組織と構造
中枢神経系(CNS)は脳と脊髄から構成され、身体の随意的行動(例:思考、行動)を制御する中心的な機構である。自律神経系(ANS)は、消化、呼吸、血液循環などに関わる不随意的活動を調節する。これらの神経系は完全に独立しているわけではない。例えば、人は心拍数を制御することを学ぶことができ、これは不随意的活動を随意的に制御していることを意味する。
脊髄の長さは約18インチで、太さは人差し指ほどである。脳の付け根から背中の中央を通り下方に伸びている。本質的には脳の延長である。その主な機能は、脳との間で信号を伝達することであり、脳と身体の他の部分との間の中央伝達者の役割を果たす。その上行路は身体の各部位からの信号を脳に運び、下行路は脳からの指令を適切な身体構造(例:運動を引き起こすため)に伝える。また、脊髄は脳から独立していくつかの反応(例:膝蓋腱反射)にも関与している。事故などによる脊髄の損傷は、しびれから完全な麻痺に至るまでの症状を引き起こす可能性がある(Jensen, 2005; Wolfe, 2001)。
神経組織
中枢神経系(CNS)は、脳と脊髄にある何十億もの細胞から構成されている。細胞には、ニューロン(神経細胞)とグリア細胞という2つの主要な種類がある。神経組織の図を以下に示す。
ニューロン
脳と脊髄には約1000億個のニューロンが存在し、筋肉や器官との間で情報を送受信している(Wolfe, 2001)。体内のニューロンのほとんどは中枢神経系に存在する。ニューロンは、他の体細胞(例:皮膚、血液)とは2つの重要な点で異なっている。第一に、ほとんどの体細胞は定期的に再生する。この継続的な更新は望ましいものであり、例えば、切り傷を負った場合、新しい細胞が再生して損傷した細胞を置き換える。しかし、ニューロンは同じようには再生しない。脳卒中、病気、事故によって破壊された脳や脊髄の細胞は、永久に失われる可能性がある。しかしながら、肯定的な側面として、ニューロンがある程度の再生を示すという証拠も存在するが(Kempermann & Gage, 1999)、それがどの程度、またどのようなプロセスで起こるのかはよく理解されていない。
ニューロンが他の体細胞と異なるもう一つの点は、電気信号と化学反応によって互いに情報を伝達することである。したがって、ニューロンは他の体細胞とは異なる組織化をされている。この組織化については、本節の後半で論じる。
グリア細胞
中枢神経系における第二の種類の細胞はグリア細胞である。グリア細胞はニューロンよりもはるかに数が多い。グリア細胞はニューロンの働きを支えるため、支持細胞と考えることができる。ニューロンのように信号を伝達することはないが、そのプロセスを補助する。
グリア細胞は多くの機能を果たしている。主要な機能の一つは、ニューロンが良好な環境で活動できるようにすることである。グリア細胞は、ニューロンの活動を妨げる可能性のある化学物質を除去するのを助ける。また、死んだ脳細胞も除去する。もう一つの重要な機能は、グリア細胞がミエリン(髄鞘)を形成することである。ミエリンは軸索を覆う鞘状の構造で、脳信号の伝達を助ける(次節で詳述)。グリア細胞は、胎児の脳の発達においても重要な役割を果たしているようである(Wolfe, 2001)。このように、グリア細胞はニューロンと協調して働き、中枢神経系の効果的な機能を確保している。
シナプス
各ニューロンは、細胞体、数千の短い樹状突起、そして一つの軸索から構成される。樹状突起は、他の細胞から情報を受け取る細長い組織である。軸索は、他の細胞にメッセージを送る長い糸状の組織である。ミエリン鞘(髄鞘)が軸索を取り囲み、信号の伝達を促進する。
各軸索は分岐構造で終わる。これらの分岐構造の末端は、樹状突起の末端と接続する。この接続はシナプスとして知られている。メッセージはシナプスにおいてニューロン間で受け渡されるため、この相互接続された構造がニューロンの情報伝達の鍵となる。
ニューロンが情報を伝達するプロセスは複雑である。各軸索の末端には化学的な神経伝達物質が存在する。それらは他の細胞の樹状突起に完全には接触しておらず、その隙間はシナプス間隙と呼ばれる。電気信号と化学信号が十分に高いレベルに達すると、神経伝達物質が間隙に放出される。神経伝達物質は、接触した樹状突起の反応を活性化させるか、あるいは抑制するかのいずれかである。したがって、このプロセスはニューロンと軸索における電気的反応として始まり、間隙で化学的反応に変化し、そして樹状突起で再び電気的応答に変換される。このプロセスは、ニューロンからニューロンへと電光石火の速さで続く。本章で後述するように、シナプス間隙における神経伝達物質の役割は学習にとって極めて重要である。神経科学の観点から見ると、学習とは、使用を通じて神経結合が形成、強化され、他と接続されることによってもたらされる細胞の受容性の変化である(Jensen, 2005; Wolfe, 2001)。
脳の構造
人間の成人脳(大脳)は約3ポンドの重さで、カンタロープメロンや大きなグレープフルーツほどの大きさです(Tolson, 2006; Wolfe, 2001)。外側の質感は一連のひだがあり、カリフラワーに似たしわくちゃの外観をしています。その組成は主に水(78%)で、残りは脂肪とタンパク質です。その質感は一般的に柔らかいです。学習に関与する主要な脳の構造を、図2.2に示します(Byrnes, 2001; Jensen, 2005; Wolfe, 2001)。以下に説明します。
大脳皮質
脳を覆っているのは大脳皮質で、オレンジの皮ほどの薄い層(1/4インチ未満)です。大脳皮質は脳のしわくちゃの「灰白質」です。しわは大脳皮質の表面積を増やし、より多くのニューロンと神経接続を可能にします。大脳皮質には2つの半球(右と左)があり、それぞれに4つの葉(後頭葉、頭頂葉、側頭葉、前頭葉)があります。皮質は、学習、記憶、感覚情報の処理に関与する中心的な領域です。
脳幹と網様体
脳の底部には脳幹があります。脳幹は、網様体を介して自律神経系(不随意)機能を処理します。網様体は、呼吸、心拍数、血圧、眼球運動、唾液分泌、味覚などの基本的な身体機能の制御を調整するニューロンと線維のネットワークです。網様体は、意識レベル(睡眠、覚醒など)にも関与しています。たとえば、静かで暗い部屋に入ると、網様体は脳の活動を低下させ、睡眠を可能にします。網様体は、感覚入力の制御にも役立ちます。私たちは常に複数の刺激にさらされていますが、網様体は関連する刺激に焦点を当てることを可能にします。これは、人間の情報処理システムの重要な要素である注意と知覚(第5章)にとって重要です。最後に、網様体は脳の化学的メッセンジャーの多くを生成します。
小脳
脳の後ろにある小脳は、体のバランス、筋肉の制御、動き、体の姿勢を調整します。これらの活動は主に意識的な制御下にある(したがって、皮質の領域である)ものの、皮質はそれらを調整するために必要なすべての機器を持っているわけではありません。皮質は小脳と連携して動きを調整します。小脳は、運動技能の習得の鍵です。練習を重ねることで、多くの運動技能は自動化されます(ピアノを弾く、車を運転するなど)。この自動化は、小脳が制御の多くを引き継ぎ、皮質が意識を必要とする活動(思考、問題解決など)に集中できるために起こります。
視床と視床下部
脳幹の上には、2つのクルミほどの大きさの構造物があります。視床と視床下部です。視床は、感覚器官(嗅覚を除く)からの入力を皮質に送信することにより、橋として機能します。視床下部は自律神経系の一部です。体温、睡眠、水分、食物など、恒常性を維持するために必要な身体機能を制御します。視床下部はまた、私たちが怯えたりストレスを感じたりするときの心拍数と呼吸数の増加も担当します。
扁桃体
扁桃体は、感情と攻撃性の制御に関与しています。入ってくる感覚入力(嗅覚を除く。嗅覚は直接皮質に伝わる)は視床に行き、視床は情報を皮質の適切な領域と扁桃体に中継します。扁桃体の機能は、感覚入力の有害性を評価することです。潜在的に有害な刺激を認識すると、視床下部に信号を送り、視床下部が上記の感情的な変化(心拍数と血圧の上昇など)を引き起こします。
海馬
海馬は、すぐ過去の記憶を担当する脳の構造です。すぐ過去とはどのくらいの長さですか?第5章で見るように、即時記憶と長期(永続的)記憶を構成するものに対する客観的な基準はありません。明らかに、海馬は長期記憶(皮質に存在する)に情報を確立するのに役立ちますが、必要に応じてその情報をアクティブにする役割を維持します。したがって、海馬は現在アクティブな(作業)記憶に関与している可能性があります。情報が長期記憶に完全にエンコードされると、海馬はその役割を放棄する可能性があります。
脳梁
脳(大脳)に沿って前から後ろに走っているのは、脳梁として知られる線維の帯です。これは、大脳を2つの半分、つまり半球に分割し、神経処理のためにそれらを接続します。これは非常に重要です。なぜなら、多くの精神処理は脳の複数の場所で発生し、多くの場合、両方の半球が関与するからです。
後頭葉
大脳の後頭葉は、主に視覚情報の処理に関係しています。後頭葉は、視覚皮質としても知られています。視覚刺激は最初に視床によって受信され、次にこれらの信号が後頭葉に送信されることを思い出してください。ここでは、動き、色、奥行き、距離、その他の視覚的特徴を決定することを含む多くの機能が発生します。これらの決定が行われると、視覚刺激は記憶に保存されているものと比較されて、認識(知覚)が決定されます。したがって、保存されたパターンに一致するオブジェクトは認識されます。一致するものがない場合、新しい刺激が記憶にエンコードされます。視覚皮質は、視覚刺激が保存されたパターンと一致するかどうかを判断するために、他の脳システムと通信する必要があります(Gazzaniga, Ivry, & Mangun, 1998)。学習における視覚処理の重要性は、ジョーによる冒頭のビネットで強調されています。
人々は、環境の特定の機能に注意を払い、他の機能を無視するように強制することによって、視覚的知覚を容易に制御できます。たとえば、群衆の中で友達を探している場合、何千もの視覚刺激を無視して、友達が存在するかどうかを判断するのに役立つ刺激(顔の特徴など)のみに焦点を当てることができます。教師は、生徒に視覚ディスプレイに注意を払うように求め、レッスンの開始時にレッスンの目的を知らせることによって、このアイデアを使用します。
頭頂葉
大脳の脳の上部にある頭頂葉は、触覚を担当し、体の位置を決定し、視覚情報を統合するのに役立ちます。頭頂葉には、前部(正面)と後部(背面)のセクションがあります。前部は、触覚、温度、体の位置、および痛みと圧力の感覚に関する情報を体から受信します(Wolfe, 2001)。体の各部分は、その情報を受信し、識別を正確にする前部の特定の領域を持っています。
後部部分は、触覚情報を統合して、空間的な身体認識、つまり体の各部分が常にどこにあるかを知ることを提供します。頭頂葉はまた、さまざまな体の部分への注意を増減させることもできます。たとえば、脚の痛みは頭頂葉によって受信および識別されますが、楽しい映画を見ていてそれに注意を払っている場合、脚の痛みを「忘れてしまう」可能性があります。
側頭葉
大脳の側面にある側頭葉は、聴覚情報の処理を担当しています。音声やその他の音などの聴覚入力が受信されると、その情報が処理され、聴覚記憶に送信されて認識が決定されます。その認識は、行動につながる可能性があります。たとえば、教師が生徒に本を片付けてドアのところに並ぶように言うと、その聴覚情報が処理および認識され、適切な行動につながります。
皮質の左半球にある後頭葉、頭頂葉、側頭葉が交差する場所に位置するのは、ウェルニッケ野です。これにより、私たちはスピーチを理解し、スピーチ時に適切な構文を使用できます。この領域は、ブローカ野として知られる左半球の前頭葉にある別の領域と密接に連携しており、スピーチに必要です。これらの主要な言語処理領域は左半球にありますが(ただし、ブローカ野は一部の人にとっては右半球にあります。これについては後で説明します)、脳の多くの部分が連携して言語を理解し、生成します。言語については、この章の後半で詳しく説明します。
前頭葉
名前が示すように、前頭葉は大脳の正面にあります。前頭葉は皮質の大部分を占めています。それらの中央機能は、記憶、計画、意思決定、目標設定、および創造性に関する情報を処理することです。前頭葉には、筋肉の動きを調整する主要な運動皮質も含まれています。
脳の前頭葉は、私たちを下等動物や過去の世代の祖先と最も明確に区別するものであると主張されるかもしれません。前頭葉は、これまで以上に複雑な機能を果たすように進化してきました。これにより、計画を立てて意識的な決定を下し、問題を解決し、他の人と会話することができます。さらに、これらの葉は私たちに精神的プロセスの意識、つまりメタ認知の形式を提供します。
脳の上部から耳に向かって走っているのは、主要な運動皮質として知られる細胞の帯です。この領域は、体の動きを制御する領域です。したがって、「ホーキーポーキー」を踊っているときに「右足を入れろ」と思ったら、右足を入れるように指示するのは運動皮質です。体の各部分は運動皮質の特定の場所にマッピングされているため、皮質の特定の部分からの信号は、適切な動きにつながります。
運動皮質の正面にあるのはブローカ野で、これはスピーチの生成を制御する場所です。この領域は約95%の人々にとって左半球に位置しています。他の5%(左利きの30%)にとって、この領域は右半球にあります(Wolfe, 2001)。驚くことではありませんが、この領域は神経線維で左側頭葉のウェルニッケ野にリンクされています。スピーチはウェルニッケ野で形成され、生成するためにブローカ野に転送されます(Wolfe, 2001)。
前頭葉の正面、つまり前頭前皮質は、他の動物よりも人間の方が比例して大きくなっています。ここでは、最も高度な精神活動が発生します(Ackerman, 1992)。第5章では、認知情報処理の関連付けが脳内でどのように行われるかについて説明します。前頭前皮質はこれらの関連付けの重要な領域です。なぜなら、感覚から受信した情報が記憶に保存された情報に関連付けられているからです。要するに、学習の座席は前頭前皮質にあるようです。また、意識のレギュレーターでもあり、私たちが考えていること、感じていること、行っていることを認識することができます。後で説明するように、前頭前皮質は感情の調節に関与しているようです。
表「脳の領域の主要な機能」は、各主要な脳領域の主要な機能を要約しています(Byrnes, 2001; Jensen, 2005; Wolfe, 2001)。この表を確認するときは、脳のどの部分も単独では機能しないことを覚えておいてください。むしろ、情報(神経インパルスの形式)は脳の領域間で迅速に転送されます。多くの脳機能は局在化されていますが、単純なタスクでさえ脳のさまざまな部分が関与しています。したがって、エマによる冒頭のビネットで述べられているように、脳の機能を1つの領域にのみ存在するものとしてラベル付けするのは意味がありません。
局在化と相互接続
今日、脳の働きについて、これまで以上に多くのことがわかっていますが、脳の研究は長年にわたって続けられています。左半球と右半球の機能については、議論が続けられています。Wolfe(2001)は、紀元前400年頃にヒポクラテスが脳の二重性について語ったと述べています。Cowey(1998)は、1870年に研究者たちが動物や頭部外傷を負った兵士の脳のさまざまな部分を電気的に刺激したと報告しました。その結果、脳の特定の部分を刺激すると、体のさまざまな部分が動くことがわかりました。脳には主要な半球があるという考えは、早くも1874年に提唱されました(Binney & Janson, 1990)。
一般的に、左半球は右側の視野と体の右側を支配し、右半球は左側の視野と体の左側を調節することが長年知られています。しかし、2つの半球は線維の束でつながっており、その中で最も大きいのが脳梁です。Gazzaniga、Bogen、Sperry(1962)は、言語が主に左半球によって制御されていることを示しました。これらの研究者は、脳梁が切断された場合、左手に隠された物を持った患者は、何も持っていないと主張することを発見しました。視覚的な刺激がなく、左手が右半球と通信するため、右半球が入力を受信した場合、名前を生成できず(言語は左半球に局在しているため)、脳梁が切断されていると、情報は左半球に転送できないようです。
| 領域 | 主要な機能 |
|---|---|
| 大脳皮質 | 感覚情報を処理する。さまざまな学習および記憶機能を調節する |
| 網様体 | 身体機能(呼吸や血圧など)、覚醒、睡眠-覚醒を制御する |
| 小脳 | 体のバランス、姿勢、筋肉の制御、運動、運動技能の習得を調節する |
| 視床 | 感覚からの入力を皮質に送信する(嗅覚を除く) |
| 視床下部 | 恒常的な身体機能(体温、睡眠、水分、食物など)を制御する。ストレス時に心拍数と呼吸数を増加させる |
| 扁桃体 | 感情と攻撃性を制御する。感覚入力の有害性を評価する |
| 海馬 | 直近の過去とワーキングメモリの記憶を保持する。長期記憶に情報を確立する |
| 脳梁 | 右半球と左半球を接続する |
| 後頭葉 | 視覚情報を処理する |
| 頭頂葉 | 触覚情報を処理する。体の位置を決定する。視覚情報を統合する |
| 側頭葉 | 聴覚情報を処理する |
| 前頭葉 | 記憶、計画、意思決定、目標設定、創造性のための情報を処理する。筋肉運動を調節する(一次運動皮質) |
| ブローカ野 | 音声の生成を制御する |
| ウェルニッケ野 | 音声を理解する。話すときに適切な構文の使用を調節する |
脳の研究では、他の局在化された機能も特定されています。分析的思考は左半球に集中しているようですが、空間的、聴覚的、感情的、芸術的な処理は右半球で行われます(ただし、右半球は否定的な感情を処理し、左半球は肯定的な感情を処理するようです。Ornstein、1997)。音楽は右半球でより良く処理されます。方向性は右半球で、顔認識は左半球で行われます。
右半球は、文脈を解釈する上で重要な役割も果たします(Wolfe、2001)。たとえば、誰かがニュースを聞いて「それは素晴らしい!」と言ったとします。これは、その人がニュースを素晴らしいと思っているか、ひどいと思っているかのどちらかを意味する可能性があります。文脈によって正しい意味が決まります(たとえば、話し手が誠実であるか皮肉であるか)。文脈は、イントネーション、人々の表情やジェスチャー、および状況における他の要素の知識から得られます。右半球は、適切な解釈を行うことができるように、文脈情報を組み立てるための主要な場所であるようです。
機能は脳のセクションに局在化されているため、非常に言語能力の高い人は左半球(左脳)に支配されており、より芸術的で感情的な人は右半球(右脳)によって制御されていると仮定したくなるかもしれません。しかし、これは単純化された誤解を招く結論であり、冒頭のシナリオの教育者たちが今認識しているように、半球には局在化された機能がありますが、それらは接続されており、それらの間で多くの情報のやり取り(神経インパルス)があります。精神的な処理は、1つの半球でのみ行われる可能性はほとんどありません(Ornstein、1997)。さらに、非常に言語能力が高く、感情的な人(たとえば、熱心な講演者)は、どの半球が支配しているのかを尋ねるかもしれません。
半球は協調して機能します。情報は常に両方の半球で利用できます。スピーチは良い例です。友人と会話している場合、スピーチを生成できるのは左半球ですが、文脈を提供し、意味を理解するのに役立つのは右半球です。
認知神経科学者の間では、側性化の程度について多くの議論があります。特定の認知機能は脳の特定の領域に局在していると主張する人もいれば、異なる領域がさまざまなタスクを実行する能力を持っていると信じている人もいます(Byrnes&Fox、1998)。この議論は、知識がローカルにコード化されているという伝統的な見方と、知識が1つの場所ではなく、多くの記憶ネットワークにわたってコード化されているという並列分散処理の見方(第5章を参照)との間の認知心理学における議論を反映しています(Bowers、2009)。
両方の立場を支持する研究証拠があります。脳の異なる部分は異なる機能を持っていますが、機能が脳の1つのセクションに完全に局在化することはめったにありません。これは、いくつかの基本的な精神的操作に依存する複雑な精神的操作に特に当てはまり、その機能はいくつかの領域に広がっている可能性があります。Byrnes and Fox(1998)が主張したように、「ほぼすべてのタスクは両方の半球の参加を必要としますが、半球は特定の種類の情報を他の半球よりも効率的に処理するようです」(p.310)。教育的に言えば、したがって、脳の異なる側面(右脳、左脳)に教えるという慣行は、経験的研究によって支持されていません。
脳研究の方法
今日、これまで以上に中枢神経系の働きについて多くのことがわかっている理由の一つは、さまざまな分野の人々の間で脳研究への関心が集まっていることです。歴史的に、脳の研究は主に医学、生物科学、心理学の研究者によって行われていました。長年にわたり、他の分野の人々も脳研究に関心を寄せるようになり、研究結果が自分たちの分野の発展に影響を与えるだろうと信じています。今日、教育者、社会学者、ソーシャルワーカー、カウンセラー、政府職員(特に司法制度に携わる人々)など、脳研究に関心を持つ人々を見出すことができます。脳研究への資金提供も増えており、主に脳関連以外の研究(例えば、教育)に資金を提供する機関によるものも含まれています。
左右の脳半球への教育
脳研究によれば、多くの学術的な内容は主に左半球で処理されますが、右半球は文脈を処理します。教育における一般的な不満は、教育が文脈にほとんど注意を払わず、内容に偏りすぎていることです。内容に偏った教育は、人生の出来事とは無関係で、ほとんど意味のない学生の学習を生み出す可能性があります。これらの点は、学習を有意義なものにし、それによってより広範な神経結合を構築するために、教師は可能な限り文脈を取り入れるべきであることを示唆しています。
キャシー・ストーンは、3年生のクラスで蝶の単元を教えています。彼らは本で教材を勉強し、キャシーはさまざまな蝶の写真や映画を見せます。この学習を文脈と結びつけるために、キャシーは他の活動も行います。地元の博物館には、蝶が管理された環境で生息する蝶のエリアがあります。彼女は生徒たちをここに連れて行き、蝶の世界を見せます。展示の一部として、蝶のライフサイクルのさまざまな段階を示す展示があります。これらの活動は、子供たちが蝶の特性を、その発達と環境に関わる文脈的要因と結びつけるのに役立ちます。
ジム・マーシャルは、歴史を孤立して学ぶことは多くの生徒にとって退屈であることを知っています。長年にわたり、多くの世界の指導者たちが世界の平和のための解決策を模索してきました。ウィルソン大統領が国際連盟を設立するために行った活動を取り上げる際、ジムは国際連合と、政府が侵略を排除しようとする現代的な方法(例えば、核軍縮)との類似点を引き合いに出し、国際連盟を文脈の中に置きます。授業での議論を通して、ジムは生徒たちに、国際連盟の目標、構造、問題を現在の出来事に関連付けさせ、国際連盟が国際連合と、世界的な侵略に対する警戒のための先例をどのように作ったかについて議論させます。
実際の状況から切り離して心理学的プロセスについて学ぶと、生徒たちはそのプロセスが人々にどのように適用されるのか疑問に思うことがよくあります。ジーナ・ブラウンは、児童発達におけるピアジェのプロセス(例えば、自己中心性)を取り上げる際、インターンシップ中の生徒たちに、それらのプロセスを示唆する子供たちの行動を記録させます。彼女は、内容の学習が文脈と結びつくように(つまり、心理学的プロセスには行動的表出があるように)、コースの他の単元でも同じことを行います。
私たちの知識が増加したもう一つの理由は、脳研究を行うための技術が著しく進歩したことです。長年、脳研究を行う唯一の方法は、剖検を行うことでした。死亡した人の脳を調べることは有用な情報をもたらしましたが、このタイプの研究では、脳がどのように機能し、情報を処理するかを判断できません。後者の情報は、学習中に脳がどのように変化し、学習した情報を利用して行動や新しい学習を生み出すかについての理解を深めるために必要です。
| 方法 | 説明 |
|---|---|
| X線 | 固体構造(例:骨)の異常を特定するために使用される高周波電磁波 |
| コンピュータ断層撮影(CAT)スキャン | 体の異常(例:腫瘍)を検出するために使用される強化画像(三次元) |
| 脳波検査(EEG) | ニューロンの動きによって引き起こされる電気的パターンを測定します。さまざまな脳障害(例:言語および睡眠)の調査に使用されます。 |
| 陽電子放出断層撮影(PET)スキャン | 精神活動によって生成されるガンマ線を評価します。脳活動の全体像を提供しますが、速度が遅く、参加者が放射性物質を摂取することによって制限されます。 |
| 磁気共鳴画像法(MRI) | 電波によって脳が信号を生成し、それをマッピングします。腫瘍、病変、およびその他の異常を検出するために使用されます。 |
| 機能的磁気共鳴画像法(fMRI) | 精神的なタスクの実行はニューロンを発火させ、血流を引き起こし、磁気流を変化させます。休息時の脳の画像との比較により、責任領域が示されます。 |
有用な情報をもたらした技術について以下に説明し、表2.2にまとめます。これらは、おおよそ最も単純なものから最も高度なものへと順序付けられています。
X線
X線は高周波の電磁波であり、非金属の物体を通過して、そこで体の構造に吸収されます(Wolfe、2001)。吸収されなかった線は写真乾板に当たります。解釈は、明るい領域と暗い領域(灰色の陰影)に基づいています。X線は2次元であり、骨が折れたかどうかを判断するなど、固体構造に最も役立ちます。脳は軟組織で構成されているため、脳では特にうまく機能しませんが、X線は頭蓋骨(骨構造)の損傷を判断できます。
CATスキャン
CAT(コンピュータ断層撮影)スキャンは、X線によって生成される灰色の陰影のグラデーションを増やすために、1970年代初頭に開発されました。CATスキャンはX線技術を使用していますが、画像を2次元から3次元に強化します。CATスキャンは、医師が腫瘍やその他の異常を調査するために使用しますが、X線と同様に、脳の機能に関する詳細な情報は提供しません。
脳波検査
脳波(脳波検査)は、ニューロンの動きによって作成された電気的パターンを測定する画像化方法です(Wolfe、2001)。頭皮に配置された電極が、頭蓋骨を通過する神経インパルスを検出します。脳波検査技術は信号を拡大し、モニターまたは紙のチャート(脳波)に記録します。脳波の周波数(振動)は、精神活動中に増加し、睡眠中に減少します。脳波検査は、特定の種類の脳障害(例えば、てんかん、言語)を画像化したり、睡眠障害を監視したりするのに役立つことが証明されています(Wolfe、2001)。脳波検査は、事象関連電位(言語発達のセクションを参照)を通じて貴重な時間的情報を提供しますが、学習を詳細に調査するために必要な空間情報(つまり、活動が発生する場所)を検出することはできません。
PETスキャン
PET(陽電子放出断層撮影)スキャンを使用すると、個人がタスクを実行している間に脳の活動を調査できます。その人は少量の放射性グルコースを注射され、血液がそれを脳に運びます。PETスキャナーにいる間、個人は精神的なタスクを実行します。関与する脳の領域はより多くのグルコースを使用し、機器によって検出されるガンマ線を生成します。これにより、活動領域を示すコンピュータ化されたカラー画像(マップ)が作成されます。
PETスキャンは脳イメージング技術の進歩を表していますが、その有用性は限られています。この手順では放射性物質を摂取する必要があるため、一度に行えるセッション数と作成できる画像数には制限があります。また、画像の作成は比較的遅いプロセスであるため、神経活動が発生する速度を完全に捉えることはできません。PETスキャンは脳全体の活動の概要を把握できますが、特定の活動領域を十分に詳細に示すことはできません(Wolfe、2001)。
MRIおよびfMRI
磁気共鳴画像法(MRI)およびより新しい機能的磁気共鳴画像法(fMRI)は、PETスキャンの問題を解決する脳イメージング技術です。MRIでは、電波のビームが脳に向かって発射されます。脳はほとんどが水であり、水素原子が含まれています。電波は水素原子に無線信号を生成させ、センサーによって検出され、コンピュータ化された画像にマッピングされます。詳細レベルはCATスキャンよりも優れており、MRIは通常、腫瘍、病変、およびその他の異常を検出するために使用されます(Wolfe、2001)。
fMRIはMRIと非常によく似ていますが、人々は精神的または行動的なタスクを実行する必要があります。彼らがそうすると、責任を負う脳の部分がニューロンを発火させ、これらの領域への血流を増加させます。血流は磁場を変化させるため、信号はより強くなります。fMRIスキャナーはこれらの変化を感知し、コンピュータ化された画像にマッピングします。この画像は、変化を検出するために休息時の脳の画像と比較できます。fMRIは、脳が刺激に反応するのに約0.5秒かかるため、1秒あたり4つの画像を記録できるため、脳活動が発生する場所と発生するタイミングを捉えることができます(Wolfe、2001)。ただし、血流の変化が発生するまでに数秒かかる場合があるため、時間的なずれがいくつかあります(Varma、McCandliss、&Schwartz、2008)。
他の方法と比較して、fMRIには多くの利点があります。放射性物質を摂取する必要はありません。迅速に動作し、活動を正確に測定できます。数秒で脳の画像を記録でき、他の方法よりもはるかに高速です。また、fMRIは問題なく繰り返すことができます。
脳技術の問題は、人工的なコンテキスト(例えば、研究所)で使用する必要があることであり、アクティブな教室での学習を捉えることができません。この問題は、脳実験中に参加者に学習タスクを与えたり、さまざまな教室のコンテキストを体験した直後にテクノロジーにさらしたりすることで、部分的に対処できます(Varma et al。、2008)。さらに、脳研究の分野は急速に変化しており、テクノロジーが開発および改良されています。将来的には、学習が発生している間に脳のプロセスをさらに特定するのに役立つ、より高度な技術が登場すると予想されます。次に、学習の神経生理学について説明します。これは、脳が情報を処理、統合、および使用するためにどのように機能するかについて説明します。