Neironu organizācija un struktūras: mācīšanās neirozinātne

Centrālā nervu sistēma (CNS) sastāv no smadzenēm un muguras smadzenēm, un tā ir ķermeņa centrālais mehānisms brīvprātīgas uzvedības kontrolei (piemēram, domāšana, darbība). Autonomā nervu sistēma (ANS) regulē neapzinātas darbības, piemēram, tās, kas saistītas ar gremošanu, elpošanu un asinsriti. Šīs sistēmas nav pilnībā neatkarīgas. Piemēram, cilvēki var iemācīties kontrolēt savu sirdsdarbību, kas nozīmē, ka viņi brīvprātīgi kontrolē neapzinātu darbību.

Muguras smadzenes ir aptuveni 18 collas garas un indeksa pirksta platumā. Tās stiepjas no smadzeņu pamatnes līdz muguras vidum. Tās būtībā ir smadzeņu pagarinājums. Tās galvenā funkcija ir pārnest signālus uz un no smadzenēm, padarot to par centrālo vēstnesi starp smadzenēm un pārējo ķermeni. Tās augšupejošais ceļš pārnes signālus no ķermeņa vietām uz smadzenēm, un tās lejupejošais ceļš pārnes ziņas no smadzenēm uz atbilstošo ķermeņa struktūru (piemēram, lai izraisītu kustību). Muguras smadzenes ir iesaistītas arī dažās reakcijās neatkarīgi no smadzenēm (piemēram, ceļa cīpslas reflekss). Muguras smadzeņu bojājumi, piemēram, negadījuma rezultātā, var izraisīt simptomus, sākot no nejutīguma līdz pilnīgai paralīzei (Jensen, 2005; Wolfe, 2001).

Centrālo nervu sistēmu (CNS) veido miljardiem šūnu smadzenēs un muguras smadzenēs. Ir divi galvenie šūnu veidi: neironi un glijas šūnas. Neironu organizācijas attēlojums ir parādīts zemāk:

Neironi

Smadzenes un muguras smadzenes satur aptuveni 100 miljardus neironu, kas sūta un saņem informāciju starp muskuļiem un orgāniem (Wolfe, 2001). Lielākā daļa ķermeņa neironu atrodas CNS. Neironi atšķiras no citām ķermeņa šūnām (piemēram, ādas, asins) divos svarīgos veidos. Pirmkārt, lielākā daļa ķermeņa šūnu regulāri reģenerējas. Šī nepārtrauktā atjaunošanās ir vēlama; piemēram, kad mēs sagriežamies, jaunas šūnas reģenerējas, lai aizstātu tās, kas tika bojātas. Bet neironi nereģenerējas tādā pašā veidā. Smadzeņu un muguras smadzeņu šūnas, ko iznīcinājis insults, slimība vai nelaimes gadījums, var tikt neatgriezeniski zaudētas. Tomēr jāatzīmē, ka ir pierādījumi, ka neironi var parādīt zināmu reģenerāciju (Kempermann & Gage, 1999), lai gan nav pilnībā saprotams, cik lielā mērā tas notiek un kādā veidā tas notiek.

Neironi arī atšķiras no citām ķermeņa šūnām, jo tie sazinās viens ar otru, izmantojot elektriskos signālus un ķīmiskas reakcijas. Tādējādi tie ir organizēti atšķirīgi nekā citas ķermeņa šūnas. Šī organizācija tiks apspriesta vēlāk šajā sadaļā.

Glijas Šūnas

Otrais šūnu veids CNS ir glijas šūnas. Glijas šūnu ir daudz vairāk nekā neironu. Tās var uzskatīt par atbalsta šūnām, jo tās atbalsta neironu darbu. Tās nepārraida signālus kā neironi, bet tās palīdz šajā procesā.

Glijas šūnas veic daudzas funkcijas. Galvenā no tām ir nodrošināt, ka neironi darbojas labā vidē. Glijas šūnas palīdz noņemt ķīmiskas vielas, kas var traucēt neironu darbību. Glijas šūnas arī noņem atmirušās smadzeņu šūnas. Vēl viena svarīga funkcija ir tā, ka glijas šūnas veido mielīnu, apvalkveida apvalku ap aksoniem, kas palīdz pārraidīt smadzeņu signālus (par to sīkāk nākamajā sadaļā). Glijas šūnām, šķiet, ir arī galvenās funkcijas augļa smadzeņu attīstībā (Wolfe, 2001). Tādējādi glijas šūnas darbojas kopā ar neironiem, lai nodrošinātu efektīvu CNS darbību.

Sinapses

Katrs neirons sastāv no šūnas ķermeņa, tūkstošiem īsu dendrītu un viena aksona. Dendrīts ir pagarināts audums, kas saņem informāciju no citām šūnām. Akss ir garš audu pavediens, kas sūta ziņas uz citām šūnām. Mielīna apvalks ieskauj aksonu un atvieglo signālu pārraidi.

Katrs axons beidzas ar zarojošu struktūru. Šo zarošanās struktūru gali savienojas ar dendrītu galiem. Šis savienojums ir pazīstams kā sinapse. Savstarpēji saistītā struktūra ir atslēga tam, kā neironi sazinās, jo ziņas tiek nodotas starp neironiem sinapsēs.

Process, kurā neironi sazinās, ir sarežģīts. Katra aksona galā ir ķīmiski neirotransmiteri. Tie gluži neskaras citas šūnas dendrītu. Atstarpe tiek saukta par sinaptisko atstarpi. Kad elektriskie un ķīmiskie signāli sasniedz pietiekami augstu līmeni, neirotransmiteri tiek atbrīvoti atstarpē. Neirotransmiteri vai nu aktivizēs, vai inhibēs reakciju kontaktētajā dendrītā. Tādējādi process sākas kā elektriska reakcija neironā un aksonā, pārvēršas ķīmiskā reakcijā atstarpē un pēc tam atkal pārvēršas elektriskā reakcijā dendrītā. Šis process turpinās no neirona uz neironu zibens ātrumā. Kā vēlāk apspriests šajā nodaļā, neirotransmiteru loma sinaptiskajā atstarpē ir ļoti svarīga mācībām. No neirozinātnes viedokļa mācīšanās ir šūnu jutīguma izmaiņas, ko izraisa neironu savienojumi, kas izveidoti, pastiprināti un savienoti ar citiem, izmantojot izmantošanu (Jensen, 2005; Wolfe, 2001).

Cilvēka pieauguša smadzeņu masa (smadzenes) ir aptuveni trīs mārciņas, un to lielums ir apmēram kantalupe vai liels greipfrūts (Tolson, 2006; Wolfe, 2001). Tā ārējai tekstūrai ir virkne kroku un tā ir grumbuļaina pēc izskata, atgādinot ziedkāpostu. Tā sastāvs galvenokārt ir ūdens (78%), pārējais ir tauki un olbaltumvielas. Tā tekstūra parasti ir mīksta. Galvenās smadzeņu struktūras, kas iesaistītas mācīšanās procesā, ir parādītas 2.2. attēlā (Byrnes, 2001; Jensen, 2005; Wolfe, 2001) un aprakstītas turpmāk.

Smadzeņu garoza

Smadzenes klāj smadzeņu garoza, kas ir plāns slānis aptuveni apelsīna mizas biezumā (mazāk nekā 1/4 collas). Smadzeņu garoza ir grumbuļainā “pelēkā viela” smadzenēs. Grumbas ļauj smadzeņu garozai būt lielākai virsmas platībai, kas nodrošina vairāk neironu un neironu savienojumu. Smadzeņu garozai ir divas puslodes (labā un kreisā), katrai no tām ir četras daivas (pakauša, paura, deniņu un pieres). Garoza ir centrālā zona, kas iesaistīta mācībās, atmiņā un sensorās informācijas apstrādē.

Smadzeņu stumbrs un retikulārā formācija

Smadzeņu pamatnē atrodas smadzeņu stumbrs. Smadzeņu stumbrs apstrādā ANS (piespiedu) funkcijas, izmantojot tā retikulāro formāciju, kas ir neironu un šķiedru tīkls, kas regulē tādu pamata ķermeņa funkciju kontroli kā elpošana, sirdsdarbība, asinsspiediens, acu ābolu kustība, siekalošanās un garša. Retikulārā formācija ir iesaistīta arī apziņas līmeņos (piemēram, miegā, nomodā). Piemēram, ieejot klusā, tumšā telpā, retikulārā formācija samazina smadzeņu aktivāciju un ļauj jums gulēt. Retikulārā formācija arī palīdz kontrolēt sensoros ievades datus. Lai gan mūs pastāvīgi bombardē daudzi stimuli, retikulārā formācija ļauj mums koncentrēties uz atbilstošiem stimuliem. Tas ir ļoti svarīgi uzmanībai un uztverei (5. nodaļa), kas ir galvenās cilvēka informācijas apstrādes sistēmas sastāvdaļas. Visbeidzot, retikulārā formācija ražo daudzus ķīmiskos vēstnešus smadzenēm.

Smadzenītes

Smadzenītes smadzeņu aizmugurē regulē ķermeņa līdzsvaru, muskuļu kontroli, kustības un ķermeņa stāju. Lai gan šīs aktivitātes lielā mērā ir pakļautas apzinātai kontrolei (un tāpēc ir garozas domēns), garozai nav visa nepieciešamā aprīkojuma, lai tās regulētu. Tas darbojas kopā ar smadzenītēm, lai koordinētu kustības. Smadzenītes ir galvenais mehānisko prasmju apguves elements. Ar praksi daudzas motoriskās prasmes kļūst automātiskas (piemēram, spēlēt klavieres, vadīt automašīnu). Šī automātiskums rodas tāpēc, ka smadzenītes pārņem lielu daļu kontroles, kas ļauj garozai koncentrēties uz darbībām, kas prasa apziņu (piemēram, domāšana, problēmu risināšana).

Talāms un hipotalāms

Virs smadzeņu stumbra atrodas divas valrieksta lieluma struktūras: talāms un hipotalāms. Talāms darbojas kā tilts, sūtot ievades datus no maņu orgāniem (izņemot ožu) uz garozu. Hipotalāms ir daļa no ANS. Tas kontrolē ķermeņa funkcijas, kas nepieciešamas homeostāzes uzturēšanai, piemēram, ķermeņa temperatūru, miegu, ūdeni un ēdienu. Hipotalāms ir atbildīgs arī par paātrinātu sirdsdarbību un elpošanu, kad mēs nobīstamies vai esam stresa stāvoklī.

Amygdala

Amygdala ir iesaistīta emociju un agresijas kontrolē. Ienākošie sensorie ievades dati (izņemot ožu, kas nonāk tieši garozā) nonāk talāmā, kas savukārt nodod informāciju atbilstošajai garozas zonai un amygdala. Amygdala funkcija ir novērtēt sensoro ievades datu kaitīgumu. Ja tā atpazīst potenciāli kaitīgu stimulu, tā signalizē hipotalāmam, kas rada iepriekš minētās emocionālās izmaiņas (piemēram, paātrināta sirdsdarbība un asinsspiediens).

Hipokamps

Hipokamps ir smadzeņu struktūra, kas atbild par tuvākās pagātnes atmiņu. Cik ilga ir tuvākā pagātne? Kā redzēsim 5. nodaļā, nav objektīvu kritēriju, kas veido tuvāko un ilgtermiņa (pastāvīgo) atmiņu. Acīmredzot hipokamps palīdz izveidot informāciju ilgtermiņa atmiņā (kas atrodas garozā), bet saglabā savu lomu šīs informācijas aktivizēšanā pēc vajadzības. Tādējādi hipokamps var būt iesaistīts pašlaik aktīvā (darba) atmiņā. Kad informācija ir pilnībā kodēta ilgtermiņa atmiņā, hipokamps var atteikties no savas lomas.

Corpus callosum

Gar smadzenēm (smadzenēm) no priekšpuses līdz aizmugurei stiepjas šķiedru josla, kas pazīstama kā corpus callosum. Tas sadala smadzenes divās pusēs vai puslodēs un savieno tās neironu apstrādei. Tas ir ļoti svarīgi, jo liela daļa garīgās apstrādes notiek vairāk nekā vienā vietā smadzenēs un bieži vien ietver abas puslodes.

Pakauša daiva

Smadzeņu pakauša daivas galvenokārt ir saistītas ar vizuālās informācijas apstrādi. Pakauša daiva ir pazīstama arī kā redzes garoza. Atcerieties, ka vizuālos stimulus vispirms saņem talāms, kas pēc tam nosūta šos signālus uz pakauša daivām. Šeit notiek daudzas funkcijas, kas ietver kustības, krāsas, dziļuma, attāluma un citu vizuālo īpašību noteikšanu. Kad šie noteikumi ir veikti, vizuālie stimuli tiek salīdzināti ar to, kas tiek glabāts atmiņā, lai noteiktu atpazīšanu (uztveri). Tādējādi objekts, kas atbilst saglabātajam modelim, tiek atpazīts. Ja nav atbilstības, tad atmiņā tiek kodēts jauns stimuls. Redzes garozai ir jāsazinās ar citām smadzeņu sistēmām, lai noteiktu, vai vizuālais stimuls atbilst saglabātajam modelim (Gazzaniga, Ivry, & Mangun, 1998). Vizuālās apstrādes nozīme mācībās ir uzsvērta Džo ievada vinjetē.

Cilvēki var viegli kontrolēt savu vizuālo uztveri, piespiežot sevi pievērst uzmanību noteiktām vides iezīmēm un ignorēt citas. Piemēram, ja mēs pūlī meklējam draugu, mēs varam ignorēt tūkstošiem vizuālo stimulu un koncentrēties tikai uz tiem stimuliem (piemēram, sejas vaibstiem), kas palīdzēs mums noteikt, vai mūsu draugs ir klāt. Skolotāji izmanto šo ideju, lūdzot skolēnus pievērst uzmanību vizuālajiem displejiem un informējot viņus par stundas mērķiem stundas sākumā.

Paura daiva

Paura daivas smadzeņu augšdaļā ir atbildīgas par taustes sajūtu, un tās palīdz noteikt ķermeņa stāvokli un integrēt vizuālo informāciju. Paura daivām ir priekšējā (priekšējā) un aizmugurējā (aizmugurējā) daļa. Priekšējā daļa saņem informāciju no ķermeņa par tausti, temperatūru, ķermeņa stāvokli un sāpju un spiediena sajūtām (Wolfe, 2001). Katrai ķermeņa daļai ir noteiktas vietas priekšējā daļā, kas saņem tās informāciju un nodrošina precīzu identifikāciju.

Aizmugurējā daļa integrē taustes informāciju, lai nodrošinātu telpisko ķermeņa apzināšanos jeb zināšanas par to, kur atrodas jūsu ķermeņa daļas visu laiku. Paura daivas var arī palielināt vai samazināt uzmanību dažādām ķermeņa daļām. Piemēram, sāpes kājā tiks saņemtas un identificētas ar paura daivu, bet, ja jūs skatāties patīkamu filmu un cieši pievēršat tam uzmanību, jūs varat “aizmirst par” sāpēm kājā.

Deniņu daiva

Deniņu daivas, kas atrodas smadzeņu sānos, ir atbildīgas par skaņas informācijas apstrādi. Kad tiek saņemts skaņas ievades signāls—piemēram, balss vai cita skaņa—šī informācija tiek apstrādāta un pārsūtīta uz dzirdes atmiņu, lai noteiktu atpazīšanu. Šī atpazīšana var novest pie darbības. Piemēram, kad skolotājs liek skolēniem nolikt grāmatas un nostāties pie durvīm, šī skaņas informācija tiek apstrādāta un atpazīta, un pēc tam tā noved pie atbilstošas darbības.

Vietā, kur garozas kreisajā puslodē krustojas pakauša, paura un deniņu daivas, atrodas Vernikes apgabals, kas ļauj mums saprast runu un lietot pareizu sintaksi, runājot. Šī zona cieši sadarbojas ar citu zonu pieres daivā kreisajā puslodē, kas pazīstama kā Broka apgabals, kas ir nepieciešams runāšanai. Lai gan šīs galvenās valodas apstrādes zonas atrodas kreisajā puslodē (bet Broka apgabals dažiem cilvēkiem atrodas labajā puslodē, kā paskaidrots vēlāk), daudzas smadzeņu daļas darbojas kopā, lai saprastu un radītu valodu. Valoda ir sīkāk aplūkota vēlāk šajā nodaļā.

Pieres daiva

Kā norāda nosaukums, pieres daivas atrodas smadzeņu priekšā. Pieres daivas veido lielāko daļu garozas. To galvenās funkcijas ir apstrādāt informāciju, kas saistīta ar atmiņu, plānošanu, lēmumu pieņemšanu, mērķu izvirzīšanu un radošumu. Pieres daivās atrodas arī primārā motora garoza, kas regulē muskuļu kustības.

Varētu apgalvot, ka pieres daivas smadzenēs visspilgtāk atšķir mūs no zemākiem dzīvniekiem un pat no mūsu senčiem no pagājušajām paaudzēm. Pieres daivas ir attīstījušās, lai uzņemtos arvien sarežģītākas funkcijas. Tās ļauj mums plānot un pieņemt apzinātus lēmumus, risināt problēmas un sarunāties ar citiem. Turklāt šīs daivas nodrošina mums mūsu garīgo procesu apziņu, kas ir metakognīcijas forma.

No smadzeņu augšdaļas uz leju ausu virzienā stiepjas šūnu josla, kas pazīstama kā primārā motora garoza. Šī zona ir zona, kas kontrolē ķermeņa kustības. Tādējādi, ja dejojot “Hokey Pokey” jūs domājat “lieciet savu labo kāju iekšā”, motora garoza ir tā, kas liek jums likt savu labo kāju iekšā. Katra ķermeņa daļa ir kartēta noteiktai vietai motora garozā, lai signāls no noteiktas garozas daļas novestu pie pareizas kustības.

Pirms motora garozas atrodas Broka apgabals, kas ir vieta, kas regulē runas veidošanu. Šī zona atrodas kreisajā puslodē aptuveni 95% cilvēku; pārējiem 5% (30% kreiļu) šī zona atrodas labajā puslodē (Wolfe, 2001). Nav pārsteidzoši, ka šī zona ir saistīta ar Vernikes apgabalu kreisajā deniņu daivā ar nervu šķiedrām. Runu veido Vernikes apgabalā un pēc tam pārnes uz Broka apgabalu, lai to radītu (Wolfe, 2001).

Pieres daivas priekšējā daļa jeb prefrontālā garoza cilvēkiem ir proporcionāli lielāka nekā citiem dzīvniekiem. Tieši šeit notiek augstākās garīgās darbības formas (Ackerman, 1992). 5. nodaļā ir apskatīts, kā smadzenēs tiek veidotas kognitīvās informācijas apstrādes asociācijas. Prefrontālā garoza ir galvenā zona šīm asociācijām, jo informācija, kas saņemta no maņām, ir saistīta ar atmiņā saglabāto informāciju. Īsāk sakot, mācīšanās vieta, šķiet, ir prefrontālajā garozā. Tā ir arī apziņas regulators, kas ļauj mums apzināties, ko mēs domājam, jūtam un darām. Kā paskaidrots vēlāk, prefrontālā garoza, šķiet, ir iesaistīta emociju regulēšanā.

Tabulā “Galvenās smadzeņu zonu funkcijas” ir apkopotas katras galvenās smadzeņu zonas galvenās funkcijas (Byrnes, 2001; Jensen, 2005; Wolfe, 2001). Pārskatot šo tabulu, atcerieties, ka neviena smadzeņu daļa nedarbojas neatkarīgi. Drīzāk informācija (neironu impulsu veidā) tiek ātri pārsūtīta starp smadzeņu zonām. Lai gan daudzas smadzeņu funkcijas ir lokalizētas, dažādas smadzeņu daļas ir iesaistītas pat vienkāršos uzdevumos. Tāpēc nav jēgas apzīmēt nevienu smadzeņu funkciju kā tādu, kas atrodas tikai vienā zonā, kā norādīts Emmas ievada vinjetē.

Mēs zinām daudz vairāk par smadzeņu darbību šodien nekā jebkad agrāk, bet smadzenes ir pētītas daudzus gadus. Kreisās un labās puslodes funkcijas ir bijušas nepārtrauktu debašu objekts. Wolfe (2001) atzīmēja, ka ap 400. gadu p.m.ē. Hipokrāts runāja par smadzeņu dualitāti. Cowey (1998) ziņoja, ka 1870. gadā pētnieki elektriski stimulēja dažādas dzīvnieku un karavīru smadzeņu daļas ar galvas traumām. Viņi atklāja, ka noteiktu smadzeņu daļu stimulācija izraisīja kustības dažādās ķermeņa daļās. Ideja, ka smadzenēm ir galvenā puslode, tika ierosināta jau 1874. gadā (Binney & Janson, 1990).

Jau daudzus gadus ir zināms, ka parasti kreisā puslode pārvalda labo vizuālo lauku un ķermeņa pusi, bet labā puslode regulē kreiso vizuālo lauku un ķermeņa pusi. Tomēr abas puslodes ir savienotas ar šķiedru saišķiem, no kuriem lielākais ir corpus callosum. Gazzaniga, Bogen un Sperry (1962) pierādīja, ka valodu lielākoties kontrolē kreisā puslode. Šie pētnieki atklāja, ka, kad corpus callosum tika pārgriezts, pacienti, kuri turēja neredzamu priekšmetu kreisajā rokā, apgalvoja, ka viņi neko netur. Acīmredzot, bez vizuālā stimula un tāpēc, ka kreisā roka sazinās ar labo puslodi, kad šī puslode saņēma ievadi, tā nevarēja izveidot vārdu (jo valoda ir lokalizēta kreisajā puslodē), un ar pārgrieztu corpus callosum informāciju nevarēja pārsūtīt uz kreiso puslodi.

Smadzeņu pētījumi ir arī identificējuši citas lokalizētas funkcijas. Šķiet, ka analītiskā domāšana ir centrēta kreisajā puslodē, savukārt telpiskā, dzirdes, emocionālā un mākslinieciskā apstrāde notiek labajā puslodē (bet labā puslode acīmredzot apstrādā negatīvas emocijas, bet kreisā puslode apstrādā pozitīvas emocijas; Ornstein, 1997). Mūzika tiek labāk apstrādāta labajā puslodē; virziena noteikšana - labajā puslodē; un sejas atpazīšana - kreisajā puslodē.

Labajai puslodei ir arī būtiska nozīme kontekstu interpretācijā (Wolfe, 2001). Piemēram, pieņemsim, ka kāds dzird ziņu un saka: "Tas ir lieliski!" Tas varētu nozīmēt, ka cilvēks domā, ka ziņa ir brīnišķīga vai šausmīga. Konteksts nosaka pareizo nozīmi (piemēram, vai runātājs ir patiess vai ironisks). Kontekstu var iegūt no intonācijas, cilvēku sejas izteiksmēm un žestiem, kā arī no zināšanām par citiem situācijas elementiem. Šķiet, ka labā puslode ir primārā vieta konteksta informācijas apkopošanai, lai varētu veikt pareizu interpretāciju.

Tā kā funkcijas ir lokalizētas smadzeņu daļās, ir bijis vilinoši pieņemt, ka cilvēki, kuri ir ļoti verbāli, dominē kreisā puslode (kreisās smadzenes), savukārt tos, kuri ir mākslinieciskāki un emocionālāki, kontrolē labā puslode (labās smadzenes). Bet tas ir vienkāršots un maldinošs secinājums, kā tagad saprot izglītotāji ievada scenārijā. Lai gan puslodēm ir lokalizētas funkcijas, tās ir arī savienotas, un starp tām notiek liela informācijas (nervu impulsu) apmaiņa. Ļoti maza garīgā apstrāde, visticamāk, notiek tikai vienā puslodē (Ornstein, 1997). Turklāt mēs varētu jautāt, kura puslode pārvalda indivīdus, kuri ir gan ļoti verbāli, gan emocionāli (piemēram, kaislīgi runātāji).

Puslodes darbojas saskaņoti; informācija ir pieejama abām puslodēm visu laiku. Runāšana piedāvā labu piemēru. Ja jums ir saruna ar draugu, tad kreisā puslode ļauj jums veidot runu, bet labā puslode nodrošina kontekstu un palīdz jums izprast nozīmi.

Kognitīvo neirozinātnieku vidū ir daudz debašu par lateralizācijas apmēru. Daži apgalvo, ka specifiskas kognitīvās funkcijas ir lokalizētas specifiskās smadzeņu reģionos, savukārt citi uzskata, ka dažādiem reģioniem ir spēja veikt dažādus uzdevumus (Byrnes & Fox, 1998). Šīs debates atspoguļo debates kognitīvajā psiholoģijā starp tradicionālo uzskatu, ka zināšanas ir lokāli kodētas, un paralēlo sadalīto apstrādes uzskatu (skatīt 5. nodaļu), ka zināšanas nav kodētas vienā vietā, bet gan daudzos atmiņas tīklos (Bowers, 2009).

Ir pētījumu pierādījumi, kas atbalsta abus viedokļus. Dažādām smadzeņu daļām ir dažādas funkcijas, bet funkcijas reti, ja vispār, ir pilnībā lokalizētas vienā smadzeņu daļā. Tas jo īpaši attiecas uz sarežģītām garīgām darbībām, kas ir atkarīgas no vairākām pamatgarīgām darbībām, kuru funkcijas var būt izkliedētas vairākās zonās. Kā apgalvoja Byrnes un Fox (1998), "Gandrīz jebkurš uzdevums prasa abu puslodu līdzdalību, bet šķiet, ka puslodes efektīvāk apstrādā noteiktus informācijas veidus nekā citas" (310. lpp.). Tāpēc, izglītojoties, empīriskie pētījumi neatbalsta mācīšanu dažādām smadzeņu pusēm (labās smadzenes, kreisās smadzenes).

Viens no iemesliem, kāpēc mēs šodien zinām daudz vairāk par CNS darbību nekā jebkad agrāk, ir tas, ka dažādu jomu cilvēku interese par smadzeņu izpēti ir saplūdusi. Vēsturiski smadzeņu izpēti galvenokārt veica medicīnas, bioloģijas un psiholoģijas pētnieki. Gadu gaitā cilvēki citās jomās ir sākuši vairāk interesēties par smadzeņu izpēti, uzskatot, ka pētījumu rezultātiem būs ietekme uz attīstību viņu jomās. Mūsdienās mēs redzam pedagogus, sociologus, sociālos darbiniekus, konsultantus, valdības darbiniekus (īpaši tos, kas strādā tiesu sistēmā) un citus, kas interesējas par smadzeņu izpēti. Ir palielinājies arī finansējums smadzeņu izpētei, tostarp no aģentūrām, kas galvenokārt finansē ar smadzenēm nesaistītus pētījumus (piemēram, izglītība).

Vēl viens iemesls mūsu paplašinātajām zināšanām ir tas, ka ir notikuši milzīgi tehnoloģiju sasniegumi smadzeņu izpētes veikšanai. Pirms daudziem gadiem vienīgais veids, kā veikt smadzeņu izpēti, bija veikt autopsiju. Lai gan mirušo cilvēku smadzeņu izpēte ir sniegusi noderīgu informāciju, šāda veida pētījumi nevar noteikt, kā smadzenes funkcionē un apstrādā informāciju. Pēdējā informācija ir nepieciešama, lai izprastu, kā smadzenes mainās mācīšanās laikā un izmanto apgūto informāciju, lai radītu darbības un jaunu mācīšanos.

Zemāk ir apspriestas un tabulā apkopotas metodes, kas ir sniegušas noderīgu informāciju. Tās ir sakārtotas aptuveni no mazāk sarežģītām līdz sarežģītākām.

Rentgenstari

Rentgenstari ir augstas frekvences elektromagnētiskie viļņi, kas var iziet cauri nemetāliskiem objektiem, kurus absorbē ķermeņa struktūras (Wolfe, 2001). Neabsorbētie stari skar fotogrāfisko plati. Interpretācija balstās uz gaišiem un tumšiem laukumiem (pelēkiem toņiem). Rentgenstari ir divdimensiju, un tie ir visnoderīgākie cietām struktūrām, piemēram, lai noteiktu, vai jums ir salauzts kauls. Tie īpaši labi nedarbojas smadzenēs, jo tās sastāv no mīkstiem audiem, lai gan rentgenstari var noteikt galvaskausa (kaulu struktūras) bojājumus.

CAT skenēšana

CAT (datorizētā aksiālā tomogrāfija) skenēšana tika izstrādāta 1970. gadu sākumā, lai palielinātu pelēko toņu gradācijas, ko rada rentgenstari. CAT skenēšanā tiek izmantota rentgena tehnoloģija, bet attēli tiek uzlaboti no divām līdz trim dimensijām. CAT skenēšanu ārsti izmanto, lai izpētītu audzējus un citas novirzes, bet, tāpat kā rentgenstari, tie nesniedz detalizētu informāciju par smadzeņu darbību.

EEG

EEG (elektroencefalogrāfs) ir attēlveidošanas metode, kas mēra neironu kustību radītos elektriskos modeļus (Wolfe, 2001). Elektrodi, kas novietoti uz galvas ādas, uztver neironu impulsus, kas iet cauri galvaskausam. EEG tehnoloģija palielina signālus un reģistrē tos monitorā vai papīra diagrammā (smadzeņu viļņi). Smadzeņu viļņu (svārstību) frekvence palielinās garīgās aktivitātes laikā un samazinās miega laikā. EEG ir izrādījusies noderīga, lai attēlotu noteiktus smadzeņu darbības traucējumu veidus (piemēram, epilepsiju, valodu), kā arī lai uzraudzītu miega traucējumus (Wolfe, 2001). EEG sniedz vērtīgu laika informāciju, izmantojot ar notikumiem saistītus potenciālus (skatīt sadaļu Valodas attīstība), bet tie nevar noteikt tāda veida telpisko informāciju (t.i., kur notiek aktivitāte), kas ir nepieciešama, lai padziļināti izpētītu mācīšanos.

PET skenēšana

PET (pozitronu emisijas tomogrāfijas) skenēšana ļauj izpētīt smadzeņu darbību, kamēr indivīds veic uzdevumus. Personai tiek injicēta neliela deva radioaktīvās glikozes, ko asinis pārnes uz smadzenēm. Atrodoties PET skenerī, indivīds veic garīgus uzdevumus. Tie smadzeņu apgabali, kas tiek iesaistīti, izmanto vairāk glikozes un rada gamma starus, ko uztver iekārta. Tas noved pie tā, ka tiek izveidoti datorizēti krāsu attēli (kartes), kas parāda aktivitātes apgabalus.

Lai gan PET skenēšana ir smadzeņu attēlveidošanas tehnoloģiju sasniegums, to lietderība ir ierobežota. Tā kā procedūra prasa radioaktīvā materiāla uzņemšanu, ir ierobežots sesiju skaits, ko var veikt, un attēlu skaits, ko var izveidot vienlaikus. Turklāt attēlu izveide ir salīdzinoši lēns process, tāpēc nevar pilnībā uztvert ātrumu, ar kādu notiek neironu aktivitāte. Lai gan PET skenēšana sniedz labu priekšstatu par vispārējo smadzeņu darbību, tā nerāda specifiskus aktivitātes apgabalus pietiekami detalizēti (Wolfe, 2001).

MRI un fMRI

Magnētiskās rezonanses attēlveidošana (MRI) un jaunākā funkcionālā magnētiskās rezonanses attēlveidošana (fMRI) ir smadzeņu attēlveidošanas metodes, kas risina problēmas ar PET skenēšanu. MRI gadījumā smadzenēm tiek virzīts radioviļņu stars. Smadzenes galvenokārt sastāv no ūdens, kas satur ūdeņraža atomus. Radioviļņi liek ūdeņraža atomiem radīt radiosignālus, ko uztver sensori un kartē datorizētā attēlā. Detaļu līmenis ir augstāks nekā CAT skenēšanas gadījumā, un MRI parasti izmanto, lai noteiktu audzējus, bojājumus un citas novirzes (Wolfe, 2001).

fMRI darbojas ļoti līdzīgi MRI, izņemot to, ka personām ir jāveic garīgi vai uzvedības uzdevumi. To darot, smadzeņu daļas, kas ir atbildīgas, ierosina neironus, kas izraisa lielāku asins plūsmu uz šiem reģioniem. Asins plūsma maina magnētisko lauku, tāpēc signāli kļūst intensīvāki. fMRI skeneris uztver šīs izmaiņas un kartē tās datorizētā attēlā. Šo attēlu var salīdzināt ar smadzeņu attēlu miera stāvoklī, lai noteiktu izmaiņas. fMRI var uztvert smadzeņu darbību, kad tā notiek un kur tā notiek, jo fMRI var reģistrēt četrus attēlus sekundē un tāpēc, ka smadzenēm paiet aptuveni pussekunde, lai reaģētu uz stimulu (Wolfe, 2001). Tomēr pastāv zināma laika neatbilstība, jo asins plūsmas izmaiņas var ilgt vairākas sekundes (Varma, McCandliss, & Schwartz, 2008).

Salīdzinot ar citām metodēm, fMRI ir daudz priekšrocību. Tam nav nepieciešams uzņemt radioaktīvu vielu. Tas darbojas ātri un var precīzi izmērīt aktivitāti. Tas var reģistrēt smadzeņu attēlu dažu sekunžu laikā, kas ir daudz ātrāk nekā citas metodes. Un fMRI var atkārtot bez problēmām.

Problēma ar smadzeņu tehnoloģijām ir tā, ka tās jāizmanto mākslīgos kontekstos (piemēram, laboratorijās), kas neļauj tām uztvert mācīšanos aktīvās klasēs. Šo problēmu var daļēji atrisināt, piešķirot dalībniekiem mācību uzdevumus smadzeņu eksperimentu laikā vai pakļaujot tos tehnoloģijai tūlīt pēc tam, kad viņi ir pieredzējuši dažādus klases kontekstus (Varma et al., 2008). Turklāt smadzeņu izpētes joma strauji mainās un tehnoloģijas tiek izstrādātas un pilnveidotas. Nākotnē mēs varam sagaidīt sarežģītākas metodes, kas palīdzēs mums vēl precīzāk noteikt smadzeņu procesus, kamēr notiek mācīšanās. Tagad mēs pievērsīsimies mācīšanās neirofizioloģijai, kas aplūko, kā smadzenes funkcionē, lai apstrādātu, integrētu un izmantotu informāciju.