신경 조직 및 구조: 학습 신경과학

중추신경계(CNS)는 뇌와 척수로 구성되며, 자발적 행동(예: 생각, 행동)을 통제하는 신체의 중심 기전입니다. 자율신경계(ANS)는 소화, 호흡, 혈액 순환과 관련된 활동과 같은 비자발적 활동을 조절합니다. 이러한 시스템은 완전히 독립적이지 않습니다. 예를 들어, 사람들은 심박수를 조절하는 방법을 배울 수 있으며, 이는 그들이 비자발적 활동을 자발적으로 통제하고 있음을 의미합니다.

척수는 약 18인치 길이이며, 검지 손가락 굵기 정도입니다. 뇌의 기저부에서 등 중앙을 따라 뻗어 있습니다. 이는 기본적으로 뇌의 확장입니다. 주요 기능은 뇌와 신호들을 주고받는 것으로, 뇌와 신체 나머지 부분 사이의 중심 전달자 역할을 합니다. 상승 경로는 신체 위치에서 뇌로 신호를 전달하고, 하강 경로는 뇌에서 적절한 신체 구조로 메시지를 전달합니다(예: 움직임을 유발하기 위해). 척수는 또한 뇌와 독립적으로 일부 반응에 관여합니다(예: 무릎 반사). 사고 등으로 인한 척수 손상은 무감각에서 완전 마비에 이르기까지 다양한 증상을 초래할 수 있습니다(Jensen, 2005; Wolfe, 2001).

중추신경계(CNS)는 뇌와 척수에 있는 수십억 개의 세포로 구성됩니다. 여기에는 두 가지 주요 유형의 세포가 있는데, 뉴런과 신경교세포입니다. 신경계 구성에 대한 설명은 아래와 같습니다:

뉴런

뇌와 척수에는 근육과 기관에 정보를 주고받는 약 1,000억 개의 뉴런이 있습니다(Wolfe, 2001). 신체의 뉴런 대부분은 중추신경계에서 발견됩니다. 뉴런은 두 가지 중요한 면에서 다른 신체 세포(예: 피부, 혈액)와 다릅니다. 첫째, 대부분의 신체 세포는 규칙적으로 재생됩니다. 이러한 지속적인 재생은 바람직합니다. 예를 들어, 우리가 상처를 입으면 새로운 세포가 재생되어 손상된 세포를 대체합니다. 그러나 뉴런은 같은 방식으로 재생되지 않습니다. 뇌졸중, 질병 또는 사고로 파괴된 뇌 및 척수 세포는 영구적으로 손실될 수 있습니다. 그러나 긍정적인 점은 뉴런이 어느 정도 재생을 보일 수 있다는 증거가 있습니다(Kempermann & Gage, 1999). 비록 이것이 일어나는 정도와 일어나는 과정은 잘 이해되지 않았지만 말입니다.

뉴런은 또한 전기 신호와 화학 반응을 통해 서로 통신하기 때문에 다른 신체 세포와 다릅니다. 따라서 다른 신체 세포와는 다르게 구성되어 있습니다. 이 구성은 이 섹션의 뒷부분에서 설명합니다.

신경교세포

중추신경계의 두 번째 유형의 세포는 신경교세포입니다. 신경교세포는 뉴런보다 훨씬 더 많습니다. 그들은 뉴런의 작업을 지원하기 때문에 지원 세포로 생각할 수 있습니다. 뉴런처럼 신호를 전달하지는 않지만 그 과정을 돕습니다.

신경교세포는 많은 기능을 수행합니다. 핵심적인 기능 중 하나는 뉴런이 좋은 환경에서 작동하도록 하는 것입니다. 신경교세포는 뉴런 작동을 방해할 수 있는 화학 물질을 제거하는 데 도움을 줍니다. 신경교세포는 또한 죽은 뇌 세포를 제거합니다. 또 다른 중요한 기능은 신경교세포가 뇌 신호 전달을 돕는 축삭돌기 주위에 수초(집 모양 랩핑)를 놓는다는 것입니다(다음 섹션에서 설명). 신경교세포는 또한 태아 뇌의 발달에 핵심적인 기능을 하는 것으로 보입니다(Wolfe, 2001). 따라서 신경교세포는 뉴런과 협력하여 중추신경계의 효과적인 기능을 보장합니다.

시냅스

각 뉴런은 세포체, 수천 개의 짧은 수상돌기, 하나의 축삭돌기로 구성됩니다. 수상돌기는 다른 세포로부터 정보를 받는 길쭉한 조직입니다. 축삭돌기는 다른 세포로 메시지를 보내는 긴 조직 가닥입니다. 수초는 축삭돌기를 둘러싸고 신호 전달을 용이하게 합니다.

각 축삭돌기는 분기 구조로 끝납니다. 이 분기 구조의 끝은 수상돌기의 끝과 연결됩니다. 이 연결을 시냅스라고 합니다. 상호 연결된 구조는 뉴런 간의 메시지가 시냅스에서 전달되기 때문에 뉴런이 통신하는 방식의 핵심입니다.

뉴런이 통신하는 과정은 복잡합니다. 각 축삭돌기의 끝에는 화학 신경전달물질이 있습니다. 그들은 다른 세포의 수상돌기에 완전히 닿지 않습니다. 그 간격을 시냅스 간극이라고 합니다. 전기 및 화학 신호가 충분히 높은 수준에 도달하면 신경전달물질이 간극으로 방출됩니다. 신경전달물질은 접촉된 수상돌기에서 반응을 활성화하거나 억제합니다. 따라서 이 과정은 뉴런과 축삭돌기에서 전기 반응으로 시작하여 간극에서 화학 반응으로 바뀌고 다시 수상돌기에서 전기 반응으로 전환됩니다. 이 과정은 번개처럼 빠른 속도로 뉴런에서 뉴런으로 계속됩니다. 이 장의 뒷부분에서 논의되겠지만, 시냅스 간극에서 신경전달물질의 역할은 학습에 매우 중요합니다. 신경과학적 관점에서 볼 때 학습은 사용을 통해 형성, 강화 및 연결된 신경 연결에 의해 발생하는 세포의 수용성 변화입니다(Jensen, 2005; Wolfe, 2001).

성인 인간의 뇌(대뇌)는 약 3파운드이며, 칸탈루프 멜론이나 큰 자몽 정도의 크기입니다(Tolson, 2006; Wolfe, 2001). 겉모습은 일련의 주름으로 되어 있으며, 컬리플라워와 유사하게 주름진 모양을 하고 있습니다. 구성 성분은 대부분 물(78%)이며, 나머지는 지방과 단백질입니다. 질감은 일반적으로 부드럽습니다. 학습과 관련된 주요 뇌 구조는 그림 2.2에 나와 있으며(Byrnes, 2001; Jensen, 2005; Wolfe, 2001), 아래에 설명되어 있습니다.

대뇌 피질

뇌를 덮고 있는 것은 대뇌 피질이며, 이는 오렌지 껍질 두께 정도의 얇은 층입니다(1/4인치 미만). 대뇌 피질은 주름진 “회색 물질”입니다. 주름은 대뇌 피질이 더 넓은 표면적을 갖도록 하여 더 많은 뉴런과 신경 연결을 가능하게 합니다. 대뇌 피질은 두 개의 반구(오른쪽 및 왼쪽)로 나뉘며, 각 반구는 네 개의 엽(후두엽, 두정엽, 측두엽 및 전두엽)을 가지고 있습니다. 피질은 학습, 기억 및 감각 정보 처리에 관여하는 중심 영역입니다.

뇌간 및 망상체

뇌의 기저부에는 뇌간이 있습니다. 뇌간은 망상체를 통해 ANS(불수의적) 기능을 처리하며, 이는 호흡, 심박수, 혈압, 안구 운동, 타액 분비 및 미각과 같은 기본적인 신체 기능 조절을 담당하는 뉴런과 섬유의 네트워크입니다. 망상체는 또한 의식 수준(예: 수면, 각성)에도 관여합니다. 예를 들어, 조용하고 어두운 방에 들어가면 망상체는 뇌 활성화를 감소시켜 수면을 취할 수 있게 합니다. 망상체는 또한 감각 입력 제어를 돕습니다. 우리는 끊임없이 다양한 자극에 둘러싸여 있지만, 망상체는 관련 자극에 집중할 수 있도록 합니다. 이는 인간 정보 처리 시스템의 핵심 구성 요소인 주의 및 지각(5장)에 매우 중요합니다. 마지막으로, 망상체는 뇌를 위한 많은 화학적 메신저를 생성합니다.

소뇌

뇌 뒤쪽에 있는 소뇌는 신체 균형, 근육 조절, 운동 및 신체 자세를 조절합니다. 이러한 활동은 대부분 의식적인 통제하에 있지만(따라서 피질의 영역), 피질은 이를 조절하는 데 필요한 모든 장비를 갖추고 있지는 않습니다. 피질은 소뇌와 협력하여 운동을 조율합니다. 소뇌는 운동 기술 습득의 핵심입니다. 연습을 통해 많은 운동 기술이 자동화됩니다(예: 피아노 연주, 자동차 운전). 이러한 자동성은 소뇌가 통제의 상당 부분을 넘겨받기 때문에 발생하며, 이를 통해 피질은 의식을 필요로 하는 활동(예: 사고, 문제 해결)에 집중할 수 있습니다.

시상 및 시상하부

뇌간 위에는 호두 크기의 두 구조인 시상과 시상하부가 있습니다. 시상은 감각 기관(후각 제외)에서 피질로 입력을 보내는 다리 역할을 합니다. 시상하부는 ANS의 일부입니다. 시상하부는 체온, 수면, 물, 음식과 같은 항상성 유지를 위해 필요한 신체 기능을 제어합니다. 시상하부는 또한 우리가 겁을 먹거나 스트레스를 받을 때 심박수와 호흡을 증가시키는 역할을 합니다.

편도체

편도체는 감정과 공격성 조절에 관여합니다. 들어오는 감각 입력(피질로 바로 이동하는 후각 제외)은 시상으로 이동하며, 시상은 차례로 정보를 피질의 해당 영역과 편도체로 전달합니다. 편도체의 기능은 감각 입력의 유해성을 평가하는 것입니다. 잠재적으로 유해한 자극을 인식하면 시상하부에 신호를 보내 위에서 언급한 감정적 변화(예: 심박수 및 혈압 증가)를 일으킵니다.

해마

해마는 바로 직전의 기억을 담당하는 뇌 구조입니다. 바로 직전이란 얼마나 긴 시간일까요? 5장에서 살펴보겠지만, 즉각적인 기억과 장기(영구적) 기억을 구성하는 것에 대한 객관적인 기준은 없습니다. 분명히 해마는 장기 기억(피질에 존재)에 정보를 저장하는 데 도움을 주지만, 필요에 따라 해당 정보를 활성화하는 역할을 유지합니다. 따라서 해마는 현재 활성(작업) 기억에 관여할 수 있습니다. 정보가 장기 기억에 완전히 인코딩되면 해마는 역할을 포기할 수 있습니다.

뇌량

뇌(대뇌)를 따라 앞뒤로 뻗어 있는 것은 뇌량이라고 하는 섬유 띠입니다. 뇌량은 대뇌를 두 개의 반구로 나누고 신경 처리를 위해 연결합니다. 이는 매우 중요합니다. 왜냐하면 많은 정신 처리가 뇌의 여러 위치에서 발생하며 종종 양쪽 반구를 모두 포함하기 때문입니다.

후두엽

대뇌의 후두엽은 주로 시각 정보 처리에 관여합니다. 후두엽은 시각 피질이라고도 합니다. 시각 자극은 먼저 시상에서 수신된 다음 이러한 신호를 후두엽으로 보냅니다. 여기서 운동, 색상, 깊이, 거리 및 기타 시각적 특징을 결정하는 것과 관련된 많은 기능이 발생합니다. 이러한 결정이 내려지면 시각적 자극을 기억에 저장된 내용과 비교하여 인식(지각)을 결정합니다. 따라서 저장된 패턴과 일치하는 객체가 인식됩니다. 일치하는 항목이 없으면 새로운 자극이 기억에 인코딩됩니다. 시각 피질은 시각 자극이 저장된 패턴과 일치하는지 여부를 결정하기 위해 다른 뇌 시스템과 통신해야 합니다(Gazzaniga, Ivry & Mangun, 1998). 학습에서 시각 처리의 중요성은 Joe의 오프닝 비네트에서 강조됩니다.

사람들은 환경의 특정 특징에 주의를 기울이고 다른 특징을 무시함으로써 시각적 지각을 쉽게 제어할 수 있습니다. 예를 들어, 군중 속에서 친구를 찾고 있다면 수천 개의 시각적 자극을 무시하고 친구가 있는지 여부를 판단하는 데 도움이 되는 자극(예: 얼굴 특징)에만 집중할 수 있습니다. 교사는 학생들에게 시각적 디스플레이에 주의를 기울이도록 요청하고 수업 시작 시 수업 목표를 알려줌으로써 이러한 아이디어를 사용합니다.

두정엽

대뇌에서 뇌의 윗부분에 있는 두정엽은 촉각을 담당하며 신체 위치를 결정하고 시각 정보를 통합하는 데 도움을 줍니다. 두정엽에는 앞쪽(전면)과 뒤쪽(후면) 섹션이 있습니다. 앞쪽 부분은 촉각, 온도, 신체 위치, 통증 및 압력 감각에 관한 신체로부터 정보를 받습니다(Wolfe, 2001). 신체의 각 부분에는 정보를 수신하고 식별을 정확하게 만드는 앞쪽 부분에 특정 영역이 있습니다.

뒤쪽 부분은 촉각 정보를 통합하여 공간적 신체 인식, 즉 신체 부위가 항상 어디에 있는지 알 수 있도록 합니다. 두정엽은 또한 다양한 신체 부위에 대한 주의력을 높이거나 낮출 수 있습니다. 예를 들어, 다리에 통증이 있으면 두정엽에서 받아 식별하지만, 즐거운 영화를 보고 그것에 집중하고 있다면 다리의 통증을 “잊을 수” 있습니다.

측두엽

대뇌의 측면에 위치한 측두엽은 청각 정보 처리를 담당합니다. 음성 또는 기타 소리와 같은 청각 입력이 수신되면 해당 정보가 처리되어 청각 기억으로 전송되어 인식을 결정합니다. 그런 다음 해당 인식을 통해 행동으로 이어질 수 있습니다. 예를 들어, 교사가 학생들에게 책을 치우고 문에서 줄을 서라고 말하면 해당 청각 정보가 처리되고 인식되어 적절한 행동으로 이어집니다.

피질의 왼쪽 반구에서 후두엽, 두정엽 및 측두엽이 교차하는 곳에 위치한 Wernicke 영역은 우리가 언어를 이해하고 말할 때 적절한 구문을 사용할 수 있도록 합니다. 이 영역은 말하기에 필요한 Broca 영역으로 알려진 왼쪽 반구의 전두엽에 있는 다른 영역과 긴밀하게 협력합니다. 이러한 주요 언어 처리 영역은 왼쪽 반구에 위치하지만(Broca 영역은 일부 사람들의 경우 오른쪽 반구에 있음), 뇌의 많은 부분이 함께 작동하여 언어를 이해하고 생성합니다. 언어는 이 장의 뒷부분에서 더 자세히 논의됩니다.

전두엽

이름에서 알 수 있듯이 전두엽은 대뇌의 앞쪽에 있습니다. 전두엽은 피질의 가장 큰 부분을 구성합니다. 전두엽의 주요 기능은 기억, 계획, 의사 결정, 목표 설정 및 창의성과 관련된 정보를 처리하는 것입니다. 전두엽에는 또한 근육 운동을 조절하는 주요 운동 피질이 있습니다.

뇌의 전두엽은 우리를 하등 동물, 심지어 과거 세대의 조상과 가장 뚜렷하게 구별한다고 주장할 수 있습니다. 전두엽은 점점 더 복잡한 기능을 수행하도록 진화했습니다. 전두엽은 우리가 계획하고 의식적인 결정을 내리고, 문제를 해결하고, 다른 사람과 대화할 수 있도록 합니다. 또한 이러한 엽은 우리에게 정신 과정에 대한 의식을 제공합니다. 즉, 메타인지의 한 형태입니다.

뇌의 위쪽에서 귀쪽으로 아래로 뻗어 있는 것은 주요 운동 피질로 알려진 세포 띠입니다. 이 영역은 신체의 움직임을 제어하는 영역입니다. 따라서 “Hokey Pokey”를 춤추는 동안 “오른발을 넣으세요”라고 생각하면 운동 피질이 오른발을 넣도록 지시하는 것입니다. 신체의 각 부분은 운동 피질의 특정 위치에 매핑되어 피질의 특정 부분에서 나오는 신호가 적절한 움직임을 만들도록 합니다.

운동 피질 앞에는 언어 생성을 담당하는 위치인 Broca 영역이 있습니다. 이 영역은 약 95%의 사람들에게는 왼쪽 반구에 있고, 나머지 5%(왼손잡이의 30%)에게는 오른쪽 반구에 있습니다(Wolfe, 2001). 당연히 이 영역은 신경 섬유를 통해 왼쪽 측두엽의 Wernicke 영역과 연결되어 있습니다. 언어는 Wernicke 영역에서 형성된 다음 Broca 영역으로 전달되어 생성됩니다(Wolfe, 2001).

전두엽의 앞부분, 즉 전전두피질은 다른 동물보다 인간에서 비례적으로 더 큽니다. 이곳에서 가장 높은 형태의 정신 활동이 발생합니다(Ackerman, 1992). 5장에서는 인지 정보 처리 연관성이 뇌에서 어떻게 이루어지는지 논의합니다. 전전두피질은 감각에서 받은 정보가 기억에 저장된 정보와 관련되기 때문에 이러한 연관성을 위한 핵심 영역입니다. 간단히 말해서 학습의 중심은 전전두피질에 있는 것으로 보입니다. 또한 전전두피질은 우리가 생각하고, 느끼고, 하는 것을 인식할 수 있도록 하는 의식의 조절기이기도 합니다. 나중에 설명하겠지만, 전전두피질은 감정 조절에 관여하는 것으로 보입니다.

표 '뇌 영역의 주요 기능'은 각 주요 뇌 영역의 주요 기능을 요약합니다(Byrnes, 2001; Jensen, 2005; Wolfe, 2001). 이 표를 검토할 때 뇌의 어떤 부분도 독립적으로 작동하지 않는다는 점을 명심하십시오. 오히려 정보(신경 충동 형태)는 뇌 영역 간에 빠르게 전달됩니다. 많은 뇌 기능이 국소화되어 있지만 간단한 작업에서도 뇌의 여러 부분이 관여합니다. 따라서 뇌 기능을 단 하나의 영역에만 있다고 표시하는 것은 이치에 맞지 않습니다. Emma의 오프닝 비네트에서 밝혀진 것처럼 말입니다.

오늘날 우리는 뇌의 작동 방식에 대해 그 어느 때보다 많은 것을 알고 있지만, 뇌는 수년 동안 연구되어 왔습니다. 좌뇌와 우뇌의 기능은 지속적인 논쟁의 대상이었습니다. Wolfe(2001)는 기원전 400년경 히포크라테스가 뇌의 이중성에 대해 언급했다고 지적했습니다. Cowey(1998)는 1870년에 연구자들이 동물의 뇌와 머리 부상을 입은 군인의 뇌의 다른 부분을 전기적으로 자극했다고 보고했습니다. 그들은 뇌의 특정 부분을 자극하면 신체의 다른 부분에서 움직임이 발생한다는 것을 발견했습니다. 뇌에 주요 반구가 있다는 아이디어는 1874년에 일찍이 제안되었습니다(Binney & Janson, 1990).

일반적으로 좌뇌가 오른쪽 시야와 신체 측면을 관장하고 우뇌가 왼쪽 시야와 신체 측면을 조절한다는 것은 수년 동안 알려져 왔습니다. 그러나 두 반구는 섬유 다발로 연결되어 있으며, 그중 가장 큰 것이 뇌량입니다. Gazzaniga, Bogen, Sperry(1962)는 언어가 주로 좌뇌에 의해 제어된다는 것을 입증했습니다. 이 연구자들은 뇌량이 절단되었을 때 왼쪽 손에 보이지 않게 물건을 든 환자들이 아무것도 들고 있지 않다고 주장한다는 것을 발견했습니다. 분명히 시각적 자극이 없고 왼손이 우뇌와 통신하기 때문에 이 반구가 입력을 받았을 때 이름을 생성할 수 없었고(언어가 좌뇌에 국소화되어 있기 때문에) 뇌량이 절단된 상태에서는 정보를 좌뇌로 전달할 수 없었습니다.

뇌 연구는 또한 다른 국소화된 기능을 확인했습니다. 분석적 사고는 좌뇌에 집중되어 있는 반면, 공간적, 청각적, 감정적, 예술적 처리는 우뇌에서 발생합니다(그러나 우뇌는 부정적인 감정을 처리하고 좌뇌는 긍정적인 감정을 처리하는 것으로 보입니다. Ornstein, 1997). 음악은 우뇌에서 더 잘 처리됩니다. 방향성은 우뇌에서, 얼굴 인식은 좌뇌에서 더 잘 처리됩니다.

우뇌는 또한 맥락을 해석하는 데 중요한 역할을 합니다(Wolfe, 2001). 예를 들어 누군가가 뉴스를 듣고 "정말 잘됐네!"라고 말한다고 가정해 봅시다. 이것은 그 사람이 그 뉴스가 훌륭하거나 끔찍하다고 생각한다는 것을 의미할 수 있습니다. 맥락은 올바른 의미를 결정합니다(예: 화자가 진심인지 비꼬는 것인지 여부). 맥락은 억양, 사람들의 표정과 제스처, 상황의 다른 요소에 대한 지식에서 얻을 수 있습니다. 우뇌는 적절한 해석을 내릴 수 있도록 맥락 정보를 조립하는 주요 위치인 것으로 보입니다.

기능이 뇌 부분에 국소화되어 있기 때문에 언어 능력이 뛰어난 사람들은 좌뇌(좌뇌형)에 의해 지배되는 반면, 더 예술적이고 감정적인 사람들은 우뇌(우뇌형)에 의해 제어된다고 가정하고 싶었습니다. 그러나 이것은 개방 시나리오의 교육자들이 이제 깨닫는 것처럼 단순하고 오해의 소지가 있는 결론입니다. 반구는 국소화된 기능을 가지고 있지만 연결되어 있으며 그 사이에 많은 정보(신경 충동)가 전달됩니다. 매우 적은 정신적 처리가 한쪽 반구에서만 발생할 가능성이 높습니다(Ornstein, 1997). 또한 언어 능력이 뛰어나고 감정적인(예: 열정적인 연설가) 개인을 지배하는 반구가 무엇인지 물어볼 수 있습니다.

반구는 협력하여 작동합니다. 정보는 항상 양쪽 반구에서 사용할 수 있습니다. 연설은 좋은 예입니다. 친구와 대화를 나누는 경우 언어를 생성할 수 있도록 하는 것은 좌뇌이지만 맥락을 제공하고 의미를 이해하는 데 도움이 되는 것은 우뇌입니다.

인지 신경 과학자들 사이에서는 측면화의 정도에 대해 많은 논쟁이 있습니다. 일부는 특정 인지 기능이 뇌의 특정 영역에 국소화되어 있다고 주장하는 반면, 다른 사람들은 다른 영역이 다양한 작업을 수행할 수 있다고 믿습니다(Byrnes & Fox, 1998). 이 논쟁은 지식이 국소적으로 코딩된다는 전통적인 견해와 지식이 하나의 위치가 아닌 여러 메모리 네트워크에 걸쳐 코딩된다는 병렬 분산 처리 견해 사이의 인지 심리학의 논쟁을 반영합니다(5장 참조)(Bowers, 2009).

두 입장을 뒷받침하는 연구 증거가 있습니다. 뇌의 다른 부분은 다른 기능을 가지고 있지만 기능은 뇌의 한 부분에 완전히 국소화되는 경우가 거의 없습니다. 이것은 특히 여러 영역에 기능이 분산될 수 있는 여러 기본 정신 작업에 의존하는 복잡한 정신 작업에 해당됩니다. Byrnes와 Fox(1998)가 주장했듯이 "거의 모든 작업에 양쪽 반구의 참여가 필요하지만 반구는 특정 유형의 정보를 다른 반구보다 더 효율적으로 처리하는 것으로 보입니다." (p. 310). 따라서 교육적으로 말하면 뇌의 다른 면(우뇌, 좌뇌)에 가르치는 관행은 경험적 연구에 의해 뒷받침되지 않습니다.

오늘날 우리가 CNS의 작동에 대해 그 어느 때보다 더 많이 알게 된 한 가지 이유는 다양한 분야의 사람들이 뇌 연구에 관심을 갖게 되었기 때문입니다. 역사적으로 뇌 연구는 주로 의학, 생물학, 심리학 분야의 연구자들에 의해 수행되었습니다. 수년에 걸쳐 다른 분야의 사람들은 뇌 연구 결과가 자신의 분야 발전에 영향을 미칠 것이라고 믿고 뇌 연구에 더 큰 관심을 갖게 되었습니다. 오늘날 우리는 교육자, 사회학자, 사회 복지사, 상담사, 정부 기관 직원(특히 사법 제도에 있는 사람들) 및 기타 뇌 연구에 관심 있는 사람들을 발견합니다. 뇌 연구에 대한 자금 지원도 증가했는데, 여기에는 주로 뇌와 관련 없는 연구(예: 교육)에 자금을 지원하는 기관도 포함됩니다.

우리의 지식 증가의 또 다른 이유는 뇌 연구를 수행하는 기술이 엄청나게 발전했기 때문입니다. 오래 전에는 뇌 연구를 수행하는 유일한 방법은 부검을 수행하는 것이었습니다. 사망한 사람의 뇌를 검사하는 것은 유용한 정보를 제공했지만, 이러한 유형의 연구는 뇌가 어떻게 기능하고 정보를 처리하는지 확인할 수 없습니다. 후자의 정보는 학습 중에 뇌가 어떻게 변하는지, 학습된 정보를 사용하여 행동과 새로운 학습을 생성하는 방법에 대한 이해를 개발하는 데 필요합니다.

유용한 정보를 제공한 기술은 아래에서 논의되고 표 요약되어 있습니다. 이들은 대략 가장 덜 정교한 것부터 가장 정교한 것 순으로 정렬되어 있습니다.

X선

X선은 고주파 전자기파로 비금속 물체를 통과할 수 있으며, 여기서 신체 구조에 흡수됩니다(Wolfe, 2001). 흡수되지 않은 광선은 사진 판을 때립니다. 해석은 밝고 어두운 영역(회색 음영)을 기반으로 합니다. X선은 2차원이며 뼈가 부러졌는지 여부를 결정하는 것과 같이 고체 구조에 가장 유용합니다. 뇌는 연조직으로 구성되어 있기 때문에 뇌에서는 특히 잘 작동하지 않지만 X선은 두개골(뼈 구조) 손상을 확인할 수 있습니다.

CAT 스캔

CAT(컴퓨터 단층 촬영) 스캔은 X선으로 생성된 회색 음영의 등급을 높이기 위해 1970년대 초에 개발되었습니다. CAT 스캔은 X선 기술을 사용하지만 이미지를 2차원에서 3차원으로 향상시킵니다. CAT 스캔은 의사가 종양 및 기타 이상을 조사하는 데 사용하지만 X선과 마찬가지로 뇌 기능에 대한 자세한 정보를 제공하지 않습니다.

뇌파 검사(EEG)

EEG(뇌파 검사)는 뉴런의 움직임에 의해 생성된 전기 패턴을 측정하는 이미징 방법입니다(Wolfe, 2001). 두피에 놓인 전극은 두개골을 통과하는 신경 충격을 감지합니다. EEG 기술은 신호를 확대하여 모니터나 종이 차트(뇌파)에 기록합니다. 정신 활동 중에는 뇌파(진동)의 빈도가 증가하고 수면 중에는 감소합니다. EEG는 특정 유형의 뇌 장애(예: 간질, 언어)를 영상화하고 수면 장애를 모니터링하는 데 유용한 것으로 입증되었습니다(Wolfe, 2001). EEG는 사건 관련 전위를 통해 귀중한 시간 정보를 제공하지만(언어 발달 섹션 참조) 학습을 심층적으로 조사하는 데 필요한 공간 정보(즉, 활동이 발생하는 위치)의 유형을 감지할 수 없습니다.

PET 스캔

PET(양전자 방출 단층 촬영) 스캔을 통해 개인의 작업을 수행하는 동안 뇌 활동을 조사할 수 있습니다. 그 사람은 혈액이 뇌로 운반하는 소량의 방사성 포도당을 주입받습니다. PET 스캐너에 있는 동안 개인은 정신적 작업을 수행합니다. 관련된 뇌 영역은 더 많은 포도당을 사용하고 장비에서 감지하는 감마선을 생성합니다. 이것은 활동 영역을 보여주는 컴퓨터화된 컬러 이미지(맵)를 생성합니다.

PET 스캔은 뇌 영상 기술의 발전을 나타내지만 유용성은 제한적입니다. 이 절차에는 방사성 물질을 섭취해야 하므로 세션을 수행할 수 있는 횟수와 한 번에 생성할 수 있는 이미지 수에 제한이 있습니다. 또한 이미지를 생성하는 데 비교적 느린 프로세스가 필요하므로 신경 활동이 발생하는 속도를 완전히 캡처할 수 없습니다. PET 스캔은 전반적인 뇌 활동에 대한 좋은 아이디어를 제공하지만 활동의 특정 영역을 충분히 자세하게 보여주지 않습니다(Wolfe, 2001).

MRI 및 fMRI

자기 공명 영상(MRI)과 최신 기능적 자기 공명 영상(fMRI)은 PET 스캔의 문제를 해결하는 뇌 영상 기술입니다. MRI에서 전파 빔이 뇌를 향해 발사됩니다. 뇌는 대부분 수소 원자를 포함하는 물입니다. 전파는 수소 원자가 전파 신호를 생성하게 하고, 이 신호는 센서에 의해 감지되어 컴퓨터화된 이미지에 매핑됩니다. 세부 수준은 CAT 스캔보다 우수하며 MRI는 일반적으로 종양, 병변 및 기타 이상을 탐지하는 데 사용됩니다(Wolfe, 2001).

fMRI는 MRI와 매우 유사하게 작동하지만 사람들은 정신적 또는 행동적 작업을 수행해야 합니다. 그렇게 하면 담당하는 뇌 부분이 뉴런을 활성화하여 이러한 영역으로 더 많은 혈액이 흐르게 합니다. 혈액 흐름은 자기장을 변경하여 신호가 더 강렬해집니다. fMRI 스캐너는 이러한 변화를 감지하여 컴퓨터화된 이미지에 매핑합니다. 이 이미지를 휴식 중인 뇌 이미지와 비교하여 변화를 감지할 수 있습니다. fMRI는 초당 4개의 이미지를 기록할 수 있고 뇌가 자극에 반응하는 데 약 0.5초가 걸리기 때문에 fMRI는 발생하는 뇌 활동과 발생하는 위치를 캡처할 수 있습니다(Wolfe, 2001). 그러나 혈액 흐름 변화가 발생하는 데 몇 초가 걸릴 수 있기 때문에 약간의 시간적 불일치가 있습니다(Varma, McCandliss, & Schwartz, 2008).

다른 방법과 비교할 때 fMRI는 많은 장점이 있습니다. 방사성 물질을 섭취할 필요가 없습니다. 빠르고 정확하게 활동을 측정할 수 있습니다. 몇 초 안에 뇌 이미지를 기록할 수 있으며 이는 다른 방법보다 훨씬 빠릅니다. 그리고 fMRI는 문제 없이 반복할 수 있습니다.

뇌 기술의 문제점은 인위적인 맥락(예: 실험실)에서 사용해야 하므로 활성 교실에서 학습을 캡처할 수 없다는 것입니다. 이 문제는 뇌 실험 중에 참가자에게 학습 작업을 부여하거나 다양한 교실 환경을 경험한 직후에 기술을 적용하여 부분적으로 해결할 수 있습니다(Varma et al., 2008). 또한 뇌 연구 분야는 빠르게 변화하고 있으며 기술이 개발되고 개선되고 있습니다. 앞으로 학습이 일어나는 동안 뇌 과정을 더욱 정확하게 파악하는 데 도움이 되는 더욱 정교한 기술을 기대할 수 있습니다. 이제 정보 처리, 통합 및 사용을 위해 뇌가 어떻게 기능하는지 다루는 학습의 신경 생리학으로 넘어갑니다.