten avauskohdan kouluttajat nyt ymmärtävät. Vaikka aivopuoliskoilla on paikallisia toimintoja, ne ovat myös yhteydessä ja niiden välillä on paljon tiedon (hermoimpulssien) siirtymistä. Hyvin vähän henkistä prosessointia tapahtuu todennäköisesti vain yhdessä aivopuoliskossa (Ornstein, 1997). Lisäksi voimme kysyä, mikä aivopuolisko hallitsee yksilöitä, jotka ovat sekä erittäin sanallisia että emotionaalisia (esim. intohimoisia puhujia).

Aivopuoliskot toimivat yhdessä; tieto on saatavilla molemmille koko ajan. Puhe on hyvä esimerkki. Jos olet keskustelemassa ystäväsi kanssa, vasen aivopuoliskosi mahdollistaa puheen tuottamisen, mutta oikea aivopuoliskosi tarjoaa kontekstin ja auttaa sinua ymmärtämään merkityksen.

Kognitiivisten neurotieteilijöiden keskuudessa on paljon keskustelua lateralisaation laajuudesta. Jotkut väittävät, että tietyt kognitiiviset toiminnot on lokalisoitu aivojen tietyille alueille, kun taas toiset uskovat, että eri alueilla on kyky suorittaa erilaisia tehtäviä (Byrnes & Fox, 1998). Tämä keskustelu heijastaa kognitiivisessa psykologiassa olevaa keskustelua perinteisen näkemyksen välillä, jonka mukaan tieto on paikallisesti koodattu, ja rinnakkaisen hajautetun prosessoinnin näkemyksen välillä (katso luku 5), jonka mukaan tietoa ei koodata yhdessä paikassa, vaan pikemminkin monissa muistiverkostoissa (Bowers, 2009).

On olemassa tutkimusnäyttöä, joka tukee molempia näkemyksiä. Aivojen eri osilla on eri toiminnot, mutta toiminnot ovat harvoin, jos koskaan, täysin lokalisoituja yhteen aivojen osaan. Tämä pätee erityisesti monimutkaisiin henkisiin toimintoihin, jotka riippuvat useista perushenkisistä toiminnoista, joiden toiminnot voivat olla levinneet useille alueille. Kuten Byrnes ja Fox (1998) väittivät, “Lähes mikä tahansa tehtävä vaatii molempien aivopuoliskojen osallistumista, mutta aivopuoliskot näyttävät käsittelevän tiettyjä tietotyyppejä tehokkaammin kuin toisia” (s. 310). Koulutuksellisesti ajatellen siksi käytäntö opettaa aivojen eri puolille (oikea aivo, vasen aivo) ei saa tukea empiirisestä tutkimuksesta.

Yksi syy siihen, miksi tiedämme nykyään enemmän keskushermoston toiminnasta kuin koskaan ennen, on se, että aivotutkimus on herättänyt kiinnostusta eri alojen ihmisten keskuudessa. Historiallisesti aivoja tutkivat pääasiassa lääketieteen, biologian ja psykologian tutkijat. Vuosien mittaan muut alat ovat kiinnostuneet enemmän aivotutkimuksesta, uskoen, että tutkimustulokset vaikuttaisivat heidän alojensa kehitykseen. Nykyään löydämme aivotutkimuksesta kiinnostuneita kasvattajia, sosiologeja, sosiaalityöntekijöitä, neuvonantajia, valtion työntekijöitä (erityisesti oikeusjärjestelmässä) ja muita. Myös aivotutkimuksen rahoitus on lisääntynyt, mukaan lukien virastot, jotka pääasiassa rahoittavat muita kuin aivoihin liittyviä tutkimuksia (esim. koulutus).

Toinen syy lisääntyneeseen tietämykseemme on se, että aivotutkimuksen teknologiassa on tapahtunut valtavaa edistystä. Monia vuosia sitten aivotutkimuksen ainoa tapa oli suorittaa ruumiinavaus. Vaikka kuolleiden henkilöiden aivojen tutkiminen on tuottanut hyödyllistä tietoa, tämäntyyppinen tutkimus ei voi määrittää, miten aivot toimivat ja käsittelevät tietoa. Jälkimmäistä tietoa tarvitaan kehittämään ymmärrystä siitä, miten aivot muuttuvat oppimisen aikana ja käyttävät opittua tietoa toimintojen ja uuden oppimisen tuottamiseen.

Tekniikoita, jotka ovat tuottaneet hyödyllistä tietoa, käsitellään alla ja ne on tiivistetty taulukossa. Nämä on järjestetty suunnilleen vähiten kehittyneestä eniten kehittyneeseen.

Röntgenkuvat

Röntgenkuvat ovat korkeataajuisia sähkömagneettisia aaltoja, jotka voivat kulkea ei-metallisten esineiden läpi, joissa kehon rakenteet absorboivat ne (Wolfe, 2001). Absorboimattomat säteet osuvat valokuvalevyyn. Tulkinta perustuu vaaleisiin ja tummiin alueisiin (harmaasävyt). Röntgenkuvat ovat kaksiulotteisia ja hyödyllisimpiä kiinteille rakenteille, kuten sen määrittämiseen, onko luu murtunut. Ne eivät toimi erityisen hyvin aivoissa, koska ne koostuvat pehmytkudoksesta, vaikka röntgenkuvat voivat määrittää kallon (luurakenteen) vaurioita.

TT-kuvat

TT-kuvat (tietokonetomografia) kehitettiin 1970-luvun alussa lisäämään röntgenkuvien tuottamien harmaasävyjen asteikkoa. TT-kuvat käyttävät röntgentekniikkaa, mutta parantavat kuvia kahdesta kolmeen ulottuvuuteen. Lääkärit käyttävät TT-kuvia tutkiakseen kasvaimia ja muita epänormaaliuksia, mutta kuten röntgenkuvat, ne eivät anna yksityiskohtaista tietoa aivojen toiminnasta.

EEG

EEG (aivosähkökäyrä) on kuvantamismenetelmä, joka mittaa hermosolujen liikkeiden luomia sähköisiä kuvioita (Wolfe, 2001). Päänahkaan sijoitetut elektrodit havaitsevat kallon läpi kulkevia hermoimpulsseja. EEG-tekniikka suurentaa signaaleja ja tallentaa ne monitorille tai paperikartalle (aallot). Aivoaaltojen (värähtelyjen) taajuus kasvaa henkisen toiminnan aikana ja vähenee unen aikana. EEG on osoittautunut hyödylliseksi tietyntyyppisten aivosairauksien (esim. epilepsia, kieli) kuvantamisessa sekä unihäiriöiden seurannassa (Wolfe, 2001). EEG tarjoaa arvokasta ajallista tietoa tapahtumasidonnaisten potentiaalien kautta (katso kohta Kielen kehitys), mutta se ei voi havaita sellaista paikkatiedon tyyppiä (ts. missä toiminta tapahtuu), jota tarvitaan oppimisen syvälliseen tutkimiseen.

PET-kuvat

PET (positroniemissiotomografia) -kuvien avulla voidaan tutkia aivojen toimintaa henkilön suorittaessa tehtäviä. Henkilölle ruiskutetaan pieni annos radioaktiivista glukoosia, jonka veri kuljettaa aivoihin. PET-skannerissa henkilö suorittaa henkisiä tehtäviä. Ne aivojen alueet, jotka osallistuvat, käyttävät enemmän glukoosia ja tuottavat gammasäteitä, jotka laite havaitsee. Tämä johtaa tietokoneistettuihin värikuviin (karttoihin), jotka osoittavat aktiivisuusalueita.

Vaikka PET-kuvat edustavat edistystä aivojen kuvantamistekniikassa, niiden hyödyllisyys on rajallinen. Koska toimenpide edellyttää radioaktiivisen materiaalin nauttimista, on rajoitettu, kuinka monta istuntoa voidaan tehdä ja kuinka monta kuvaa voidaan tuottaa kerralla. Lisäksi kuvien tuottaminen on suhteellisen hidasta, joten hermotoiminnan nopeutta ei voida täysin taltioida. Vaikka PET-kuva antaa hyvän käsityksen aivojen yleisestä toiminnasta, se ei näytä toiminnan erityisiä alueita riittävän yksityiskohtaisesti (Wolfe, 2001).

MRI ja fMRI

Magneettikuvaus (MRI) ja uudempi toiminnallinen magneettikuvaus (fMRI) ovat aivojen kuvantamistekniikoita, jotka ratkaisevat PET-kuvien ongelmia. MRI:ssä aivoihin kohdistetaan radioaaltoja. Aivot ovat enimmäkseen vettä, joka sisältää vetyatomeja. Radioaallot saavat vetyatomit tuottamaan radiosignaaleja, jotka anturit havaitsevat ja kartoittavat tietokoneistetuksi kuvaksi. Yksityiskohtien taso on parempi kuin TT-kuvassa, ja MRI:tä käytetään yleisesti kasvaimien, vaurioiden ja muiden epänormaaliuksien havaitsemiseen (Wolfe, 2001).

fMRI toimii pitkälti samalla tavalla kuin MRI, paitsi että henkilöiden on suoritettava henkisiä tai käyttäytymistehtäviä. Niiden suorittaessa aivojen osat, jotka ovat vastuussa, aktivoivat hermosoluja, mikä aiheuttaa enemmän verenkiertoa näille alueille. Verenkierto muuttaa magneettikenttää, joten signaalit voimistuvat. fMRI-skanneri aistii nämä muutokset ja kartoittaa ne tietokoneistetuksi kuvaksi. Tätä kuvaa voidaan verrata aivojen lepokuvatukseen muutosten havaitsemiseksi. fMRI voi tallentaa aivojen toimintaa sen tapahtuessa ja missä se tapahtuu, koska fMRI voi tallentaa neljä kuvaa sekunnissa ja koska aivoilla kestää noin puoli sekuntia reagoida ärsykkeeseen (Wolfe, 2001). Ajallista eroa on kuitenkin jonkin verran, koska verenkierron muutokset voivat kestää useita sekunteja (Varma, McCandliss & Schwartz, 2008).

Verrattuna muihin menetelmiin, fMRI:llä on monia etuja. Se ei vaadi radioaktiivisen aineen nauttimista. Se toimii nopeasti ja voi mitata toimintaa tarkasti. Se voi tallentaa kuvan aivoista muutamassa sekunnissa, mikä on paljon nopeampaa kuin muut menetelmät. Ja fMRI:tä voidaan toistaa ilman ongelmia.

Aivoteknologioiden ongelmana on, että niitä on käytettävä keinotekoisissa yhteyksissä (esim. laboratorioissa), mikä estää niiden kyvyn tallentaa oppimista aktiivisissa luokkahuoneissa. Tätä ongelmaa voidaan osittain ratkaista antamalla osallistujille oppimistehtäviä aivokokeiden aikana tai altistamalla heidät teknologialle välittömästi sen jälkeen, kun he ovat kokeneet erilaisia luokkahuoneympäristöjä (Varma et al., 2008). Lisäksi aivotutkimuksen ala muuttuu nopeasti ja teknologioita kehitetään ja parannetaan. Tulevaisuudessa voimme odottaa näkevämme kehittyneempiä tekniikoita, jotka auttavat meitä edelleen paikantamaan aivoprosesseja oppimisen aikana. Seuraavaksi tarkastelemme oppimisen neurofysiologiaa, joka käsittelee sitä, miten aivot toimivat tiedon käsittelemiseksi, integroimiseksi ja käyttämiseksi.