Neuralinė Organizacija ir Struktūros: Mokymosi Neurobiologija

Centrinė nervų sistema (CNS) susideda iš smegenų ir nugaros smegenų ir yra pagrindinis kūno savanoriško elgesio (pvz., mąstymo, veiksmų) kontrolės mechanizmas. Autonominė nervų sistema (ANS) reguliuoja nevalingas veiklas, tokias kaip virškinimas, kvėpavimas ir kraujo apytaka. Šios sistemos nėra visiškai nepriklausomos. Pavyzdžiui, žmonės gali išmokti kontroliuoti savo širdies ritmą, o tai reiškia, kad jie savanoriškai kontroliuoja nevalingą veiklą.

Nugaros smegenys yra apie 18 colių ilgio ir rodomojo piršto pločio. Jos tęsiasi nuo smegenų pagrindo žemyn per vidurį nugaros. Iš esmės tai yra smegenų tęsinys. Pagrindinė jos funkcija yra perduoti signalus į ir iš smegenų, todėl tai yra centrinis pasiuntinys tarp smegenų ir likusio kūno. Jos kylantis kelias perduoda signalus iš kūno vietų į smegenis, o jos nusileidžiantis kelias perduoda pranešimus iš smegenų į atitinkamą kūno struktūrą (pvz., sukelti judėjimą). Nugaros smegenys taip pat dalyvauja kai kuriose reakcijose nepriklausomai nuo smegenų (pvz., kelio refleksas). Nugaros smegenų pažeidimas, pavyzdžiui, dėl nelaimingo atsitikimo, gali sukelti simptomus nuo nutirpimo iki visiško paralyžiaus (Jensen, 2005; Wolfe, 2001).

CNS sudaro milijardai smegenų ir nugaros smegenų ląstelių. Yra du pagrindiniai ląstelių tipai: neuronai ir glialinės ląstelės. Neuralinės organizacijos atvaizdavimas pateiktas žemiau:

Neuronai

Smegenyse ir nugaros smegenyse yra apie 100 milijardų neuronų, kurie siunčia ir gauna informaciją tarp raumenų ir organų (Wolfe, 2001). Dauguma kūno neuronų yra CNS. Neuronai skiriasi nuo kitų kūno ląstelių (pvz., odos, kraujo) dviem svarbiais aspektais. Pirma, dauguma kūno ląstelių reguliariai regeneruoja. Šis nuolatinis atsinaujinimas yra pageidautinas; pavyzdžiui, kai įsipjauname, naujos ląstelės regeneruoja, kad pakeistų pažeistas. Tačiau neuronai neregeneruoja taip pat. Smegenų ir nugaros smegenų ląstelės, sunaikintos insulto, ligos ar nelaimingo atsitikimo, gali būti prarastos visam laikui. Tačiau, teigiama, yra įrodymų, kad neuronai gali parodyti tam tikrą regeneraciją (Kempermann & Gage, 1999), nors mastas, kuriuo tai įvyksta, ir procesas, kuriuo tai įvyksta, nėra gerai suprantami.

Neuronai taip pat skiriasi nuo kitų kūno ląstelių, nes jie bendrauja tarpusavyje—elektros signalais ir cheminėmis reakcijomis. Taigi jie yra organizuoti kitaip nei kitos kūno ląstelės. Ši organizacija aptariama vėliau šiame skyriuje.

Glialinės ląstelės

Antrasis ląstelių tipas CNS yra glialinė ląstelė. Glialinių ląstelių yra daug daugiau nei neuronų. Jas galima laikyti palaikančiomis ląstelėmis, nes jos palaiko neuronų darbą. Jos neperduoda signalų kaip neuronai, bet padeda procese.

Glialinės ląstelės atlieka daug funkcijų. Pagrindinė iš jų yra užtikrinti, kad neuronai veiktų geroje aplinkoje. Glialinės ląstelės padeda pašalinti chemines medžiagas, kurios gali trukdyti neuronų veiklai. Glialinės ląstelės taip pat pašalina negyvas smegenų ląsteles. Kita svarbi funkcija yra ta, kad glialinės ląstelės padeda susidaryti mielinui, apvalkalą primenančiai apvalkalai aplink aksonus, kuri padeda perduoti smegenų signalus (aptariama kitame skyriuje). Taip pat atrodo, kad glialinės ląstelės atlieka pagrindines funkcijas vaisiaus smegenų vystymuisi (Wolfe, 2001). Taigi, glialinės ląstelės veikia kartu su neuronais, kad užtikrintų veiksmingą CNS funkcionavimą.

Sinapsės

Kiekvieną neuroną sudaro ląstelės kūnas, tūkstančiai trumpų dendritų ir vienas aksonas. Dendritas yra pailgas audinys, kuris gauna informaciją iš kitų ląstelių. Aksonas yra ilgas audinio siūlas, kuris siunčia pranešimus į kitas ląsteles. Mielino apvalkalas supa aksoną ir palengvina signalų keliavimą.

Kiekvienas aksonas baigiasi šakota struktūra. Šių šakotų struktūrų galai jungiasi su dendritų galais. Šis ryšys žinomas kaip sinapsė. Sujungta struktūra yra raktas į tai, kaip neuronai bendrauja, nes pranešimai perduodami tarp neuronų sinapsėse.

Procesas, kuriuo neuronai bendrauja, yra sudėtingas. Kiekvieno aksono gale yra cheminiai neuromediatoriai. Jie visiškai nesiliečia su kitos ląstelės dendritais. Tarpas vadinamas sinaptiniu tarpu. Kai elektros ir cheminiai signalai pasiekia pakankamai aukštą lygį, neuromediatoriai išleidžiami į tarpą. Neuromediatoriai arba suaktyvins, arba slopins reakciją kontaktuotame dendrite. Taigi procesas prasideda kaip elektrinė reakcija neurone ir aksone, virsta chemine reakcija tarpe ir tada vėl virsta elektriniu atsaku dendrite. Šis procesas tęsiasi nuo neurono iki neurono žaibo greičiu. Kaip aptariama vėliau šiame skyriuje, neuromediatorių vaidmuo sinaptiniame tarpe yra labai svarbus mokymuisi. Iš neuromokslų perspektyvos, mokymasis yra ląstelių imlumo pasikeitimas, kurį sukelia neuraliniai ryšiai, susiformavę, sustiprinti ir susiję su kitais per naudojimą (Jensen, 2005; Wolfe, 2001).

Žmogaus suaugusiojo smegenys (didieji pusrutuliai) sveria maždaug tris svarus ir yra maždaug meliono arba didelio greipfruto dydžio (Tolson, 2006; Wolfe, 2001). Išorinė jų tekstūra turi daugybę raukšlių ir atrodo susiraukšlėjusi, primenanti žiedinį kopūstą. Jų sudėtis daugiausia yra vanduo (78 %), o likusi dalis – riebalai ir baltymai. Jų tekstūra paprastai yra minkšta. Pagrindinės smegenų struktūros, dalyvaujančios mokymosi procese, parodytos 2.2 paveiksle (Byrnes, 2001; Jensen, 2005; Wolfe, 2001) ir aprašytos toliau.

Galvos smegenų žievė

Smegenis dengia galvos smegenų žievė, kuri yra plonas sluoksnis, maždaug apelsino žievės storio (mažiau nei 1/4 colio). Galvos smegenų žievė yra susiraukšlėjusi “pilkoji medžiaga” smegenyse. Raukšlės leidžia galvos smegenų žievei turėti didesnį paviršiaus plotą, o tai leidžia turėti daugiau neuronų ir neuroninių jungčių. Galvos smegenų žievė turi du pusrutulius (dešinįjį ir kairįjį), kurių kiekvienas turi keturias skiltis (pakaušio, parietalinę, smilkininę ir kaktinę). Žievė yra centrinė sritis, dalyvaujanti mokymosi, atminties ir sensorinės informacijos apdorojimo procesuose.

Smegenų kamienas ir tinklinis darinys

Smegenų pagrinde yra smegenų kamienas. Smegenų kamienas apdoroja ANS (nevalingas) funkcijas per savo tinklinį darinį, kuris yra neuronų ir skaidulų tinklas, reguliuojantis tokių pagrindinių kūno funkcijų, kaip kvėpavimas, širdies ritmas, kraujospūdis, akies obuolio judesiai, seilėtekis ir skonis, kontrolę. Tinklinis darinys taip pat dalyvauja sąmoningumo lygiuose (pvz., miego, budrumo). Pavyzdžiui, kai einate į tylų, tamsų kambarį, tinklinis darinys sumažina smegenų aktyvaciją ir leidžia jums miegoti. Tinklinis darinys taip pat padeda kontroliuoti sensorinius signalus. Nors mus nuolat bombarduoja daugybė dirgiklių, tinklinis darinys leidžia mums sutelkti dėmesį į svarbius dirgiklius. Tai labai svarbu dėmesiui ir suvokimui (5 skyrius), kurie yra pagrindiniai žmogaus informacijos apdorojimo sistemos komponentai. Galiausiai, tinklinis darinys gamina daugelį cheminių smegenų pasiuntinių.

Smegenėlės

Smegenėlės smegenų gale reguliuoja kūno pusiausvyrą, raumenų kontrolę, judesius ir kūno laikyseną. Nors ši veikla iš esmės yra sąmoningai kontroliuojama (ir todėl priklauso žievės sričiai), žievė neturi visos įrangos, kurios jai reikia jiems reguliuoti. Ji veikia kartu su smegenėlėmis, kad koordinuotų judesius. Smegenėlės yra pagrindinis motorinių įgūdžių įgijimo elementas. Su praktika daugelis motorinių įgūdžių tampa automatiniai (pvz., grojimas fortepijonu, vairavimas). Šis automatiškumas atsiranda, nes smegenėlės perima didžiąją dalį kontrolės, o tai leidžia žievei sutelkti dėmesį į veiklą, kuriai reikalingas sąmoningumas (pvz., mąstymas, problemų sprendimas).

Gumburas ir pagumburis

Virš smegenų kamieno yra dvi graikinio riešuto dydžio struktūros: gumburas ir pagumburis. Gumburas veikia kaip tiltas, siųsdamas signalus iš jutimo organų (išskyrus uoslę) į žievę. Pagumburis yra ANS dalis. Jis kontroliuoja kūno funkcijas, reikalingas homeostazei palaikyti, tokias kaip kūno temperatūra, miegas, vanduo ir maistas. Pagumburis taip pat yra atsakingas už padidėjusį širdies ritmą ir kvėpavimą, kai išsigąstame ar patiriame stresą.

Migdolinis kūnas

Migdolinis kūnas dalyvauja kontroliuojant emocijas ir agresiją. Gaunami sensoriniai signalai (išskyrus uoslę, kurie keliauja tiesiai į žievę) patenka į gumburą, kuris savo ruožtu perduoda informaciją į atitinkamą žievės sritį ir į migdolinį kūną. Migdolinio kūno funkcija yra įvertinti sensorinių signalų žalingumą. Jei jis atpažįsta potencialiai žalingą dirgiklį, jis signalizuoja pagumburiui, kuris sukuria pirmiau minėtus emocinius pokyčius (pvz., padidėjęs širdies ritmas ir kraujospūdis).

Hipokampas

Hipokampas yra smegenų struktūra, atsakinga už artimos praeities atmintį. Kiek trunka artima praeitis? Kaip matysime 5 skyriuje, nėra jokio objektyvaus kriterijaus, kas sudaro artimą ir ilgalaikę (nuolatinę) atmintį. Matyt, hipokampas padeda įtvirtinti informaciją ilgalaikėje atmintyje (kuri yra žievėje), bet išlaiko savo vaidmenį aktyvuojant tą informaciją, kai reikia. Taigi, hipokampas gali dalyvauti šiuo metu aktyvioje (darbinėje) atmintyje. Kai informacija yra visiškai užkoduota ilgalaikėje atmintyje, hipokampas gali atsisakyti savo vaidmens.

Didžioji smegenų jungtis

Išilgai smegenų (didžiųjų pusrutulių) nuo priekio iki galo eina skaidulų juosta, žinoma kaip didžioji smegenų jungtis. Ji padalija didžiuosius pusrutulius į dvi puses, arba pusrutulius, ir sujungia juos neuroniniam apdorojimui. Tai labai svarbu, nes didžioji dalis protinio apdorojimo vyksta daugiau nei vienoje smegenų vietoje ir dažnai apima abu pusrutulius.

Pakaušio skiltis

Pakaušio skiltys didžiuosiuose pusrutuliuose pirmiausia yra susijusios su vaizdinės informacijos apdorojimu. Pakaušio skiltis taip pat žinoma kaip regos žievė. Prisiminkite, kad vaizdinius dirgiklius pirmiausia priima gumburas, kuris tada siunčia šiuos signalus į pakaušio skiltis. Čia vyksta daug funkcijų, susijusių su judesio, spalvos, gylio, atstumo ir kitų vaizdinių savybių nustatymu. Kai šie nustatymai yra atlikti, vaizdiniai dirgikliai yra palyginami su tuo, kas saugoma atmintyje, kad būtų galima nustatyti atpažinimą (suvokimą). Taigi, objektas, kuris atitinka saugomą modelį, yra atpažįstamas. Kai nėra atitikmens, naujas dirgiklis yra užkoduojamas atmintyje. Regos žievė turi bendrauti su kitomis smegenų sistemomis, kad nustatytų, ar vaizdinis dirgiklis atitinka saugomą modelį (Gazzaniga, Ivry, & Mangun, 1998). Vaizdinės informacijos apdorojimo svarba mokymosi procese pabrėžiama Joe įžangoje.

Žmonės gali lengvai kontroliuoti savo vaizdinį suvokimą priversdami save atkreipti dėmesį į tam tikras aplinkos savybes ir ignoruoti kitas. Pavyzdžiui, jei ieškome draugo minioje, galime ignoruoti tūkstančius vaizdinių dirgiklių ir sutelkti dėmesį tik į tuos dirgiklius (pvz., veido bruožus), kurie padės mums nustatyti, ar mūsų draugas yra šalia. Mokytojai naudojasi šia idėja prašydami mokinių atkreipti dėmesį į vaizdinius elementus ir informuodami juos apie pamokos tikslus pamokos pradžioje.

Parietalinė skiltis

Parietalinės skiltys smegenų viršuje, didžiuosiuose pusrutuliuose, yra atsakingos už lytėjimo pojūtį ir padeda nustatyti kūno padėtį bei integruoti vaizdinę informaciją. Parietalinės skiltys turi priekinę (priekinę) ir užpakalinę (galinę) dalis. Priekinė dalis gauna informaciją iš kūno apie lytėjimą, temperatūrą, kūno padėtį ir skausmo bei spaudimo pojūčius (Wolfe, 2001). Kiekviena kūno dalis turi tam tikras sritis priekinėje dalyje, kurios gauna jos informaciją ir užtikrina tikslų nustatymą.

Užpakalinė dalis integruoja lytėjimo informaciją, kad suteiktų erdvinį kūno suvokimą, arba žinojimą, kur yra jūsų kūno dalys visą laiką. Parietalinės skiltys taip pat gali padidinti arba sumažinti dėmesį į įvairias kūno dalis. Pavyzdžiui, kojos skausmas bus priimtas ir nustatytas parietalinės skilties, bet jei žiūrite malonų filmą ir atidžiai į jį žiūrite, galite “pamiršti“ kojos skausmą.

Smilkininė skiltis

Smilkininės skiltys, esančios didžiųjų pusrutulių šone, yra atsakingos už klausos informacijos apdorojimą. Kai gaunamas klausos signalas, pvz., balsas ar kitas garsas, ta informacija yra apdorojama ir perduodama į klausos atmintį, kad būtų nustatytas atpažinimas. Tas atpažinimas tada gali paskatinti veiksmą. Pavyzdžiui, kai mokytojas liepia mokiniams susidėti knygas ir sustoti prie durų, ta klausos informacija yra apdorojama ir atpažįstama, o tada paskatina atitinkamą veiksmą.

Vieta, kur pakaušio, parietalinės ir smilkininės skiltys susikerta žievės kairiajame pusrutulyje, yra Wernicke sritis, kuri leidžia mums suprasti kalbą ir naudoti tinkamą sintaksę kalbant. Ši sritis glaudžiai bendradarbiauja su kita sritimi kaktinės skilties kairiajame pusrutulyje, žinoma kaip Broca sritis, kuri yra būtina kalbėjimui. Nors šios pagrindinės kalbos apdorojimo sritys yra išsidėsčiusios kairiajame pusrutulyje (bet Broca sritis kai kuriems žmonėms yra dešiniajame pusrutulyje, kaip paaiškinta vėliau), daugelis smegenų dalių bendradarbiauja, kad suprastų ir sukurtų kalbą. Kalba išsamiau aptariama vėliau šiame skyriuje.

Kaktinė skiltis

Kaip rodo pavadinimas, kaktinės skiltys yra didžiųjų pusrutulių priekyje. Kaktinės skiltys sudaro didžiausią žievės dalį. Jų pagrindinės funkcijos yra apdoroti informaciją, susijusią su atmintimi, planavimu, sprendimų priėmimu, tikslų nustatymu ir kūrybiškumu. Kaktinėse skiltyse taip pat yra pirminė motorinė žievė, kuri reguliuoja raumenų judesius.

Galima teigti, kad kaktinės skiltys smegenyse aiškiausiai atskiria mus nuo žemesnių gyvūnų ir net nuo mūsų protėvių iš praeities kartų. Kaktinės skiltys išsivystė, kad atliktų vis sudėtingesnes funkcijas. Jos leidžia mums planuoti ir priimti sąmoningus sprendimus, spręsti problemas ir bendrauti su kitais. Be to, šios skiltys suteikia mums savo protinių procesų sąmoningumą, metakognicijos formą.

Nuo smegenų viršaus žemyn ausų link eina ląstelių juosta, žinoma kaip pirminė motorinė žievė. Ši sritis yra sritis, kuri kontroliuoja kūno judesius. Taigi, jei šokdami “Hokey Pokey“ pagalvojate “įdėkite dešinę koją į vidų“, tai motorinė žievė nurodo jums įdėti dešinę koją į vidų. Kiekviena kūno dalis yra priskirta tam tikrai vietai motorinėje žievėje, kad signalas iš tam tikros žievės dalies paskatintų atlikti tinkamą judesį.

Priešais motorinę žievę yra Broca sritis, kuri yra vieta, reguliuojanti kalbos gamybą. Ši sritis yra kairiajame pusrutulyje maždaug 95 % žmonių; likusiems 5 % (30 % kairiarankių) ši sritis yra dešiniajame pusrutulyje (Wolfe, 2001). Nenuostabu, kad ši sritis yra susijusi su Wernicke sritimi kairiajame smilkininės skilties nervų skaidulomis.

Kalba susiformuoja Wernicke srityje ir tada perduodama į Broca sritį, kad būtų sukurta (Wolfe, 2001).

Priekinė kaktinės skilties dalis, arba prefrontalinė žievė, yra proporcingai didesnė žmonėms nei kitiems gyvūnams. Būtent čia vyksta aukščiausios protinės veiklos formos (Ackerman, 1992). 5 skyriuje aptariama, kaip smegenyse susidaro kognityvinės informacijos apdorojimo asociacijos. Prefrontalinė žievė yra pagrindinė sritis šioms asociacijoms, nes iš jutimų gauta informacija yra susijusi su atmintyje saugoma informacija. Trumpai tariant, mokymosi vieta, atrodo, yra prefrontalinėje žievėje. Ji taip pat yra sąmoningumo reguliatorius, leidžiantis mums suvokti, ką galvojame, jaučiame ir darome. Kaip paaiškinta vėliau, prefrontalinė žievė, atrodo, dalyvauja reguliuojant emocijas.

Lentelėje „Pagrindinės smegenų sričių funkcijos“ apibendrinamos pagrindinės kiekvienos pagrindinės smegenų srities funkcijos (Byrnes, 2001; Jensen, 2005; Wolfe, 2001). Peržiūrint šią lentelę, atminkite, kad jokia smegenų dalis neveikia nepriklausomai. Greičiau informacija (neuroninių impulsų pavidalu) greitai perduodama tarp smegenų sričių. Nors daugelis smegenų funkcijų yra lokalizuotos, skirtingos smegenų dalys dalyvauja net ir paprastose užduotyse. Todėl nelabai prasminga priskirti bet kurią smegenų funkciją tik vienai sričiai, kaip atskleidžiama Emos įžangoje.

Šiandien žinome daug daugiau apie smegenų veiklą nei bet kada anksčiau, tačiau smegenys buvo tiriamos daugelį metų. Kairiojo ir dešiniojo pusrutulių funkcijos buvo nuolatinių diskusijų objektas. Wolfe (2001) pažymėjo, kad apie 400 m. pr. Kr. Hipokratas kalbėjo apie smegenų dualumą. Cowey (1998) pranešė, kad 1870 m. mokslininkai elektra stimuliuodavo skirtingas gyvūnų ir kareivių su galvos traumomis smegenų dalis. Jie nustatė, kad tam tikrų smegenų dalių stimuliavimas sukėlė judesius skirtingose kūno dalyse. Idėja, kad smegenys turi pagrindinį pusrutulį, buvo pasiūlyta jau 1874 m. (Binney & Janson, 1990).

Jau daugelį metų žinoma, kad apskritai kairysis pusrutulis valdo dešinįjį regėjimo lauką ir kūno pusę, o dešinysis pusrutulis reguliuoja kairįjį regėjimo lauką ir kūno pusę. Tačiau abu pusrutuliai yra sujungti pluoštais skaidulų, iš kurių didžiausias yra corpus callosum. Gazzaniga, Bogen ir Sperry (1962) įrodė, kad kalbą daugiausia kontroliuoja kairysis pusrutulis. Šie tyrėjai nustatė, kad kai corpus callosum buvo pažeistas, pacientai, laikę daiktą nematydami kairėje rankoje, teigė, kad nelaiko nieko. Matyt, be vizualinio stimulo ir dėl to, kad kairė ranka bendrauja su dešiniuoju pusrutuliu, kai šis pusrutulis gavo įvestį, jis negalėjo sukurti pavadinimo (nes kalba lokalizuota kairiajame pusrutulyje), o pažeidus corpus callosum, informacija negalėjo būti perkelta į kairįjį pusrutulį.

Smegenų tyrimai taip pat nustatė kitas lokalizuotas funkcijas. Analitinis mąstymas, atrodo, yra sutelktas kairiajame pusrutulyje, o erdvinis, klausos, emocinis ir meninis apdorojimas vyksta dešiniajame pusrutulyje (tačiau dešinysis pusrutulis, atrodo, apdoroja neigiamas emocijas, o kairysis pusrutulis apdoroja teigiamas emocijas; Ornstein, 1997). Muzika geriau apdorojama dešiniajame pusrutulyje; kryptingumas – dešiniajame pusrutulyje; o veido atpažinimas – kairiajame pusrutulyje.

Dešinysis pusrutulis taip pat atlieka svarbų vaidmenį interpretuojant kontekstus (Wolfe, 2001). Pavyzdžiui, tarkime, kad kas nors išgirsta naujieną ir sako: „Tai puiku!“ Tai gali reikšti, kad žmogus mano, jog naujienos yra nuostabios arba siaubingos. Kontekstas nustato teisingą reikšmę (pvz., ar kalbėtojas yra nuoširdus, ar sarkastiškas). Kontekstą galima gauti iš intonacijos, žmonių veido išraiškų ir gestų bei žinių apie kitus situacijos elementus. Atrodo, kad dešinysis pusrutulis yra pagrindinė vieta, kurioje renkama kontekstinė informacija, kad būtų galima tinkamai interpretuoti.

Kadangi funkcijos yra lokalizuotos smegenų sekcijose, buvo viliojanti prielaida, kad žmonės, kurie yra labai verbalūs, dominuoja kairysis pusrutulis (kairiarankiai), o tie, kurie yra meniškesni ir emocionalesni, yra kontroliuojami dešiniojo pusrutulio (dešiniarankiai). Tačiau tai yra supaprastinta ir klaidinanti išvada, kaip dabar supranta pedagogai pradiniame scenarijuje. Nors pusrutuliai turi lokalizuotas funkcijas, jie taip pat yra sujungti ir tarp jų vyksta didelis informacijos (nervinių impulsų) perdavimas. Labai mažai psichinio apdorojimo tikriausiai vyksta tik viename pusrutulyje (Ornstein, 1997). Be to, galime paklausti, kuris pusrutulis valdo asmenis, kurie yra ir labai verbalūs, ir emocingi (pvz., aistringi kalbėtojai).

Pusrutuliai veikia kartu; informacija visada prieinama abiem. Kalba yra geras pavyzdys. Jei bendraujate su draugu, tai jūsų kairysis pusrutulis leidžia jums kalbėti, bet jūsų dešinysis pusrutulis suteikia kontekstą ir padeda suprasti reikšmę.

Tarp kognityvinių neurologų vyksta daug diskusijų apie lateralizacijos mastą. Kai kurie teigia, kad specifinės pažintinės funkcijos yra lokalizuotos specifinėse smegenų srityse, o kiti mano, kad skirtingos sritys turi galimybę atlikti įvairias užduotis (Byrnes & Fox, 1998). Šios diskusijos atspindi diskusijas kognityvinėje psichologijoje tarp tradicinės nuomonės, kad žinios yra lokaliai koduojamos, ir lygiagretaus paskirstyto apdorojimo nuomonės (žr. 5 skyrių), kad žinios yra koduojamos ne vienoje vietoje, o per daugelį atminties tinklų (Bowers, 2009).

Yra tyrimų įrodymų, patvirtinančių abi pozicijas. Skirtingos smegenų dalys turi skirtingas funkcijas, tačiau funkcijos retai, jei kada nors, visiškai lokalizuotos vienoje smegenų dalyje. Tai ypač pasakytina apie sudėtingas psichines operacijas, kurios priklauso nuo kelių pagrindinių psichinių operacijų, kurių funkcijos gali būti išsklaidytos keliose srityse. Kaip teigė Byrnes ir Fox (1998), „Beveik bet kuriai užduočiai reikia abiejų pusrutulių dalyvavimo, tačiau atrodo, kad pusrutuliai efektyviau apdoroja tam tikrus informacijos tipus nei kiti“ (p. 310). Todėl, švietimo požiūriu, mokymo praktika skirtingoms smegenų pusėms (dešiniajai smegenų pusei, kairiajai smegenų pusei) nėra pagrįsta empiriniais tyrimais.

Viena iš priežasčių, kodėl šiandien žinome tiek daug apie CNS veikimą, yra ta, kad skirtingų sričių žmonės ėmė labiau domėtis smegenų tyrimais. Istoriškai smegenų tyrimus daugiausia atliko medicinos, biologijos mokslų ir psichologijos tyrėjai. Bėgant metams, kitų sričių žmonės ėmė labiau domėtis smegenų tyrimais, manydami, kad tyrimų rezultatai turės įtakos jų sričių plėtrai. Šiandien matome pedagogus, sociologus, socialinius darbuotojus, konsultantus, vyriausybės darbuotojus (ypač teisingumo sistemoje) ir kitus, besidominčius smegenų tyrimais. Taip pat padidėjo smegenų tyrimų finansavimas, įskaitant agentūras, kurios daugiausia finansuoja su smegenimis nesusijusius tyrimus (pvz., švietimą).

Kita priežastis, kodėl mūsų žinios padidėjo, yra ta, kad padaryta didžiulė pažanga technologijų srityje, skirtoje smegenų tyrimams atlikti. Prieš daugelį metų vienintelis būdas atlikti smegenų tyrimus buvo atlikti autopsiją. Nors mirusiųjų smegenų tyrimas davė naudingos informacijos, šis tyrimo tipas negali nustatyti, kaip smegenys funkcionuoja ir apdoroja informaciją. Pastaroji informacija reikalinga norint suprasti, kaip smegenys keičiasi mokymosi metu ir naudoja išmoktą informaciją veiksmams ir naujam mokymuisi generuoti.

Toliau aptariami metodai, kurie davė naudingos informacijos, ir apibendrinami lentelėje. Jie išdėstyti apytiksliai nuo mažiausiai iki labiausiai sudėtingų.

Rentgeno spinduliai

Rentgeno spinduliai yra aukšto dažnio elektromagnetinės bangos, kurios gali prasiskverbti pro nemetalinius objektus, kur jas sugeria kūno struktūros (Wolfe, 2001). Nesugertos bangos atsitrenkia į fotografinę plokštelę. Interpretacija pagrįsta šviesiomis ir tamsiomis sritimis (pilkais atspalviais). Rentgeno spinduliai yra dvimačiai ir naudingiausi kietoms struktūroms, pavyzdžiui, nustatant, ar nesulaužėte kaulo. Jie neveikia ypač gerai smegenyse, nes jas sudaro minkštas audinys, nors rentgeno spinduliai gali nustatyti kaukolės (kaulinės struktūros) pažeidimus.

CAT skenavimas

CAT (kompiuterinės tomografijos) skenavimas buvo sukurtas aštuntajame dešimtmetyje, siekiant padidinti pilkų atspalvių gradacijas, gaunamas iš rentgeno spindulių. CAT skenavimas naudoja rentgeno technologiją, bet patobulina vaizdus nuo dviejų iki trijų matmenų. CAT skenavimą gydytojai naudoja navikams ir kitoms anomalijoms tirti, bet, kaip ir rentgeno spinduliai, jie neteikia išsamios informacijos apie smegenų funkcionavimą.

EEG

EEG (elektroencefalografas) yra vaizdo gavimo metodas, kuris matuoja elektros modelius, sukurtus neuronų judėjimo (Wolfe, 2001). Ant galvos odos uždėti elektrodai aptinka nervinius impulsus, einančius per kaukolę. EEG technologija sustiprina signalus ir įrašo juos monitoriuje arba popierinėje diagramoje (smegenų bangos). Smegenų bangų dažnis (virpesiai) didėja protinės veiklos metu ir mažėja miego metu. EEG pasirodė naudingi vaizduojant tam tikrus smegenų sutrikimus (pvz., epilepsiją, kalbą), taip pat stebint miego sutrikimus (Wolfe, 2001). EEG teikia vertingos laikinos informacijos per su įvykiais susijusius potencialus (žr. skyrių „Kalbos vystymasis“), bet jie negali aptikti tokio tipo erdvinės informacijos (t. y., kur įvyksta veikla), kuri reikalinga norint nuodugniai ištirti mokymąsi.

PET skenavimas

PET (pozitronų emisijos tomografijos) skenavimas leidžia tirti smegenų veiklą, kai asmuo atlieka užduotis. Asmeniui suleidžiama maža radioaktyvios gliukozės dozė, kurią kraujas nuneša į smegenis. Būdamas PET skaitytuve, asmuo atlieka protines užduotis. Tos smegenų sritys, kurios įsitraukia, naudoja daugiau gliukozės ir gamina gama spindulius, kuriuos aptinka įranga. Tai lemia kompiuterizuotų spalvotų vaizdų (žemėlapių) kūrimą, kurie rodo veiklos sritis.

Nors PET skenavimas yra pažanga smegenų vaizdo gavimo technologijoje, jo naudingumas yra ribotas. Kadangi procedūrai reikia nuryti radioaktyvią medžiagą, yra apribojimas, kiek sesijų galima atlikti ir kiek vaizdų galima sukurti vienu metu. Be to, vaizdų kūrimo procesas yra gana lėtas, todėl negalima visiškai užfiksuoti greičio, kuriuo vyksta nervinė veikla. Nors PET skenavimas suteikia gerą supratimą apie bendrą smegenų veiklą, jis nerodo konkrečių veiklos sričių pakankamai detaliai (Wolfe, 2001).

MRT ir fMRT

Magnetinio rezonanso tomografija (MRT) ir naujesnė funkcinė magnetinio rezonanso tomografija (fMRT) yra smegenų vaizdo gavimo metodai, kurie sprendžia PET skenavimo problemas. MRT metu į smegenis nukreipiamas radijo bangų pluoštas. Smegenys daugiausia sudarytos iš vandens, kuriame yra vandenilio atomų. Radijo bangos verčia vandenilio atomus gaminti radijo signalus, kuriuos aptinka jutikliai ir atvaizduoja kompiuterizuotame vaizde. Detalumo lygis yra didesnis nei CAT skenavimo, o MRT dažnai naudojami navikams, pažeidimams ir kitoms anomalijoms aptikti (Wolfe, 2001).

fMRT veikia panašiai kaip MRT, išskyrus tai, kad asmenys turi atlikti protines arba elgesio užduotis. Kai jie tai daro, tos smegenų dalys, kurios yra atsakingos, sužadina neuronus, todėl į šias sritis priteka daugiau kraujo. Kraujo tėkmė pakeičia magnetinį lauką, todėl signalai tampa intensyvesni. fMRT skaitytuvas jaučia šiuos pokyčius ir atvaizduoja juos kompiuterizuotame vaizde. Šį vaizdą galima palyginti su smegenų vaizdu ramybės būsenoje, kad būtų galima aptikti pokyčius. fMRT gali užfiksuoti smegenų veiklą, kai ji vyksta, ir kur ji vyksta, nes fMRT gali įrašyti keturis vaizdus per sekundę ir nes prireikia maždaug pusės sekundės, kad smegenys reaguotų į stimulą (Wolfe, 2001). Tačiau yra tam tikras laikinas neatitikimas, nes kraujo tėkmės pokyčiai gali užtrukti kelias sekundes (Varma, McCandliss ir Schwartz, 2008).

Palyginti su kitais metodais, fMRT turi daug privalumų. Jam nereikia nuryti radioaktyvios medžiagos. Jis veikia greitai ir gali tiksliai išmatuoti veiklą. Jis gali įrašyti smegenų vaizdą per kelias sekundes, o tai yra daug greičiau nei kiti metodai. Ir fMRT galima pakartoti be problemų.

Problema su smegenų technologijomis yra ta, kad jos turi būti naudojamos dirbtiniuose kontekstuose (pvz., laboratorijose), o tai neleidžia joms užfiksuoti mokymosi aktyviose klasėse. Šią problemą galima iš dalies išspręsti duodant dalyviams mokymosi užduotis smegenų eksperimentų metu arba paveikiant juos technologija iškart po to, kai jie patyrė skirtingus klasių kontekstus (Varma ir kt., 2008). Be to, smegenų tyrimų sritis sparčiai keičiasi ir technologijos yra kuriamos bei tobulinamos. Ateityje galime tikėtis pamatyti sudėtingesnių metodų, kurie padės mums toliau tiksliai nustatyti smegenų procesus, kol vyksta mokymasis. Dabar pereisime prie mokymosi neurofiziologijos, kuri nagrinėja, kaip smegenys funkcionuoja apdorodamos, integruodamos ir naudodamos informaciją.