Organizzazione e Strutture Neurali (Neuroscienze dell'Apprendimento)

Il sistema nervoso centrale (SNC) è composto dal cervello e dal midollo spinale ed è il meccanismo centrale del corpo per il controllo del comportamento volontario (ad esempio, pensare, agire). Il sistema nervoso autonomo (SNA) regola le attività involontarie, come quelle coinvolte nella digestione, nella respirazione e nella circolazione sanguigna. Questi sistemi non sono del tutto indipendenti. Le persone possono, ad esempio, imparare a controllare la frequenza cardiaca, il che significa che stanno controllando volontariamente un'attività involontaria.

Il midollo spinale è lungo circa 18 pollici e largo quanto un indice. Si estende dalla base del cervello lungo il centro della schiena. È essenzialmente un'estensione del cervello. La sua funzione primaria è quella di trasportare segnali da e verso il cervello, rendendolo il messaggero centrale tra il cervello e il resto del corpo. La sua via ascendente trasporta segnali dalle posizioni del corpo al cervello, e la sua via discendente trasporta messaggi dal cervello alla struttura corporea appropriata (ad esempio, per causare il movimento). Il midollo spinale è anche coinvolto in alcune reazioni indipendentemente dal cervello (ad esempio, il riflesso patellare). Danni al midollo spinale, come quelli causati da un incidente, possono provocare sintomi che vanno dall'intorpidimento alla paralisi totale (Jensen, 2005; Wolfe, 2001).

Il SNC è composto da miliardi di cellule nel cervello e nel midollo spinale. Esistono due tipi principali di cellule: neuroni e cellule gliali. Una rappresentazione dell'organizzazione neuronale è mostrata di seguito:

Neuroni

Il cervello e il midollo spinale contengono circa 100 miliardi di neuroni che inviano e ricevono informazioni attraverso muscoli e organi (Wolfe, 2001). La maggior parte dei neuroni del corpo si trova nel SNC. I neuroni sono diversi dalle altre cellule del corpo (ad esempio, pelle, sangue) in due modi importanti. Innanzitutto, la maggior parte delle cellule del corpo si rigenera regolarmente. Questo rinnovamento continuo è auspicabile; ad esempio, quando ci tagliamo, nuove cellule si rigenerano per sostituire quelle danneggiate. Ma i neuroni non si rigenerano allo stesso modo. Le cellule del cervello e del midollo spinale distrutte da un ictus, una malattia o un incidente possono essere perse permanentemente. Tuttavia, in positivo, ci sono prove che i neuroni possono mostrare una certa rigenerazione (Kempermann & Gage, 1999), anche se la misura in cui ciò si verifica e il processo con cui ciò avviene non sono ben compresi.

I neuroni sono anche diversi dalle altre cellule del corpo perché comunicano tra loro, per mezzo di segnali elettrici e reazioni chimiche. Pertanto, sono organizzati in modo diverso rispetto alle altre cellule del corpo. Questa organizzazione è discussa più avanti in questa sezione.

Cellule Gliali

Il secondo tipo di cellula nel SNC è la cellula gliale. Le cellule gliali sono molto più numerose dei neuroni. Possono essere considerate cellule di supporto poiché supportano il lavoro dei neuroni. Non trasmettono segnali come i neuroni, ma assistono nel processo.

Le cellule gliali svolgono molte funzioni. Una funzione chiave è garantire che i neuroni operino in un buon ambiente. Le cellule gliali aiutano a rimuovere le sostanze chimiche che possono interferire con il funzionamento dei neuroni. Le cellule gliali rimuovono anche le cellule cerebrali morte. Un'altra funzione importante è che le cellule gliali depositano la mielina, un rivestimento simile a una guaina attorno agli assoni che aiuta a trasmettere i segnali cerebrali (discusso nella prossima sezione). Le cellule gliali sembrano anche svolgere funzioni chiave nello sviluppo del cervello fetale (Wolfe, 2001). Pertanto, le cellule gliali lavorano in concerto con i neuroni per garantire un funzionamento efficace del SNC.

Sinapsi

Ogni neurone è composto da un corpo cellulare, migliaia di dendriti corti e un assone. Un dendrite è un tessuto allungato che riceve informazioni da altre cellule. Un assone è un lungo filo di tessuto che invia messaggi ad altre cellule. La guaina mielinica circonda l'assone e facilita il viaggio dei segnali.

Ogni assone termina in una struttura ramificata. Le estremità di queste strutture ramificate si collegano con le estremità dei dendriti. Questa connessione è nota come sinapsi. La struttura interconnessa è la chiave di come comunicano i neuroni, perché i messaggi vengono trasmessi tra i neuroni nelle sinapsi.

Il processo mediante il quale i neuroni comunicano è complesso. All'estremità di ogni assone ci sono neurotrasmettitori chimici. Non toccano del tutto i dendriti di un'altra cellula. Lo spazio è chiamato spazio sinaptico. Quando i segnali elettrici e chimici raggiungono un livello sufficientemente alto, i neurotrasmettitori vengono rilasciati nello spazio. I neurotrasmettitori attiveranno o inibiranno una reazione nel dendrite contattato. Pertanto, il processo inizia come una reazione elettrica nel neurone e nell'assone, si trasforma in una reazione chimica nello spazio e quindi si riconverte in una risposta elettrica nel dendrite. Questo processo continua da neurone a neurone alla velocità della luce. Come discusso più avanti in questo capitolo, il ruolo dei neurotrasmettitori nello spazio sinaptico è fondamentale per l'apprendimento. Da una prospettiva neuroscientifica, l'apprendimento è un cambiamento nella ricettività delle cellule determinato da connessioni neurali formate, rafforzate e connesse con altre attraverso l'uso (Jensen, 2005; Wolfe, 2001).

Il cervello umano adulto (cervello) pesa approssimativamente tre libbre ed è circa delle dimensioni di un cantalupo o di un grosso pompelmo (Tolson, 2006; Wolfe, 2001). La sua consistenza esterna presenta una serie di pieghe ed è rugosa nell'aspetto, simile a un cavolfiore. La sua composizione è per lo più acqua (78%), con il resto costituito da grassi e proteine. La sua consistenza è generalmente morbida. Le principali strutture cerebrali coinvolte nell'apprendimento sono mostrate nella Figura 2.2 (Byrnes, 2001; Jensen, 2005; Wolfe, 2001) e descritte di seguito.

Corteccia cerebrale

A ricoprire il cervello c'è la corteccia cerebrale, che è un sottile strato dello spessore di una buccia d'arancia (meno di 1/4 di pollice). La corteccia cerebrale è la "materia grigia" rugosa del cervello. Le rughe consentono alla corteccia cerebrale di avere una maggiore superficie, il che consente un maggior numero di neuroni e connessioni neurali. La corteccia cerebrale ha due emisferi (destro e sinistro), ciascuno dei quali ha quattro lobi (occipitale, parietale, temporale e frontale). La corteccia è l'area centrale coinvolta nell'apprendimento, nella memoria e nell'elaborazione delle informazioni sensoriali.

Tronco encefalico e formazione reticolare

Alla base del cervello si trova il tronco encefalico. Il tronco encefalico gestisce le funzioni del SNA (involontarie) attraverso la sua formazione reticolare, che è una rete di neuroni e fibre che regola il controllo di funzioni corporee di base come la respirazione, la frequenza cardiaca, la pressione sanguigna, il movimento dei bulbi oculari, la salivazione e il gusto. La formazione reticolare è anche coinvolta nei livelli di consapevolezza (ad esempio, sonno, veglia). Ad esempio, quando si entra in una stanza silenziosa e buia, la formazione reticolare diminuisce l'attivazione cerebrale e consente di dormire. La formazione reticolare aiuta anche a controllare gli input sensoriali. Sebbene siamo costantemente bombardati da molteplici stimoli, la formazione reticolare ci consente di concentrarci sugli stimoli rilevanti. Questo è fondamentale per l'attenzione e la percezione (Capitolo 5), che sono componenti chiave del sistema di elaborazione delle informazioni umane. Infine, la formazione reticolare produce molti dei messaggeri chimici per il cervello.

Cervelletto

Il cervelletto nella parte posteriore del cervello regola l'equilibrio del corpo, il controllo muscolare, il movimento e la postura del corpo. Sebbene queste attività siano in gran parte sotto controllo cosciente (e quindi dominio della corteccia), la corteccia non ha tutte le attrezzature necessarie per regolarle. Lavora di concerto con il cervelletto per coordinare i movimenti. Il cervelletto è la chiave per l'acquisizione di abilità motorie. Con la pratica, molte abilità motorie diventano automatiche (ad esempio, suonare il piano, guidare un'auto). Questa automaticità si verifica perché il cervelletto assume gran parte del controllo, il che consente alla corteccia di concentrarsi su attività che richiedono coscienza (ad esempio, pensare, risolvere problemi).

Talamo e ipotalamo

Sopra il tronco encefalico ci sono due strutture delle dimensioni di una noce: il talamo e l'ipotalamo. Il talamo funge da ponte inviando input dagli organi di senso (eccetto l'olfatto) alla corteccia. L'ipotalamo fa parte del SNA. Controlla le funzioni corporee necessarie per mantenere l'omeostasi, come la temperatura corporea, il sonno, l'acqua e il cibo. L'ipotalamo è anche responsabile dell'aumento della frequenza cardiaca e della respirazione quando ci spaventiamo o stressiamo.

Amigdala

L'amigdala è coinvolta nel controllo delle emozioni e dell'aggressività. Gli input sensoriali in arrivo (eccetto l'olfatto, che viaggia direttamente alla corteccia) vanno al talamo, che a sua volta trasmette le informazioni all'area appropriata della corteccia e all'amigdala. La funzione dell'amigdala è valutare la dannosità degli input sensoriali. Se riconosce uno stimolo potenzialmente dannoso, segnala l'ipotalamo, che crea i cambiamenti emotivi sopra menzionati (ad esempio, aumento della frequenza cardiaca e della pressione sanguigna).

Ippocampo

L'ippocampo è la struttura cerebrale responsabile della memoria del passato immediato. Quanto è lungo il passato immediato? Come vedremo nel Capitolo 5, non esiste un criterio oggettivo per ciò che costituisce la memoria immediata e a lungo termine (permanente). Apparentemente l'ippocampo aiuta a stabilire le informazioni nella memoria a lungo termine (che risiede nella corteccia), ma mantiene il suo ruolo nell'attivare tali informazioni secondo necessità. Pertanto, l'ippocampo può essere coinvolto nella memoria (di lavoro) attualmente attiva. Una volta che le informazioni sono completamente codificate nella memoria a lungo termine, l'ippocampo può rinunciare al suo ruolo.

Corpo calloso

Correndo lungo il cervello (cervello) dalla parte anteriore a quella posteriore c'è una fascia di fibre nota come corpo calloso. Divide il cervello in due metà, o emisferi, e li collega per l'elaborazione neurale. Questo è fondamentale, perché gran parte dell'elaborazione mentale avviene in più di un luogo nel cervello e spesso coinvolge entrambi gli emisferi.

Lobo occipitale

I lobi occipitali del cervello si occupano principalmente dell'elaborazione delle informazioni visive. Il lobo occipitale è anche noto come corteccia visiva. Ricorda che gli stimoli visivi vengono prima ricevuti dal talamo, che quindi invia questi segnali ai lobi occipitali. Molte funzioni si verificano qui che coinvolgono la determinazione del movimento, del colore, della profondità, della distanza e di altre caratteristiche visive. Una volta che queste determinazioni si sono verificate, gli stimoli visivi vengono confrontati con ciò che è memorizzato nella memoria per determinare il riconoscimento (percezione). Pertanto, un oggetto che corrisponde a un modello memorizzato viene riconosciuto. Quando non c'è corrispondenza, un nuovo stimolo viene codificato nella memoria. La corteccia visiva deve comunicare con altri sistemi cerebrali per determinare se uno stimolo visivo corrisponde a un modello memorizzato (Gazzaniga, Ivry e Mangun, 1998). L'importanza dell'elaborazione visiva nell'apprendimento è evidenziata nella vignetta di apertura di Joe.

Le persone possono controllare facilmente la loro percezione visiva costringendosi a prestare attenzione a determinate caratteristiche dell'ambiente e a ignorarne altre. Ad esempio, se stiamo cercando un amico in una folla, possiamo ignorare migliaia di stimoli visivi e concentrarci solo su quegli stimoli (ad esempio, le caratteristiche facciali) che ci aiuteranno a determinare se il nostro amico è presente. Gli insegnanti usano questa idea chiedendo agli studenti di prestare attenzione alle visualizzazioni e informandoli degli obiettivi della lezione all'inizio della lezione.

Lobo parietale

I lobi parietali nella parte superiore del cervello nel cervello sono responsabili del senso del tatto e aiutano a determinare la posizione del corpo e a integrare le informazioni visive. I lobi parietali hanno sezioni anteriori (anteriori) e posteriori (posteriori). La parte anteriore riceve informazioni dal corpo riguardanti tatto, temperatura, posizione del corpo e sensazioni di dolore e pressione (Wolfe, 2001). Ogni parte del corpo ha determinate aree nella parte anteriore che ricevono le sue informazioni e rendono accurata l'identificazione.

La porzione posteriore integra le informazioni tattili per fornire consapevolezza spaziale del corpo, o sapere dove sono le parti del tuo corpo in ogni momento. I lobi parietali possono anche aumentare o diminuire l'attenzione a varie parti del corpo. Ad esempio, un dolore alla gamba sarà ricevuto e identificato dal lobo parietale, ma se stai guardando un film divertente e ci stai prestando molta attenzione, potresti "dimenticare" il dolore alla gamba.

Lobo temporale

I lobi temporali, situati sul lato del cervello, sono responsabili dell'elaborazione delle informazioni uditive. Quando viene ricevuto un input uditivo, come una voce o un altro suono, tali informazioni vengono elaborate e trasmesse alla memoria uditiva per determinare il riconoscimento. Tale riconoscimento può quindi portare all'azione. Ad esempio, quando un insegnante dice agli studenti di riporre i libri e mettersi in fila alla porta, tali informazioni uditive vengono elaborate e riconosciute e quindi portano all'azione appropriata.

Situata dove i lobi occipitale, parietale e temporale si intersecano nell'emisfero sinistro della corteccia si trova l'area di Wernicke, che ci consente di comprendere il linguaggio e di usare la sintassi corretta quando parliamo. Questa area lavora a stretto contatto con un'altra area nel lobo frontale dell'emisfero sinistro nota come area di Broca, che è necessaria per parlare. Sebbene queste aree chiave di elaborazione del linguaggio siano situate nell'emisfero sinistro (ma l'area di Broca si trova nell'emisfero destro per alcune persone, come spiegato in seguito), molte parti del cervello lavorano insieme per comprendere e produrre il linguaggio. Il linguaggio è discusso in maggiore dettaglio più avanti in questo capitolo.

Lobo frontale

Come suggerisce il nome, i lobi frontali si trovano nella parte anteriore del cervello. I lobi frontali costituiscono la parte più grande della corteccia. Le loro funzioni centrali sono elaborare le informazioni relative alla memoria, alla pianificazione, al processo decisionale, alla definizione degli obiettivi e alla creatività. I lobi frontali contengono anche la corteccia motoria primaria che regola i movimenti muscolari.

Si potrebbe sostenere che i lobi frontali nel cervello ci distinguono più chiaramente dagli animali inferiori e persino dai nostri antenati delle generazioni passate. I lobi frontali si sono evoluti per assumere funzioni sempre più complesse. Ci consentono di pianificare e prendere decisioni consapevoli, risolvere problemi e conversare con gli altri. Inoltre, questi lobi ci forniscono la consapevolezza dei nostri processi mentali, una forma di metacognizione.

Correndo dalla sommità del cervello verso le orecchie c'è una striscia di cellule nota come corteccia motoria primaria. Questa area è l'area che controlla i movimenti del corpo. Pertanto, se mentre balli l'"Hokey Pokey" pensi "metti dentro il tuo piede destro", è la corteccia motoria che ti ordina di mettere dentro il tuo piede destro. Ogni parte del corpo è mappata in una posizione particolare nella corteccia motoria, in modo che un segnale da una certa parte della corteccia porti al movimento corretto.

Davanti alla corteccia motoria c'è l'area di Broca, che è la posizione che governa la produzione del linguaggio. Questa area si trova nell'emisfero sinistro per circa il 95% delle persone; per l'altro 5% (30% dei mancini) questa area si trova nell'emisfero destro (Wolfe, 2001). Non sorprende che questa area sia collegata all'area di Wernicke nel lobo temporale sinistro con fibre nervose. Il linguaggio si forma nell'area di Wernicke e viene quindi trasferito all'area di Broca per essere prodotto (Wolfe, 2001).

La parte anteriore del lobo frontale, o corteccia prefrontale, è proporzionalmente più grande negli esseri umani che in altri animali. È qui che si verificano le forme più elevate di attività mentale (Ackerman, 1992). Il Capitolo 5 spiega come vengono create le associazioni di elaborazione delle informazioni cognitive nel cervello. La corteccia prefrontale è l'area chiave per queste associazioni, perché le informazioni ricevute dai sensi sono correlate alle informazioni memorizzate nella memoria. In breve, la sede dell'apprendimento sembra essere nella corteccia prefrontale. È anche il regolatore della coscienza, permettendoci di essere consapevoli di ciò che stiamo pensando, provando e facendo. Come spiegato in seguito, la corteccia prefrontale sembra essere coinvolta nella regolazione delle emozioni.

La tabella 'Funzioni chiave delle aree del cervello' riassume le funzioni chiave di ciascuna delle principali aree del cervello (Byrnes, 2001; Jensen, 2005; Wolfe, 2001). Quando si esamina questa tabella, tenere presente che nessuna parte del cervello funziona in modo indipendente. Piuttosto, le informazioni (sotto forma di impulsi neurali) vengono trasferite rapidamente tra le aree del cervello. Sebbene molte funzioni cerebrali siano localizzate, diverse parti del cervello sono coinvolte anche in compiti semplici. Pertanto, ha poco senso etichettare qualsiasi funzione cerebrale come residente in una sola area, come evidenziato nella vignetta di apertura di Emma.

Oggi sappiamo molto di più sul funzionamento del cervello rispetto al passato, ma il cervello è stato studiato per molti anni. Le funzioni degli emisferi sinistro e destro sono state oggetto di un continuo dibattito. Wolfe (2001) ha osservato che intorno al 400 a.C. Ippocrate parlava della dualità del cervello. Cowey (1998) ha riferito che nel 1870 i ricercatori stimolavano elettricamente diverse parti del cervello di animali e soldati con lesioni alla testa. Hanno scoperto che la stimolazione di alcune parti del cervello causava movimenti in diverse parti del corpo. L'idea che il cervello abbia un emisfero principale fu proposta già nel 1874 (Binney & Janson, 1990).

È noto da molti anni che, in generale, l'emisfero sinistro governa il campo visivo destro e il lato del corpo destro, mentre l'emisfero destro regola il campo visivo sinistro e il lato del corpo sinistro. Tuttavia, i due emisferi sono uniti da fasci di fibre, il più grande dei quali è il corpo calloso. Gazzaniga, Bogen e Sperry (1962) hanno dimostrato che il linguaggio è controllato in gran parte dall'emisfero sinistro. Questi ricercatori hanno scoperto che quando il corpo calloso veniva reciso, i pazienti che tenevano un oggetto fuori dalla vista nella mano sinistra affermavano di non tenere nulla. Apparentemente, senza lo stimolo visivo e poiché la mano sinistra comunica con l'emisfero destro, quando questo emisfero riceveva l'input, non poteva produrre un nome (perché il linguaggio è localizzato nell'emisfero sinistro) e, con un corpo calloso reciso, l'informazione non poteva essere trasferita all'emisfero sinistro.

La ricerca sul cervello ha anche identificato altre funzioni localizzate. Il pensiero analitico sembra essere centrato nell'emisfero sinistro, mentre l'elaborazione spaziale, uditiva, emotiva e artistica si verifica nell'emisfero destro (ma l'emisfero destro apparentemente elabora le emozioni negative e l'emisfero sinistro elabora le emozioni positive; Ornstein, 1997). La musica viene elaborata meglio nell'emisfero destro; la direzionalità, nell'emisfero destro; e il riconoscimento facciale, nell'emisfero sinistro.

L'emisfero destro svolge anche un ruolo fondamentale nell'interpretazione dei contesti (Wolfe, 2001). Ad esempio, supponiamo che qualcuno senta una notizia e dica: “È fantastico!” Questo potrebbe significare che la persona pensa che la notizia sia meravigliosa o orribile. Il contesto determina il significato corretto (ad es. se l'oratore è sincero o sarcastico). Il contesto può essere ricavato dall'intonazione, dalle espressioni facciali e dai gesti delle persone e dalla conoscenza di altri elementi della situazione. Sembra che l'emisfero destro sia la posizione principale per l'assemblaggio di informazioni contestuali in modo che possa essere fatta un'interpretazione corretta.

Poiché le funzioni sono localizzate nelle sezioni del cervello, è stato allettante postulare che le persone altamente verbali siano dominate dal loro emisfero sinistro (cervello sinistro), mentre quelle più artistiche ed emotive siano controllate dal loro emisfero destro (cervello destro). Ma questa è una conclusione semplicistica e fuorviante, come ora si rendono conto gli educatori nello scenario di apertura. Sebbene gli emisferi abbiano funzioni localizzate, sono anche collegati e c'è molto passaggio di informazioni (impulsi neurali) tra di loro. È probabile che pochissima elaborazione mentale avvenga solo in un emisfero (Ornstein, 1997). Inoltre, potremmo chiederci quale emisfero governa gli individui che sono sia altamente verbali che emotivi (ad es. oratori appassionati).

Gli emisferi lavorano di concerto; le informazioni sono disponibili a entrambi in ogni momento. Il discorso offre un buon esempio. Se stai conversando con un amico, è il tuo emisfero sinistro che ti consente di produrre il discorso, ma è il tuo emisfero destro che fornisce il contesto e ti aiuta a comprendere il significato.

C'è molto dibattito tra i neuroscienziati cognitivi sull'estensione della lateralizzazione. Alcuni sostengono che funzioni cognitive specifiche sono localizzate in regioni specifiche del cervello, mentre altri ritengono che diverse regioni abbiano la capacità di svolgere vari compiti (Byrnes & Fox, 1998). Questo dibattito rispecchia quello della psicologia cognitiva tra la visione tradizionale secondo cui la conoscenza è codificata localmente e la visione dell'elaborazione distribuita parallela (vedi il Capitolo 5) secondo cui la conoscenza non è codificata in un'unica posizione ma piuttosto attraverso molte reti di memoria (Bowers, 2009).

Ci sono prove di ricerca a sostegno di entrambe le posizioni. Diverse parti del cervello hanno funzioni diverse, ma le funzioni raramente, se non mai, sono completamente localizzate in una sezione del cervello. Ciò è particolarmente vero per le operazioni mentali complesse, che dipendono da diverse operazioni mentali di base le cui funzioni possono essere distribuite in diverse aree. Come hanno sostenuto Byrnes e Fox (1998), “quasi ogni compito richiede la partecipazione di entrambi gli emisferi, ma gli emisferi sembrano elaborare alcuni tipi di informazioni in modo più efficiente di altri” (p. 310). Dal punto di vista educativo, quindi, la pratica di insegnare a diversi lati del cervello (cervello destro, cervello sinistro) non è supportata dalla ricerca empirica.

Una ragione per cui oggi sappiamo molto di più sul funzionamento del SNC rispetto al passato è che c'è stata una convergenza di interessi nella ricerca sul cervello tra persone di diversi settori. Storicamente, le indagini sul cervello erano condotte principalmente da ricercatori in medicina, scienze biologiche e psicologia. Nel corso degli anni, persone di altri settori hanno mostrato un maggiore interesse per la ricerca sul cervello, credendo che i risultati della ricerca avrebbero avuto implicazioni per gli sviluppi nei loro settori. Oggi troviamo educatori, sociologi, assistenti sociali, consulenti, funzionari governativi (soprattutto quelli del sistema giudiziario) e altri interessati alla ricerca sul cervello. Anche i finanziamenti per la ricerca sul cervello sono aumentati, anche da parte di agenzie che finanziano principalmente ricerche non correlate al cervello (ad esempio, l'istruzione).

Un altro motivo della nostra maggiore conoscenza è che ci sono stati enormi progressi nella tecnologia per condurre ricerche sul cervello. Molti anni fa, l'unico modo per eseguire ricerche sul cervello era condurre un'autopsia. Sebbene l'esame del cervello di persone decedute abbia fornito informazioni utili, questo tipo di ricerca non può determinare come il cervello funziona ed elabora le informazioni. Queste ultime informazioni sono necessarie per sviluppare la comprensione di come il cervello cambia durante l'apprendimento e utilizza le informazioni apprese per produrre azioni e nuovo apprendimento.

Le tecniche che hanno fornito informazioni utili sono discusse di seguito e riassunte nella Tabella. Queste sono ordinate approssimativamente dalla meno alla più sofisticata.

Raggi X

I raggi X sono onde elettromagnetiche ad alta frequenza che possono passare attraverso oggetti non metallici dove vengono assorbite dalle strutture del corpo (Wolfe, 2001). I raggi non assorbiti colpiscono una lastra fotografica. L'interpretazione si basa su aree chiare e scure (sfumature di grigio). I raggi X sono bidimensionali e sono più utili per le strutture solide, come determinare se ti sei rotto un osso. Non funzionano particolarmente bene nel cervello perché è composto da tessuti molli, anche se i raggi X possono determinare danni al cranio (una struttura ossea).

TAC

Le TAC (tomografia assiale computerizzata) sono state sviluppate nei primi anni '70 per aumentare le gradazioni nelle sfumature di grigio prodotte dai raggi X. Le TAC utilizzano la tecnologia dei raggi X ma migliorano le immagini da due a tre dimensioni. Le TAC sono utilizzate dai medici per indagare su tumori e altre anomalie, ma, come i raggi X, non forniscono informazioni dettagliate sul funzionamento del cervello.

EEG

L'EEG (elettroencefalogramma) è un metodo di imaging che misura i modelli elettrici creati dai movimenti dei neuroni (Wolfe, 2001). Gli elettrodi posti sul cuoio capelluto rilevano gli impulsi neurali che passano attraverso il cranio. La tecnologia EEG ingrandisce i segnali e li registra su un monitor o su un grafico di carta (onde cerebrali). La frequenza delle onde cerebrali (oscillazioni) aumenta durante l'attività mentale e diminuisce durante il sonno. Gli EEG si sono rivelati utili per visualizzare alcuni tipi di disturbi cerebrali (ad esempio, epilessia, linguaggio), nonché per monitorare i disturbi del sonno (Wolfe, 2001). Gli EEG forniscono preziose informazioni temporali attraverso i potenziali correlati agli eventi (vedere la sezione, Sviluppo del linguaggio), ma non possono rilevare il tipo di informazioni spaziali (cioè, dove si verifica l'attività) necessarie per indagare a fondo sull'apprendimento.

PET

Le scansioni PET (tomografia a emissione di positroni) consentono di indagare sull'attività cerebrale mentre un individuo esegue compiti. Alla persona viene iniettata una piccola dose di glucosio radioattivo, che il sangue trasporta al cervello. Mentre è nello scanner PET, l'individuo esegue compiti mentali. Quelle aree del cervello che vengono coinvolte utilizzano più glucosio e producono raggi gamma, che vengono rilevati dall'apparecchiatura. Ciò porta alla produzione di immagini (mappe) a colori computerizzate che mostrano aree di attività.

Sebbene le scansioni PET rappresentino un progresso nella tecnologia di imaging cerebrale, la loro utilità è limitata. Poiché la procedura richiede l'ingestione di materiale radioattivo, c'è un limite al numero di sessioni che si possono fare e al numero di immagini che si possono produrre contemporaneamente. Inoltre, la produzione delle immagini è un processo relativamente lento, quindi la velocità con cui si verifica l'attività neurale non può essere completamente catturata. Sebbene la scansione PET dia una buona idea dell'attività cerebrale complessiva, non mostra le aree specifiche di attività con sufficiente dettaglio (Wolfe, 2001).

RM e fRM

La risonanza magnetica (RM) e la più recente risonanza magnetica funzionale (fRM) sono tecniche di imaging cerebrale che affrontano i problemi delle scansioni PET. In una RM, un fascio di onde radio viene diretto al cervello. Il cervello è composto principalmente da acqua, che contiene atomi di idrogeno. Le onde radio fanno sì che gli atomi di idrogeno producano segnali radio, che vengono rilevati da sensori e mappati su un'immagine computerizzata. Il livello di dettaglio è superiore a quello di una TAC e le RM sono comunemente utilizzate per rilevare tumori, lesioni e altre anomalie (Wolfe, 2001).

La fRM funziona in modo molto simile alla RM, tranne per il fatto che alle persone viene richiesto di eseguire compiti mentali o comportamentali. Mentre lo fanno, le parti del cervello responsabili attivano i neuroni, il che fa affluire più sangue a queste regioni. Il flusso di sangue cambia il campo magnetico, quindi i segnali diventano più intensi. Lo scanner fRM rileva questi cambiamenti e li mappa su un'immagine computerizzata. Questa immagine può essere confrontata con un'immagine del cervello a riposo per rilevare i cambiamenti. La fRM può catturare l'attività cerebrale mentre si verifica e dove si verifica perché la fRM può registrare quattro immagini al secondo e perché il cervello impiega circa mezzo secondo per reagire a uno stimolo (Wolfe, 2001). C'è, tuttavia, una certa disparità temporale perché i cambiamenti del flusso di sangue possono richiedere diversi secondi per verificarsi (Varma, McCandliss & Schwartz, 2008).

Rispetto ad altri metodi, la fRM presenta molti vantaggi. Non richiede l'ingestione di una sostanza radioattiva. Funziona rapidamente e può misurare l'attività con precisione. Può registrare un'immagine del cervello in pochi secondi, il che è molto più veloce di altri metodi. E la fRM può essere ripetuta senza problemi.

Un problema con le tecnologie cerebrali è che devono essere utilizzate in contesti artificiali (ad esempio, laboratori), il che preclude la loro capacità di catturare l'apprendimento in aule attive. Questo problema può essere parzialmente risolto assegnando ai partecipanti compiti di apprendimento durante gli esperimenti cerebrali o sottoponendoli alla tecnologia immediatamente dopo che hanno sperimentato diversi contesti in classe (Varma et al., 2008). Inoltre, il campo della ricerca sul cervello sta cambiando rapidamente e le tecnologie vengono sviluppate e perfezionate. In futuro, possiamo aspettarci di vedere tecniche di maggiore sofisticazione che ci aiuteranno a individuare ulteriormente i processi cerebrali mentre si verifica l'apprendimento. Ora passiamo alla neurofisiologia dell'apprendimento, che affronta il modo in cui il cervello funziona per elaborare, integrare e utilizzare le informazioni.