Organizacja i Struktury Neuronowe (Neurobiologia Uczenia Się)

Centralny układ nerwowy (CUN) składa się z mózgu i rdzenia kręgowego i jest centralnym mechanizmem kontroli zachowań dowolnych (np. myślenie, działanie). Autonomiczny układ nerwowy (AUN) reguluje czynności mimowolne, takie jak trawienie, oddychanie i krążenie krwi. Systemy te nie są całkowicie niezależne. Ludzie mogą na przykład nauczyć się kontrolować swoje tętno, co oznacza, że dobrowolnie kontrolują czynność mimowolną.

Rdzeń kręgowy ma około 18 cali długości i szerokość palca wskazującego. Biegnie od podstawy mózgu w dół środka pleców. Jest zasadniczo przedłużeniem mózgu. Jego podstawową funkcją jest przesyłanie sygnałów do i z mózgu, co czyni go centralnym posłańcem między mózgiem a resztą ciała. Jego droga wstępująca przenosi sygnały z lokalizacji ciała do mózgu, a jego droga zstępująca przenosi wiadomości z mózgu do odpowiedniej struktury ciała (np. w celu wywołania ruchu). Rdzeń kręgowy jest również zaangażowany w niektóre reakcje niezależnie od mózgu (np. odruch kolanowy). Uszkodzenie rdzenia kręgowego, na przykład w wyniku wypadku, może powodować objawy od drętwienia do całkowitego paraliżu (Jensen, 2005; Wolfe, 2001).

Ośrodkowy układ nerwowy (OUN) składa się z miliardów komórek w mózgu i rdzeniu kręgowym. Istnieją dwa główne typy komórek: neurony i komórki glejowe. Poniżej przedstawiono schemat organizacji neuronalnej:

Neurony

Mózg i rdzeń kręgowy zawierają około 100 miliardów neuronów, które wysyłają i odbierają informacje między mięśniami i narządami (Wolfe, 2001). Większość neuronów w ciele znajduje się w OUN. Neurony różnią się od innych komórek ciała (np. skóry, krwi) na dwa ważne sposoby. Po pierwsze, większość komórek ciała regularnie się regeneruje. Ta ciągła odnowa jest pożądana; na przykład, kiedy się skaleczymy, nowe komórki regenerują się, aby zastąpić te, które zostały uszkodzone. Ale neurony nie regenerują się w ten sam sposób. Komórki mózgu i rdzenia kręgowego zniszczone przez udar, chorobę lub wypadek mogą zostać trwale utracone. Z drugiej strony, istnieją dowody na to, że neurony mogą wykazywać pewną regenerację (Kempermann & Gage, 1999), chociaż zakres, w jakim to następuje, i proces, w jakim to następuje, nie są dobrze poznane.

Neurony różnią się również od innych komórek ciała, ponieważ komunikują się ze sobą za pomocą sygnałów elektrycznych i reakcji chemicznych. Są zatem zorganizowane inaczej niż inne komórki ciała. Ta organizacja zostanie omówiona później w tej sekcji.

Komórki glejowe

Drugim typem komórek w OUN są komórki glejowe. Komórek glejowych jest znacznie więcej niż neuronów. Można je uważać za komórki wspierające, ponieważ wspierają one pracę neuronów. Nie przekazują sygnałów jak neurony, ale pomagają w tym procesie.

Komórki glejowe pełnią wiele funkcji. Kluczową jest zapewnienie, aby neurony działały w dobrym środowisku. Komórki glejowe pomagają usuwać substancje chemiczne, które mogą zakócać działanie neuronów. Komórki glejowe usuwają również martwe komórki mózgowe. Inną ważną funkcją jest to, że komórki glejowe odłożą mielinę, osłonkę wokół aksonów, która pomaga w przekazywaniu sygnałów mózgowych (omówione w następnej sekcji). Komórki glejowe wydają się również odgrywać kluczową rolę w rozwoju mózgu płodowego (Wolfe, 2001). Zatem komórki glejowe współpracują z neuronami, aby zapewnić skuteczne funkcjonowanie OUN.

Synapsy

Każdy neuron składa się z ciała komórki, tysiąców krótkich dendrytów i jednego aksonu. Dendryt to wydłużona tkanka, która odbiera informacje od innych komórek. Akson to długie pasmo tkanki, które wysyła wiadomości do innych komórek. Osłonka mielinowa otacza akson i ułatwia przesyłanie sygnałów.

Każdy akson kończy się rozgałęziającą się strukturą. Końce tych rozgałęziających się struktur łączą się z końcami dendrytów. To połączenie jest znane jako synapsa. Połączona struktura jest kluczem do tego, jak komunikują się neurony, ponieważ wiadomości są przekazywane między neuronami w synapsach.

Proces, w którym komunikują się neurony, jest złożony. Na końcu każdego aksonu znajdują się neuroprzekaźniki chemiczne. Nie dotykają one bezpośrednio dendrytów innej komórki. Luka nazywana jest szczeliną synaptyczną. Kiedy sygnały elektryczne i chemiczne osiągną wystarczająco wysoki poziom, neuroprzekaźniki są uwalniane do szczeliny. Neuroprzekaźniki albo aktywują, albo zahamują reakcję w połączonym dendrycie. Zatem proces rozpoczyna się jako reakcja elektryczna w neuronie i aksonie, zmienia się w reakcję chemiczną w szczelinie, a następnie przekształca się w odpowiedź elektryczną w dendrycie. Ten proces trwa od neuronu do neuronu z prędkością błyskawicy. Jak omówiono później w tym rozdziale, rola neuroprzekaźników w szczelinie synaptycznej ma kluczowe znaczenie dla uczenia się. Z perspektywy neuronauki uczenie się to zmiana w odbiorze komórek spowodowana połączeniami neuronalnymi utworzonymi, wzmocnionymi i połączonymi z innymi poprzez użycie (Jensen, 2005; Wolfe, 2001).

Mózg dorosłego człowieka (mózgowie) waży około trzech funtów i ma rozmiar melona kantalupa lub dużego grejpfruta (Tolson, 2006; Wolfe, 2001). Jego zewnętrzna tekstura ma szereg fałd i jest pomarszczona, przypominając kalafiflora. Składa się głównie z wody (78%), reszta to tłuszcz i białko. Jego tekstura jest na ogół miękka. Główne struktury mózgowe zaangażowane w uczenie się przedstawiono na Rysunku 2.2 (Byrnes, 2001; Jensen, 2005; Wolfe, 2001) i opisano poniżej.

Kora mózgowa

Mózg pokrywa kora mózgowa, która jest cienką warstwą o grubości skórki pomarańczy (mniej niż 1/4 cala). Kora mózgowa jest pomarszczoną “szarą materią” mózgu. Zmarszczki pozwalają korze mózgowej mieć większą powierzchnię, co umożliwia więcej neuronów i połączeń neuronalnych. Kora mózgowa ma dwie półkule (prawą i lewą), z których każda ma cztery płaty (potyliczny, ciemieniowy, skroniowy i czołowy). Kora jest centralnym obszarem zaangażowanym w uczenie się, pamięć i przetwarzanie informacji sensorycznych.

Pień mózgu i Formacja siatkowata

U podstawy mózgu znajduje się pień mózgu. Pień mózgu obsługuje funkcje ANS (mimowolne) poprzez swoją formację siatkowatą, która jest siecią neuronów i włókien, które regulują kontrolę takich podstawowych funkcji organizmu, jak oddychanie, tętno, ciśnienie krwi, ruch gałek ocznych, wydzielanie śliny i smak. Formacja siatkowata jest również zaangażowana w poziomy świadomości (np. sen, czuwanie). Na przykład, kiedy wchodzisz do cichego, ciemnego pokoju, formacja siatkowata zmniejsza aktywację mózgu i pozwala ci zasnąć. Formacja siatkowata pomaga również kontrolować bodźce sensoryczne. Chociaż jesteśmy stale bombardowani wieloma bodźcami, formacja siatkowata pozwala nam skupić się na istotnych bodźcach. Jest to kluczowe dla uwagi i percepcji (Rozdział 5), które są kluczowymi elementami systemu przetwarzania informacji przez człowieka. Wreszcie, formacja siatkowata wytwarza wiele chemicznych przekaźników dla mózgu.

Móżdżek

Móżdżek z tyłu mózgu reguluje równowagę ciała, kontrolę mięśni, ruch i postawę ciała. Chociaż te czynności są w dużej mierze pod świadomą kontrolą (a zatem domeną kory), kora nie ma całego sprzętu, którego potrzebuje do ich regulacji. Współpracuje z móżdżkiem w celu koordynacji ruchów. Móżdżek jest kluczem do nabywania umiejętności motorycznych. Wraz z praktyką wiele umiejętności motorycznych staje się automatycznych (np. gra na pianinie, prowadzenie samochodu). Ta automatyzacja występuje, ponieważ móżdżek przejmuje dużą część kontroli, co pozwala korze skupić się na czynnościach wymagających świadomości (np. myślenie, rozwiązywanie problemów).

Wzgórze i Podwzgórze

Powyżej pnia mózgu znajdują się dwie struktury wielkości orzecha włoskiego: wzgórze i podwzgórze. Wzgórze działa jak most, wysyłając bodźce z narządów zmysłów (z wyjątkiem węchu) do kory. Podwzgórze jest częścią ANS. Kontroluje funkcje organizmu potrzebne do utrzymania homeostazy, takie jak temperatura ciała, sen, woda i pożywienie. Podwzgórze jest również odpowiedzialne za zwiększone tętno i oddychanie, gdy się boimy lub stresujemy.

Ciało migdałowate

Ciało migdałowate jest zaangażowane w kontrolę emocji i agresji. Nadchodzące bodźce sensoryczne (z wyjątkiem węchu, które trafiają prosto do kory) trafiają do wzgórza, które z kolei przekazuje informacje do odpowiedniego obszaru kory i do ciała migdałowatego. Funkcją ciała migdałowatego jest ocena szkodliwości bodźców sensorycznych. Jeśli rozpozna potencjalnie szkodliwy bodziec, sygnalizuje podwzgórze, które powoduje zmiany emocjonalne opisane powyżej (np. zwiększone tętno i ciśnienie krwi).

Hipokamp

Hipokamp jest strukturą mózgową odpowiedzialną za pamięć bezpośredniej przeszłości. Jak długa jest bezpośrednia przeszłość? Jak zobaczymy w Rozdziale 5, nie ma obiektywnego kryterium dla tego, co stanowi pamięć bezpośrednią i długotrwałą (trwałą). Najwyraźniej hipokamp pomaga utrwalić informacje w pamięci długotrwałej (która znajduje się w korze), ale utrzymuje swoją rolę w aktywacji tych informacji w razie potrzeby. Tak więc hipokamp może być zaangażowany w aktualnie aktywną (roboczą) pamięć. Gdy informacje zostaną w pełni zakodowane w pamięci długotrwałej, hipokamp może zrzec się swojej roli.

Ciało modzelowate

Wzdłuż mózgu (mózgowia) od przodu do tyłu biegnie pas włókien znany jako ciało modzelowate. Dzieli mózgowie na dwie połowy, czyli półkule, i łączy je w celu przetwarzania neuronalnego. Jest to kluczowe, ponieważ wiele procesów umysłowych zachodzi w więcej niż jednym miejscu w mózgu i często obejmuje obie półkule.

Płat potyliczny

Płaty potyliczne mózgowia zajmują się przede wszystkim przetwarzaniem informacji wzrokowych. Płat potyliczny jest również znany jako kora wzrokowa. Przypomnijmy, że bodźce wzrokowe są najpierw odbierane przez wzgórze, które następnie wysyła te sygnały do płatów potylicznych. Zachodzi tu wiele funkcji, które obejmują określanie ruchu, koloru, głębi, odległości i innych cech wizualnych. Po dokonaniu tych ustaleń bodźce wzrokowe są porównywane z tym, co jest przechowywane w pamięci, aby określić rozpoznawanie (percepcję). Tak więc obiekt, który pasuje do zapisanego wzorca, jest rozpoznawany. Gdy nie ma dopasowania, nowy bodziec jest kodowany w pamięci. Kora wzrokowa musi komunikować się z innymi systemami mózgowymi, aby określić, czy bodziec wzrokowy pasuje do zapisanego wzorca (Gazzaniga, Ivry, & Mangun, 1998). Znaczenie przetwarzania wzrokowego w uczeniu się podkreśla otwierająca winieta Joe.

Ludzie mogą łatwo kontrolować swoją percepcję wzrokową, zmuszając się do zwracania uwagi na pewne cechy otoczenia i ignorowania innych. Na przykład, jeśli szukamy przyjaciela w tłumie, możemy zignorować tysiące bodźców wzrokowych i skupić się tylko na tych bodźcach (np. cechy twarzy), które pomogą nam określić, czy nasz przyjaciel jest obecny. Nauczyciele wykorzystują ten pomysł, prosząc uczniów o zwracanie uwagi na wyświetlacze wizualne i informując ich o celach lekcji na początku lekcji.

Płat ciemieniowy

Płaty ciemieniowe na górze mózgu w mózgowiu są odpowiedzialne za zmysł dotyku i pomagają określić pozycję ciała oraz integrować informacje wzrokowe. Płaty ciemieniowe mają część przednią (przednią) i tylną (tylną). Część przednia otrzymuje informacje z ciała dotyczące dotyku, temperatury, pozycji ciała oraz odczuć bólu i nacisku (Wolfe, 2001). Każda część ciała ma określone obszary w części przedniej, które otrzymują jej informacje i zapewniają dokładną identyfikację.

Część tylna integruje informacje dotykowe, aby zapewnić świadomość przestrzenną ciała, czyli wiedzę o tym, gdzie znajdują się części ciała przez cały czas. Płaty ciemieniowe mogą również zwiększać lub zmniejszać uwagę na różne części ciała. Na przykład ból w nodze zostanie odebrany i zidentyfikowany przez płat ciemieniowy, ale jeśli oglądasz przyjemny film i uważnie na niego zwracasz uwagę, możesz “zapomnieć o” bólu w nodze.

Płat skroniowy

Płaty skroniowe, umieszczone po bokach mózgowia, są odpowiedzialne za przetwarzanie informacji słuchowych. Gdy zostanie odebrany bodziec słuchowy—taki jak głos lub inny dźwięk—informacja ta jest przetwarzana i przekazywana do pamięci słuchowej w celu określenia rozpoznawania. Rozpoznanie to może następnie prowadzić do działania. Na przykład, gdy nauczyciel mówi uczniom, aby schowali książki i ustawili się w kolejce przy drzwiach, informacja słuchowa jest przetwarzana i rozpoznawana, a następnie prowadzi do odpowiedniego działania.

Położony w miejscu, gdzie przecinają się płaty potyliczny, ciemieniowy i skroniowy w lewej półkuli kory, znajduje się obszar Wernickego, który pozwala nam rozumieć mowę i używać prawidłowej składni podczas mówienia. Obszar ten ściśle współpracuje z innym obszarem w płacie czołowym lewej półkuli, znanym jako obszar Broki, który jest niezbędny do mówienia. Chociaż te kluczowe obszary przetwarzania języka znajdują się w lewej półkuli (ale obszar Broki znajduje się w prawej półkuli u niektórych osób, jak wyjaśniono później), wiele części mózgu współpracuje ze sobą, aby rozumieć i produkować język. Język zostanie omówiony bardziej szczegółowo w dalszej części tego rozdziału.

Płat czołowy

Jak sama nazwa wskazuje, płaty czołowe leżą z przodu mózgowia. Płaty czołowe stanowią największą część kory. Ich centralną funkcją jest przetwarzanie informacji związanych z pamięcią, planowaniem, podejmowaniem decyzji, wyznaczaniem celów i kreatywnością. Płaty czołowe zawierają również pierwotną korę ruchową, która reguluje ruchy mięśni.

Można argumentować, że płaty czołowe w mózgu najdokładniej odróżniają nas od niższych zwierząt, a nawet od naszych przodków z przeszłych pokoleń. Płaty czołowe ewoluowały, aby przyjmować coraz bardziej złożone funkcje. Pozwalają nam planować i podejmować świadome decyzje, rozwiązywać problemy i rozmawiać z innymi. Ponadto płaty te zapewniają nam świadomość naszych procesów umysłowych, formę metacognition.

Od góry mózgu w dół w kierunku uszu biegnie pas komórek znany jako pierwotna kora ruchowa. Obszar ten kontroluje ruchy ciała. Tak więc, jeśli podczas tańca “Hokey Pokey” myślisz “włóż prawą stopę do środka”, to kora ruchowa nakazuje ci włożyć prawą stopę do środka. Każda część ciała jest przypisana do określonej lokalizacji w korze ruchowej, tak że sygnał z określonej części kory prowadzi do wykonania odpowiedniego ruchu.

Przed korą ruchową znajduje się obszar Broki, który jest lokalizacją regulującą produkcję mowy. Obszar ten znajduje się w lewej półkuli u około 95% osób; u pozostałych 5% (30% osób leworęcznych) obszar ten znajduje się w prawej półkuli (Wolfe, 2001). Nic dziwnego, że obszar ten jest połączony z obszarem Wernickego w lewym płacie skroniowym za pomocą włókien nerwowych. Mowa jest formowana w obszarze Wernickego, a następnie przenoszona do obszaru Broki w celu produkcji (Wolfe, 2001).

Przednia część płata czołowego, czyli kora przedczołowa, jest proporcjonalnie większa u ludzi niż u innych zwierząt. To tutaj zachodzą najwyższe formy aktywności umysłowej (Ackerman, 1992). Rozdział 5 omawia, w jaki sposób tworzone są skojarzenia przetwarzania informacji poznawczych w mózgu. Kora przedczołowa jest kluczowym obszarem dla tych skojarzeń, ponieważ informacje odbierane ze zmysłów są powiązane z informacjami przechowywanymi w pamięci. Krótko mówiąc, siedlisko uczenia się wydaje się znajdować w korze przedczołowej. Jest to również regulator świadomości, pozwalający nam być świadomym tego, co myślimy, czujemy i robimy. Jak wyjaśniono później, kora przedczołowa wydaje się być zaangażowana w regulację emocji.

Tabela 'Kluczowe funkcje obszarów mózgu' podsumowuje kluczowe funkcje każdego z głównych obszarów mózgu (Byrnes, 2001; Jensen, 2005; Wolfe, 2001). Przeglądając tę tabelę, pamiętaj, że żadna część mózgu nie działa niezależnie. Raczej informacje (w postaci impulsów nerwowych) są szybko przesyłane między obszarami mózgu. Chociaż wiele funkcji mózgu jest zlokalizowanych, różne części mózgu są zaangażowane nawet w proste zadania. Dlatego nie ma sensu etykietować żadnej funkcji mózgu jako znajdującej się tylko w jednym obszarze, jak podkreślono w otwierającej winietce przez Emmę.

Obecnie wiemy znacznie więcej o funkcjonowaniu mózgu niż kiedykolwiek wcześniej, ale mózg był badany od wielu lat. Funkcje lewej i prawej półkuli były przedmiotem ciągłej debaty. Wolfe (2001) zauważył, że około 400 r. p.n.e. Hipokrates mówił o dwoistości mózgu. Cowey (1998) donosił, że w 1870 r. naukowcy stymulowali elektrycznie różne części mózgów zwierząt i żołnierzy z urazami głowy. Odkryli, że stymulacja pewnych części mózgu powodowała ruchy w różnych częściach ciała. Idea, że mózg ma dominującą półkulę, została zaproponowana już w 1874 r. (Binney & Janson, 1990).

Od wielu lat wiadomo, że ogólnie rzecz biorąc, lewa półkula kontroluje prawe pole widzenia i stronę ciała, a prawa półkula reguluje lewe pole widzenia i stronę ciała. Jednak obie półkule są połączone wiązkami włókien, z których największą jest ciało modzelowate. Gazzaniga, Bogen i Sperry (1962) wykazali, że język jest kontrolowany głównie przez lewą półkulę. Badacze ci odkryli, że kiedy ciało modzelowate zostało przecięte, pacjenci trzymający niewidoczny przedmiot w lewej ręce twierdzili, że nic nie trzymają. Najwyraźniej, bez bodźca wzrokowego i dlatego, że lewa ręka komunikuje się z prawą półkulą, kiedy ta półkula otrzymała dane wejściowe, nie mogła wygenerować nazwy (ponieważ język jest zlokalizowany w lewej półkuli), a przy przeciętym ciele modzelowatym informacje nie mogły zostać przekazane do lewej półkuli.

Badania mózgu zidentyfikowały również inne zlokalizowane funkcje. Myślenie analityczne wydaje się być skoncentrowane w lewej półkuli, podczas gdy przetwarzanie przestrzenne, słuchowe, emocjonalne i artystyczne zachodzi w prawej półkuli (ale prawa półkula najwyraźniej przetwarza negatywne emocje, a lewa półkula przetwarza pozytywne emocje; Ornstein, 1997). Muzyka jest lepiej przetwarzana w prawej półkuli; kierunkowość w prawej półkuli; a rozpoznawanie twarzy w lewej półkuli.

Prawa półkula odgrywa również kluczową rolę w interpretacji kontekstów (Wolfe, 2001). Na przykład załóżmy, że ktoś słyszy wiadomość i mówi: “To wspaniale!” To może oznaczać, że osoba uważa, że wiadomość jest wspaniała lub okropna. Kontekst determinuje poprawne znaczenie (np. czy mówca jest szczery, czy sarkastyczny). Kontekst można uzyskać z intonacji, mimiki i gestów ludzi oraz wiedzy o innych elementach sytuacji. Wydaje się, że prawa półkula jest głównym miejscem gromadzenia informacji kontekstowych, dzięki czemu można dokonać właściwej interpretacji.

Ponieważ funkcje są zlokalizowane w sekcjach mózgu, kuszące było postulowanie, że osoby, które są bardzo werbalne, są zdominowane przez lewą półkulę (lewopółkulowe), podczas gdy osoby, które są bardziej artystyczne i emocjonalne, są kontrolowane przez prawą półkulę (prawopółkulowe). Ale jest to uproszczony i mylący wniosek, jak zdają sobie teraz sprawę nauczyciele w scenariuszu otwierającym. Chociaż półkule mają zlokalizowane funkcje, są również połączone i istnieje duża wymiana informacji (impulsów nerwowych) między nimi. Bardzo niewiele przetwarzania mentalnego prawdopodobnie zachodzi tylko w jednej półkuli (Ornstein, 1997). Ponadto możemy zapytać, która półkula rządzi osobami, które są zarówno bardzo werbalne, jak i emocjonalne (np. namiętni mówcy).

Półkule działają w porozumieniu; informacje są dostępne dla obu z nich przez cały czas. Mowa jest dobrym przykładem. Jeśli prowadzisz rozmowę z przyjacielem, to twoja lewa półkula pozwala ci produkować mowę, ale twoja prawa półkula zapewnia kontekst i pomaga ci zrozumieć znaczenie.

Wśród neuronaukowców poznawczych toczy się wiele debat na temat zakresu lateralizacji. Niektórzy twierdzą, że specyficzne funkcje poznawcze są zlokalizowane w specyficznych regionach mózgu, podczas gdy inni uważają, że różne regiony mają zdolność do wykonywania różnych zadań (Byrnes & Fox, 1998). Ta debata odzwierciedla debatę w psychologii poznawczej między tradycyjnym poglądem, że wiedza jest kodowana lokalnie, a poglądem o przetwarzaniu rozproszonym równolegle (zob. rozdział 5), że wiedza jest kodowana nie w jednym miejscu, ale raczej w wielu sieciach pamięci (Bowers, 2009).

Istnieją dowody z badań, które popierają obie pozycje. Różne części mózgu mają różne funkcje, ale funkcje rzadko, jeśli w ogóle, są całkowicie zlokalizowane w jednej sekcji mózgu. Dotyczy to szczególnie złożonych operacji umysłowych, które zależą od kilku podstawowych operacji umysłowych, których funkcje mogą być rozproszone w kilku obszarach. Jak twierdzili Byrnes i Fox (1998), “Prawie każde zadanie wymaga udziału obu półkul, ale wydaje się, że półkule przetwarzają pewne rodzaje informacji wydajniej niż inne” (s. 310). Z edukacyjnego punktu widzenia, zatem, praktyka nauczania do różnych stron mózgu (prawa półkula, lewa półkula) nie jest poparta badaniami empirycznymi.

Jednym z powodów, dla których wiemy dziś o wiele więcej na temat funkcjonowania OUN niż kiedykolwiek wcześniej, jest zbieżność zainteresowań badaniami mózgu wśród osób z różnych dziedzin. Historycznie, badania mózgu były prowadzone głównie przez badaczy z medycyny, nauk biologicznych i psychologii. Z biegiem lat osoby z innych dziedzin zaczęły wykazywać większe zainteresowanie badaniami mózgu, wierząc, że wyniki badań będą miały implikacje dla rozwoju w ich dziedzinach. Dziś spotykamy edukatorów, socjologów, pracowników socjalnych, doradców, pracowników rządowych (zwłaszcza w systemie sądownictwa) i innych, którzy interesują się badaniami mózgu. Zwiększyło się również finansowanie badań mózgu, w tym przez agencje, które finansują głównie badania niezwiązane z mózgiem (np. edukacja).

Innym powodem naszej zwiększonej wiedzy jest ogromny postęp w technologii prowadzenia badań mózgu. Wiele lat temu jedynym sposobem na prowadzenie badań mózgu było przeprowadzenie autopsji. Chociaż badanie mózgów osób, które zmarły, dostarczyło użytecznych informacji, ten rodzaj badań nie może ustalić, jak mózg funkcjonuje i przetwarza informacje. Te ostatnie informacje są potrzebne do rozwinięcia zrozumienia, jak mózg zmienia się podczas uczenia się i wykorzystuje zdobyte informacje do wytwarzania działań i nowego uczenia się.

Techniki, które dostarczyły użytecznych informacji, są omówione poniżej i podsumowane w Tabeli. Są one uporządkowane z grubsza od najmniej do najbardziej zaawansowanych.

Zdjęcia rentgenowskie

Zdjęcia rentgenowskie to fale elektromagnetyczne o wysokiej częstotliwości, które mogą przechodzić przez obiekty niemetaliczne, gdzie są absorbowane przez struktury ciała (Wolfe, 2001). Niezaabsorbowane promienie uderzają w płytę fotograficzną. Interpretacja opiera się na jasnych i ciemnych obszarach (odcieniach szarości). Zdjęcia rentgenowskie są dwuwymiarowe i najbardziej przydatne dla struktur stałych, takich jak ustalenie, czy złamałeś kość. Nie działają szczególnie dobrze w mózgu, ponieważ składa się on z tkanki miękkiej, chociaż zdjęcia rentgenowskie mogą określić uszkodzenie czaszki (struktury kostnej).

Tomografia komputerowa (CAT)

Tomografia komputerowa (CAT) została opracowana na początku lat 70. XX wieku, aby zwiększyć gradację odcieni szarości wytwarzanych przez zdjęcia rentgenowskie. Tomografia komputerowa wykorzystuje technologię rentgenowską, ale ulepsza obrazy z dwóch do trzech wymiarów. Tomografia komputerowa jest używana przez lekarzy do badania guzów i innych nieprawidłowości, ale, podobnie jak zdjęcia rentgenowskie, nie dostarcza szczegółowych informacji o funkcjonowaniu mózgu.

EEG

EEG (elektroencefalograf) to metoda obrazowania, która mierzy wzorce elektryczne tworzone przez ruchy neuronów (Wolfe, 2001). Elektrody umieszczone na skórze głowy wykrywają impulsy nerwowe przechodzące przez czaszkę. Technologia EEG wzmacnia sygnały i rejestruje je na monitorze lub wykresie papierowym (fale mózgowe). Częstotliwość fal mózgowych (oscylacji) wzrasta podczas aktywności umysłowej i maleje podczas snu. EEG okazało się przydatne do obrazowania niektórych rodzajów zaburzeń mózgu (np. epilepsja, język), a także do monitorowania zaburzeń snu (Wolfe, 2001). EEG dostarcza cennych informacji czasowych poprzez potencjały związane z zdarzeniami (patrz sekcja Rozwój języka), ale nie może wykryć rodzaju informacji przestrzennych (tj. gdzie występuje aktywność), które są potrzebne do dogłębnego badania uczenia się.

PET

Skan PET (pozytonowa tomografia emisyjna) pozwala na zbadanie aktywności mózgu, gdy dana osoba wykonuje zadania. Osobie wstrzykuje się małą dawkę radioaktywnej glukozy, którą krew przenosi do mózgu. Będąc w skanerze PET, osoba wykonuje zadania umysłowe. Te obszary mózgu, które są zaangażowane, zużywają więcej glukozy i wytwarzają promienie gamma, które są wykrywane przez sprzęt. Prowadzi to do wytworzenia skomputeryzowanych kolorowych obrazów (map), które pokazują obszary aktywności.

Chociaż skany PET stanowią postęp w technologii obrazowania mózgu, ich użyteczność jest ograniczona. Ponieważ procedura wymaga spożycia materiału radioaktywnego, istnieje ograniczenie co do liczby sesji, które można wykonać i liczby obrazów, które można wyprodukować w jednym czasie. Ponadto wytwarzanie obrazów jest procesem stosunkowo powolnym, więc szybkość, z jaką zachodzi aktywność neuronowa, nie może być w pełni uchwycona. Chociaż skan PET daje dobre pojęcie o ogólnej aktywności mózgu, nie pokazuje konkretnych obszarów aktywności z wystarczającą szczegółowością (Wolfe, 2001).

MRI i fMRI

Obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (MRI) i nowsze funkcjonalne obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (fMRI) to techniki obrazowania mózgu, które rozwiązują problemy ze skanami PET. W MRI wiązka fal radiowych jest kierowana na mózg. Mózg składa się głównie z wody, która zawiera atomy wodoru. Fale radiowe powodują, że atomy wodoru wytwarzają sygnały radiowe, które są wykrywane przez czujniki i mapowane na skomputeryzowany obraz. Poziom szczegółowości jest lepszy niż w tomografii komputerowej, a MRI jest powszechnie stosowane do wykrywania guzów, zmian i innych nieprawidłowości (Wolfe, 2001).

fMRI działa podobnie do MRI, z tym wyjątkiem, że osoby są zobowiązane do wykonywania zadań umysłowych lub behawioralnych. Podczas gdy to robią, części mózgu odpowiedzialne za te zadania aktywują neurony, co powoduje większy przepływ krwi do tych regionów. Przepływ krwi zmienia pole magnetyczne, więc sygnały stają się bardziej intensywne. Skaner fMRI wyczuwa te zmiany i mapuje je na skomputeryzowany obraz. Obraz ten można porównać z obrazem mózgu w spoczynku, aby wykryć zmiany. fMRI może uchwycić aktywność mózgu, gdy ona występuje i gdzie występuje, ponieważ fMRI może nagrywać cztery obrazy na sekundę i ponieważ reakcja mózgu na bodziec zajmuje około pół sekundy (Wolfe, 2001). Istnieje jednak pewna rozbieżność czasowa, ponieważ zmiany przepływu krwi mogą trwać kilka sekund (Varma, McCandliss i Schwartz, 2008).

W porównaniu z innymi metodami, fMRI ma wiele zalet. Nie wymaga spożywania substancji radioaktywnej. Działa szybko i może precyzyjnie mierzyć aktywność. Może nagrać obraz mózgu w ciągu kilku sekund, co jest znacznie szybsze niż inne metody. Ponadto fMRI można powtarzać bez problemów.

Problemem związanym z technologiami mózgowymi jest to, że muszą być one używane w sztucznych kontekstach (np. laboratoriach), co uniemożliwia im uchwycenie uczenia się w aktywnych klasach. Problem ten można częściowo rozwiązać, dając uczestnikom zadania uczenia się podczas eksperymentów mózgowych lub poddając ich technologii natychmiast po doświadczeniu różnych kontekstów klasowych (Varma i in., 2008). Ponadto dziedzina badań mózgu szybko się zmienia, a technologie są opracowywane i udoskonalane. W przyszłości możemy spodziewać się bardziej zaawansowanych technik, które pomogą nam dokładniej określić procesy mózgowe podczas uczenia się. Teraz przejdziemy do neurofizjologii uczenia się, która dotyczy tego, jak mózg funkcjonuje w celu przetwarzania, integrowania i wykorzystywania informacji.