Нейронна Організація та Структури: Основи Нейронауки Навчання

Центральна нервова система (ЦНС) складається з головного та спинного мозку і є центральним механізмом контролю довільної поведінки (наприклад, мислення, дії). Автономна нервова система (АНС) регулює мимовільну діяльність, таку як травлення, дихання та кровообіг. Ці системи не є повністю незалежними. Люди можуть, наприклад, навчитися контролювати частоту серцевих скорочень, що означає, що вони добровільно контролюють мимовільну діяльність.

Спинний мозок має довжину близько 18 дюймів і ширину вказівного пальця. Він проходить від основи головного мозку вниз по середині спини. По суті, це продовження головного мозку. Його основна функція полягає в передачі сигналів до і від головного мозку, що робить його центральним посередником між мозком і рештою тіла. Його висхідний шлях передає сигнали від місць тіла до головного мозку, а його низхідний шлях передає повідомлення від мозку до відповідної структури тіла (наприклад, для здійснення руху). Спинний мозок також бере участь у деяких реакціях незалежно від головного мозку (наприклад, колінний рефлекс). Пошкодження спинного мозку, наприклад, внаслідок нещасного випадку, може призвести до симптомів, що варіюються від оніміння до повного паралічу (Jensen, 2005; Wolfe, 2001).

ЦНС складається з мільярдів клітин у головному та спинному мозку. Існує два основних типи клітин: нейрони та гліальні клітини. Зображення нейронної організації показано нижче:

Нейрони

Головний і спинний мозок містять близько 100 мільярдів нейронів, які передають і отримують інформацію між м'язами та органами (Wolfe, 2001). Більшість нейронів організму знаходяться в ЦНС. Нейрони відрізняються від інших клітин тіла (наприклад, шкіри, крові) двома важливими способами. По-перше, більшість клітин тіла регулярно регенерують. Це безперервне оновлення є бажаним; наприклад, коли ми ріжемося, нові клітини регенерують, щоб замінити пошкоджені. Але нейрони не регенерують так само. Клітини головного та спинного мозку, зруйновані інсультом, хворобою чи нещасним випадком, можуть бути назавжди втрачені. Однак, позитивним моментом є те, що є докази того, що нейрони можуть демонструвати певну регенерацію (Kempermann & Gage, 1999), хоча ступінь, до якого це відбувається, і процес, за допомогою якого це відбувається, не зовсім зрозумілі.

Нейрони також відрізняються від інших клітин тіла тим, що вони спілкуються один з одним—за допомогою електричних сигналів і хімічних реакцій. Таким чином, вони організовані інакше, ніж інші клітини тіла. Ця організація буде розглянута далі в цьому розділі.

Гліальні клітини

Другий тип клітин у ЦНС — це гліальні клітини. Гліальних клітин набагато більше, ніж нейронів. Їх можна розглядати як підтримуючі клітини, оскільки вони підтримують роботу нейронів. Вони не передають сигнали, як нейрони, але допомагають у цьому процесі.

Гліальні клітини виконують багато функцій. Ключова з них полягає в забезпеченні того, щоб нейрони працювали в хорошому середовищі. Гліальні клітини допомагають видаляти хімічні речовини, які можуть перешкоджати роботі нейронів. Гліальні клітини також видаляють мертві клітини мозку. Інша важлива функція полягає в тому, що гліальні клітини відкладають мієлін, оболонкоподібну обгортку навколо аксонів, яка допомагає передавати сигнали мозку (розглядається в наступному розділі). Гліальні клітини також, здається, відіграють ключову роль у розвитку мозку плода (Wolfe, 2001). Таким чином, гліальні клітини працюють спільно з нейронами для забезпечення ефективного функціонування ЦНС.

Синапси

Кожен нейрон складається з тіла клітини, тисяч коротких дендритів і одного аксона. Дендрит — це видовжена тканина, яка отримує інформацію від інших клітин. Аксон — це довга нитка тканини, яка посилає повідомлення іншим клітинам. Мієлінова оболонка оточує аксон і полегшує проходження сигналів.

Кожен аксон закінчується розгалуженою структурою. Кінці цих розгалужених структур з'єднуються з кінцями дендритів. Це з'єднання відоме як синапс. Взаємопов'язана структура є ключем до того, як нейрони спілкуються, оскільки повідомлення передаються між нейронами в синапсах.

Процес, за допомогою якого нейрони спілкуються, є складним. На кінці кожного аксона знаходяться хімічні нейромедіатори. Вони не зовсім торкаються дендритів іншої клітини. Проміжок називається синаптичною щілиною. Коли електричні та хімічні сигнали досягають досить високого рівня, нейромедіатори вивільняються в щілину. Нейромедіатори або активують, або пригнічують реакцію в контактованому дендриті. Таким чином, процес починається як електрична реакція в нейроні та аксоні, перетворюється на хімічну реакцію в щілині, а потім знову перетворюється на електричну відповідь у дендриті. Цей процес триває від нейрона до нейрона з блискавичною швидкістю. Як буде розглянуто далі в цьому розділі, роль нейромедіаторів у синаптичній щілині має вирішальне значення для навчання. З точки зору нейронауки, навчання — це зміна сприйнятливості клітин, викликана нервовими зв'язками, які утворюються, зміцнюються та з'єднуються з іншими через використання (Jensen, 2005; Wolfe, 2001).

Людський мозок дорослої людини (головний мозок) важить приблизно три фунти і має розмір дині або великого грейпфрута (Tolson, 2006; Wolfe, 2001). Його зовнішня текстура має ряд складок і виглядає зморшкуватою, нагадуючи цвітну капусту. Він складається в основному з води (78%), решта – жир і білок. Його текстура, як правило, м'яка. Основні структури мозку, залучені до навчання, показані на рисунку 2.2 (Byrnes, 2001; Jensen, 2005; Wolfe, 2001) і описані нижче.

Кора головного мозку

Покриває мозок кора головного мозку, яка є тонким шаром товщиною приблизно зі шкірку апельсина (менше 1/4 дюйма). Кора головного мозку – це зморшкувата “сіра речовина” мозку. Зморшки дозволяють корі головного мозку мати більшу площу поверхні, що забезпечує більше нейронів і нейронних зв'язків. Кора головного мозку має дві півкулі (праву і ліву), кожна з яких має чотири частки (потиличну, тім'яну, скроневу і лобову). Кора є центральною зоною, залученою до навчання, пам'яті та обробки сенсорної інформації.

Стовбур мозку та ретикулярна формація

В основі мозку знаходиться стовбур мозку. Стовбур мозку обробляє функції АНС (мимовільні) через свою ретикулярну формацію, яка є мережею нейронів і волокон, що регулює контроль таких основних функцій організму, як дихання, частота серцевих скорочень, кров'яний тиск, рух очного яблука, слиновиділення та смак. Ретикулярна формація також бере участь у рівнях усвідомлення (наприклад, сон, неспання). Наприклад, коли ви заходите в тиху, темну кімнату, ретикулярна формація зменшує активацію мозку і дозволяє вам заснути. Ретикулярна формація також допомагає контролювати сенсорні входи. Хоча ми постійно піддаємося впливу численних стимулів, ретикулярна формація дозволяє нам зосереджуватися на відповідних стимулах. Це має вирішальне значення для уваги та сприйняття (розділ 5), які є ключовими компонентами системи обробки інформації людиною. Нарешті, ретикулярна формація виробляє багато хімічних месенджерів для мозку.

Мозочок

Мозочок у задній частині мозку регулює баланс тіла, м'язовий контроль, рух і поставу тіла. Хоча ці дії в основному знаходяться під свідомим контролем (і, отже, є сферою кори), кора не має всього обладнання, необхідного для їх регулювання. Він працює в поєднанні з мозочком для координації рухів. Мозочок є ключем до набуття рухових навичок. З практикою багато рухових навичок стають автоматичними (наприклад, гра на піаніно, водіння автомобіля). Ця автоматичність відбувається тому, що мозочок бере на себе більшу частину контролю, що дозволяє корі зосереджуватися на діяльності, що вимагає свідомості (наприклад, мислення, вирішення проблем).

Таламус і гіпоталамус

Над стовбуром мозку розташовані дві структури розміром з волоський горіх: таламус і гіпоталамус. Таламус діє як міст, надсилаючи сигнали від органів чуття (крім запаху) до кори. Гіпоталамус є частиною АНС. Він контролює функції організму, необхідні для підтримки гомеостазу, такі як температура тіла, сон, вода та їжа. Гіпоталамус також відповідає за збільшення частоти серцевих скорочень і дихання, коли ми лякаємося або відчуваємо стрес.

Мигдалеподібне тіло

Мигдалеподібне тіло бере участь у контролі емоцій та агресії. Вхідні сенсорні сигнали (крім запаху, який надходить безпосередньо в кору) надходять до таламуса, який, у свою чергу, передає інформацію до відповідної області кори та до мигдалеподібного тіла. Функція мигдалеподібного тіла полягає в оцінці шкідливості сенсорних входів. Якщо воно розпізнає потенційно шкідливий стимул, воно сигналізує гіпоталамусу, який створює емоційні зміни, зазначені вище (наприклад, збільшення частоти серцевих скорочень і кров'яного тиску).

Гіпокамп

Гіпокамп – це структура мозку, відповідальна за пам'ять про найближче минуле. Як довго триває найближче минуле? Як ми побачимо в розділі 5, не існує об'єктивного критерію для того, що становить найближчу і довготривалу (постійну) пам'ять. Очевидно, гіпокамп допомагає встановити інформацію в довготривалій пам'яті (яка знаходиться в корі), але зберігає свою роль в активації цієї інформації за потреби. Таким чином, гіпокамп може бути залучений до поточної активної (робочої) пам'яті. Після того, як інформація повністю закодована в довготривалій пам'яті, гіпокамп може відмовитися від своєї ролі.

Мозолисте тіло

Уздовж мозку (головного мозку) спереду назад проходить смуга волокон, відома як мозолисте тіло. Воно розділяє головний мозок на дві половини, або півкулі, і з'єднує їх для нейронної обробки. Це має вирішальне значення, оскільки значна частина розумової обробки відбувається в більш ніж одному місці в мозку і часто включає обидві півкулі.

Потилична частка

Потиличні частки головного мозку в першу чергу відповідають за обробку зорової інформації. Потилична частка також відома як зорова кора. Слід пам'ятати, що зорові стимули спочатку приймаються таламусом, який потім надсилає ці сигнали до потиличних часток. Тут відбувається багато функцій, які включають визначення руху, кольору, глибини, відстані та інших візуальних особливостей. Після того, як ці визначення були зроблені, зорові стимули порівнюються з тим, що зберігається в пам'яті, щоб визначити розпізнавання (сприйняття). Таким чином, об'єкт, який відповідає збереженому шаблону, розпізнається. Коли збігу немає, тоді в пам'яті кодується новий стимул. Зорова кора повинна спілкуватися з іншими системами мозку, щоб визначити, чи відповідає зоровий стимул збереженому шаблону (Gazzaniga, Ivry, & Mangun, 1998). Важливість візуальної обробки в навчанні підкреслюється у вступній віньєтці Джо.

Люди можуть легко контролювати своє візуальне сприйняття, змушуючи себе звертати увагу на певні особливості навколишнього середовища та ігнорувати інші. Наприклад, якщо ми шукаємо друга в натовпі, ми можемо ігнорувати тисячі візуальних стимулів і зосереджуватися лише на тих стимулах (наприклад, рисах обличчя), які допоможуть нам визначити, чи присутній наш друг. Вчителі використовують цю ідею, просячи учнів звертати увагу на візуальні зображення та інформуючи їх про цілі уроку на початку уроку.

Тім'яна частка

Тім'яні частки у верхній частині мозку в головному мозку відповідають за відчуття дотику, і вони допомагають визначити положення тіла та інтегрувати візуальну інформацію. Тім'яні частки мають передню (передню) та задню (задню) частини. Передня частина отримує інформацію від тіла щодо дотику, температури, положення тіла та відчуттів болю та тиску (Wolfe, 2001). Кожна частина тіла має певні області в передній частині, які отримують її інформацію та роблять ідентифікацію точною.

Задня частина інтегрує тактильну інформацію, щоб забезпечити просторове усвідомлення тіла, або знання того, де частини вашого тіла знаходяться в будь-який час. Тім'яні частки також можуть збільшувати або зменшувати увагу до різних частин тіла. Наприклад, біль у нозі буде отриманий та ідентифікований тім'яною часткою, але якщо ви дивитеся цікавий фільм і уважно стежите за ним, ви можете “забути про” біль у нозі.

Скронева частка

Скроневі частки, розташовані збоку головного мозку, відповідають за обробку слухової інформації. Коли надходить слуховий сигнал—такий як голос або інший звук—ця інформація обробляється та передається до слухової пам'яті для визначення розпізнавання. Це розпізнавання потім може призвести до дії. Наприклад, коли вчитель говорить учням прибрати свої книги та вишикуватися біля дверей, ця слухова інформація обробляється та розпізнається, а потім призводить до відповідної дії.

В місці перетину потиличної, тім'яної та скроневої часток у лівій півкулі кори розташована зона Верніке, яка дозволяє нам розуміти мову та використовувати правильний синтаксис під час розмови. Ця область тісно співпрацює з іншою областю в лобовій частці лівої півкулі, відомою як зона Брока, яка необхідна для розмови. Хоча ці ключові області обробки мови розташовані в лівій півкулі (але зона Брока знаходиться в правій півкулі для деяких людей, як пояснюється далі), багато частин мозку працюють разом, щоб розуміти та відтворювати мову. Мова розглядається більш детально далі в цьому розділі.

Лобова частка

Як випливає з назви, лобові частки розташовані в передній частині головного мозку. Лобові частки становлять найбільшу частину кори. Їхні центральні функції полягають в обробці інформації, що стосується пам'яті, планування, прийняття рішень, постановки цілей і творчості. Лобові частки також містять первинну рухову кору, яка регулює м'язові рухи.

Можна стверджувати, що лобові частки мозку найбільш чітко відрізняють нас від нижчих тварин і навіть від наших предків минулих поколінь. Лобові частки еволюціонували, щоб взяти на себе все більш складні функції. Вони дозволяють нам планувати та приймати свідомі рішення, вирішувати проблеми та спілкуватися з іншими. Крім того, ці частки забезпечують нам усвідомлення наших розумових процесів, форму метапізнання.

Від верхньої частини мозку вниз до вух проходить смужка клітин, відома як первинна рухова кора. Ця область є областю, яка контролює рухи тіла. Таким чином, якщо під час танцю “Hokey Pokey” ви думаєте “поставте праву ногу всередину,” саме рухова кора направляє вас поставити праву ногу всередину. Кожна частина тіла відображається в певному місці рухової кори, так що сигнал з певної частини кори призводить до правильного руху.

Перед руховою корою знаходиться зона Брока, яка є місцем, що регулює відтворення мови. Ця область розташована в лівій півкулі приблизно у 95% людей; для інших 5% (30% лівшів) ця область знаходиться в правій півкулі (Wolfe, 2001). Не дивно, що ця область пов'язана з зоною Верніке в лівій скроневій частці нервовими волокнами. Мова формується в зоні Верніке, а потім передається в зону Брока для відтворення (Wolfe, 2001).

Передня частина лобової частки, або префронтальна кора, пропорційно більша у людей, ніж у інших тварин. Саме тут відбуваються найвищі форми розумової діяльності (Ackerman, 1992). У розділі 5 обговорюється, як у мозку утворюються когнітивні інформаційні асоціації. Префронтальна кора є ключовою областю для цих асоціацій, оскільки інформація, отримана від органів чуття, пов'язана з інформацією, що зберігається в пам'яті. Коротше кажучи, осередок навчання, здається, знаходиться в префронтальній корі. Вона також є регулятором свідомості, що дозволяє нам усвідомлювати, що ми думаємо, відчуваємо та робимо. Як пояснюється далі, префронтальна кора, здається, бере участь у регулюванні емоцій.

У таблиці «Ключові функції областей мозку» підсумовано ключові функції кожної з основних областей мозку (Byrnes, 2001; Jensen, 2005; Wolfe, 2001). Переглядаючи цю таблицю, майте на увазі, що жодна частина мозку не працює незалежно. Швидше, інформація (у вигляді нервових імпульсів) швидко передається між областями мозку. Хоча багато функцій мозку локалізовані, різні частини мозку беруть участь навіть у простих завданнях. Тому немає сенсу позначати будь-яку функцію мозку як таку, що знаходиться лише в одній області, як зазначено у вступній віньєтці Емми.

Сьогодні ми знаємо набагато більше про роботу мозку, ніж будь-коли раніше, але мозок вивчається вже багато років. Функції лівої та правої півкуль є предметом постійних дискусій. Вулф (2001) зазначав, що ще близько 400 р. до н.е. Гіппократ говорив про дуальність мозку. Кові (1998) повідомляв, що в 1870 році дослідники електрично стимулювали різні частини мозку тварин і солдатів з травмами голови. Вони виявили, що стимуляція певних частин мозку викликає рухи в різних частинах тіла. Ідея про те, що мозок має домінуючу півкулю, була запропонована ще в 1874 році (Binney & Janson, 1990).

Вже багато років відомо, що, в цілому, ліва півкуля керує правим візуальним полем та стороною тіла, а права півкуля регулює ліве візуальне поле та сторону тіла. Однак обидві півкулі з'єднані пучками волокон, найбільшим з яких є мозолисте тіло. Газзаніга, Боген і Сперрі (1962) продемонстрували, що мова в основному контролюється лівою півкулею. Ці дослідники виявили, що коли мозолисте тіло перерізане, пацієнти, які тримали об'єкт поза полем зору в лівій руці, стверджували, що нічого не тримають. Очевидно, без візуального стимулу і через те, що ліва рука спілкується з правою півкулею, коли ця півкуля отримувала вхідні дані, вона не могла назвати об'єкт (оскільки мова локалізована в лівій півкулі), і, з перерізаним мозолистим тілом, інформація не могла бути передана в ліву півкулю.

Дослідження мозку також виявили інші локалізовані функції. Аналітичне мислення, здається, зосереджене в лівій півкулі, тоді як просторова, слухова, емоційна та художня обробка відбувається в правій півкулі (але права півкуля, очевидно, обробляє негативні емоції, а ліва півкуля обробляє позитивні емоції; Ornstein, 1997). Музика краще обробляється в правій півкулі; визначення напрямку - в правій півкулі; а розпізнавання облич - в лівій півкулі.

Права півкуля також відіграє вирішальну роль в інтерпретації контекстів (Wolfe, 2001). Наприклад, припустимо, що хтось чує новину і каже: «Це чудово!» Це може означати, що людина вважає новину чудовою або жахливою. Контекст визначає правильне значення (наприклад, чи є мовець щирим чи саркастичним). Контекст можна отримати з інтонації, виразу обличчя та жестів людей, а також знання інших елементів ситуації. Здається, що права півкуля є основним місцем для збору контекстної інформації, щоб можна було зробити правильну інтерпретацію.

Оскільки функції локалізовані в ділянках мозку, було спокусливо постулювати, що люди, які добре володіють мовою, домінуються лівою півкулею (лівопівкульні), тоді як ті, хто більш артистичний та емоційний, контролюються їх правою півкулею (правопівкульні). Але це спрощений і оманливий висновок, як зараз розуміють педагоги у вступному сценарії. Хоча півкулі мають локалізовані функції, вони також з'єднані, і між ними відбувається багато передачі інформації (нервових імпульсів). Дуже мало розумової обробки, ймовірно, відбувається лише в одній півкулі (Ornstein, 1997). Крім того, ми можемо запитати, яка півкуля керує особами, які одночасно добре володіють мовою та емоційні (наприклад, пристрасні оратори).

Півкулі працюють узгоджено; інформація доступна для обох з них у будь-який час. Мова є хорошим прикладом. Якщо ви розмовляєте з другом, саме ваша ліва півкуля дозволяє вам виробляти мову, але ваша права півкуля забезпечує контекст і допомагає вам зрозуміти значення.

Серед когнітивних нейробіологів точаться численні дискусії щодо ступеня латералізації. Деякі стверджують, що певні когнітивні функції локалізовані в певних областях мозку, тоді як інші вважають, що різні області мають здатність виконувати різні завдання (Byrnes & Fox, 1998). Ці дебати відображають дебати в когнітивній психології між традиційним поглядом, що знання локально кодуються, і паралельним розподіленим процесом (див. розділ 5), що знання кодуються не в одному місці, а скоріше в багатьох мережах пам'яті (Bowers, 2009).

Існують дослідницькі докази на підтримку обох позицій. Різні частини мозку мають різні функції, але функції рідко, якщо взагалі коли-небудь, повністю локалізовані в одній ділянці мозку. Це особливо вірно для складних розумових операцій, які залежать від кількох основних розумових операцій, функції яких можуть бути розподілені в кількох областях. Як стверджували Byrnes і Fox (1998), «Практично будь-яке завдання вимагає участі обох півкуль, але півкулі, здається, обробляють певні типи інформації більш ефективно, ніж інші» (стор. 310). З точки зору освіти, отже, практика навчання різним сторонам мозку (права півкуля, ліва півкуля) не підтримується емпіричними дослідженнями.

Одна з причин, чому ми сьогодні знаємо набагато більше про функціонування ЦНС, ніж будь-коли раніше, полягає в тому, що серед людей з різних галузей зійшлися інтереси в дослідженні мозку. Історично дослідження мозку проводилися переважно дослідниками в галузі медицини, біологічних наук і психології. З роками люди з інших галузей почали проявляти більший інтерес до досліджень мозку, вважаючи, що результати досліджень матимуть наслідки для розвитку в їхніх галузях. Сьогодні ми знаходимо освітян, соціологів, соціальних працівників, консультантів, державних службовців (особливо тих, хто працює в судовій системі) та інших, зацікавлених у дослідженнях мозку. Фінансування досліджень мозку також збільшилося, зокрема з боку агенцій, які переважно фінансують дослідження, не пов'язані з мозком (наприклад, освіта).

Іншою причиною нашого збільшення знань є те, що відбулися величезні досягнення в технологіях для проведення досліджень мозку. Багато років тому єдиним способом проведення досліджень мозку було проведення розтину. Хоча вивчення мозку померлих людей дало корисну інформацію, цей тип дослідження не може визначити, як мозок функціонує та обробляє інформацію. Остання інформація необхідна для розвитку розуміння того, як мозок змінюється під час навчання та використовує отриману інформацію для виробництва дій і нового навчання.

Методи, які дали корисну інформацію, обговорюються нижче та підсумовані в таблиці. Вони впорядковані приблизно від найменш до найбільш складних.

Рентгенівські промені

Рентгенівські промені — це високочастотні електромагнітні хвилі, які можуть проходити через неметалеві об’єкти, де вони поглинаються структурами тіла (Wolfe, 2001). Непоглинуті промені потрапляють на фотопластинку. Інтерпретація базується на світлих і темних ділянках (відтінках сірого). Рентгенівські промені є двовимірними та найбільш корисні для твердих структур, наприклад, для визначення, чи зламали ви кістку. Вони не дуже добре працюють у мозку, оскільки він складається з м’яких тканин, хоча рентгенівські промені можуть визначити пошкодження черепа (кісткової структури).

CAT-сканування

CAT (комп’ютерна аксіальна томографія) сканування було розроблено на початку 1970-х років для збільшення градацій відтінків сірого, що створюються рентгенівськими променями. CAT-сканування використовує рентгенівську технологію, але покращує зображення з двох до трьох вимірів. CAT-сканування використовується лікарями для дослідження пухлин та інших аномалій, але, як і рентгенівські промені, вони не надають детальної інформації про функціонування мозку.

ЕЕГ

ЕЕГ (електроенцефалограф) — це метод візуалізації, який вимірює електричні патерни, створені рухами нейронів (Wolfe, 2001). Електроди, розміщені на шкірі голови, виявляють нервові імпульси, що проходять через череп. Технологія ЕЕГ збільшує сигнали та записує їх на моніторі або паперовій діаграмі (мозкові хвилі). Частота мозкових хвиль (коливань) збільшується під час розумової діяльності та зменшується під час сну. ЕЕГ виявилася корисною для візуалізації певних типів розладів мозку (наприклад, епілепсії, мови), а також для моніторингу розладів сну (Wolfe, 2001). ЕЕГ надає цінну часову інформацію через викликані подіями потенціали (див. розділ «Розвиток мови»), але вони не можуть виявити тип просторової інформації (тобто де відбувається активність), необхідної для поглибленого дослідження навчання.

PET-сканування

PET (позитронно-емісійна томографія) сканування дозволяє досліджувати активність мозку під час виконання людиною завдань. Людині вводять невелику дозу радіоактивної глюкози, яку кров переносить до мозку. Перебуваючи в ПЕТ-сканері, людина виконує розумові завдання. Ті ділянки мозку, які залучаються, використовують більше глюкози та виробляють гамма-промені, які виявляються обладнанням. Це призводить до створення комп’ютеризованих кольорових зображень (карт), які показують області активності.

Хоча ПЕТ-сканування представляє собою прогрес у технології візуалізації мозку, їх корисність обмежена. Оскільки процедура вимагає введення радіоактивного матеріалу, існує обмеження щодо кількості сеансів, які можна провести, і кількості зображень, які можна створити одночасно. Крім того, створення зображень є відносно повільним процесом, тому швидкість, з якою відбувається нервова активність, неможливо повністю зафіксувати. Хоча ПЕТ-сканування дає гарне уявлення про загальну активність мозку, воно не показує конкретні області активності з достатньою деталізацією (Wolfe, 2001).

МРТ та фМРТ

Магнітно-резонансна томографія (МРТ) і новіша функціональна магнітно-резонансна томографія (фМРТ) є методами візуалізації мозку, які вирішують проблеми з ПЕТ-скануванням. Під час МРТ промінь радіохвиль спрямовується на мозок. Мозок здебільшого складається з води, яка містить атоми водню. Радіохвилі змушують атоми водню виробляти радіосигнали, які виявляються датчиками та відображаються на комп’ютеризованому зображенні. Рівень деталізації вищий, ніж у CAT-сканування, і МРТ зазвичай використовується для виявлення пухлин, уражень та інших аномалій (Wolfe, 2001).

фМРТ працює подібно до МРТ, за винятком того, що люди повинні виконувати розумові або поведінкові завдання. Коли вони це роблять, частини мозку, які відповідають, активують нейрони, що призводить до збільшення припливу крові до цих областей. Кровотік змінює магнітне поле, тому сигнали стають більш інтенсивними. Сканер фМРТ відчуває ці зміни та відображає їх на комп’ютеризованому зображенні. Це зображення можна порівняти із зображенням мозку в стані спокою, щоб виявити зміни. фМРТ може фіксувати активність мозку в міру її виникнення та де вона виникає, оскільки фМРТ може записувати чотири зображення в секунду і оскільки мозку потрібно приблизно півсекунди, щоб відреагувати на стимул (Wolfe, 2001). Однак існує певна часова невідповідність, оскільки зміни кровотоку можуть відбуватися протягом кількох секунд (Varma, McCandliss, & Schwartz, 2008).

Порівняно з іншими методами, фМРТ має багато переваг. Він не вимагає введення радіоактивної речовини. Він працює швидко і може вимірювати активність точно. Він може записати зображення мозку за кілька секунд, що набагато швидше, ніж інші методи. І фМРТ можна повторювати без проблем.

Проблемою з мозковими технологіями є те, що їх потрібно використовувати в штучних контекстах (наприклад, у лабораторіях), що виключає можливість фіксування навчання в активних класах. Цю проблему можна частково вирішити, даючи учасникам навчальні завдання під час експериментів з мозком або піддаючи їх технології відразу після того, як вони відчули різні контексти класу (Varma et al., 2008). Крім того, сфера досліджень мозку швидко змінюється, і технології розробляються та вдосконалюються. У майбутньому ми можемо очікувати побачити більш складні методи, які допоможуть нам ще більше точно визначити процеси мозку під час навчання. Зараз ми переходимо до нейрофізіології навчання, яка стосується того, як мозок функціонує для обробки, інтеграції та використання інформації.