Neurofyziologie učení: Jak se mozek učí (Neurověda učení)

Diskuse v této sekci, která se zabývá zpracováním informací v mozku během učení, používá jako referenční rámec model zpracování informací, který byl popsán v Kapitole 5 (viz Obrázek 5.1). Zpracování informací v mozku během učení je komplexní a následující text zahrnuje pouze nejdůležitější prvky. Čtenáři, kteří chtějí podrobné informace o učení a paměti z neurofyziologické perspektivy, by se měli obrátit na jiné zdroje (Byrnes, 2001; Jensen, 2005; Rose, 1998; Wolfe, 2001).

Systém zpracování informací zahrnuje smyslové registry, krátkodobou (STM) nebo pracovní (WM) paměť a dlouhodobou paměť (LTM). Smyslové registry přijímají vstup a uchovávají jej zlomek sekundy, poté je vstup zahozen nebo přesměrován do WM. Většina smyslových vstupů je zahozená, protože v daném okamžiku jsme bombardováni mnoha smyslovými vstupy.

Již dříve v této kapitole jsme viděli, že veškerý smyslový vstup (kromě pachů) jde přímo do thalamu, kde alespoň část z něj je poté odeslána do příslušné části mozkové kůry ke zpracování (např. mozkové laloky, které zpracovávají příslušné smyslové informace). Vstup však není odeslán ve stejné formě, v jaké byl přijat; spíše je odeslán jako neuronální “vnímání” tohoto vstupu. Například sluchový podnět přijatý thalamem bude transformován do neuronálního ekvivalentu vnímání tohoto podnětu. Toto vnímání je také zodpovědné za porovnávání informací s tím, co je již uloženo v paměti, což je proces známý jako rozpoznávání vzorů. Pokud je tedy vizuálním podnětem učitel ve třídě, vnímání odeslané do kůry bude odpovídat uložené reprezentaci učitele a podnět bude rozpoznán.

Část toho, co činí vnímání smysluplným, je to, že retikulární aktivační systém mozku filtruje informace, aby vyloučil triviální informace a zaměřil se na důležitý materiál (Wolfe, 2001). Tento proces je adaptivní, protože kdybychom se snažili věnovat pozornost každému vstupu, nikdy bychom se nebyli schopni na nic soustředit. Existuje několik faktorů, které ovlivňují toto filtrování. Vnímaná důležitost, například když učitelé oznamují, že materiál je důležitý (např. bude testován), má tendenci přitahovat pozornost studentů. Novost přitahuje pozornost; mozek má tendenci se zaměřovat na vstupy, které jsou nové nebo odlišné od toho, co by se dalo očekávat. Dalším faktorem je intenzita; podněty, které jsou hlasitější, jasnější nebo výraznější, získávají více pozornosti. Pohyb také pomáhá soustředit pozornost. Ačkoli tyto systémy pozornosti fungují převážně nevědomě, je možné tyto myšlenky využít k tomu, abychom pomohli soustředit pozornost studentů ve třídě, například pomocí jasných a nových vizuálních pomůcek.

Stručně řečeno, smyslové vstupy jsou zpracovávány v částech mozku, které se zabývají smyslovými vzpomínkami, a ty, které jsou uchovány dostatečně dlouho, jsou přeneseny do WM. Zdá se, že WM sídlí ve více částech mozku, ale především v prefrontální kůře čelního laloku (Wolfe, 2001). Jak uvidíme v kapitole 5, informace se z WM ztrácejí během několika sekund, pokud nejsou procvičovány nebo přeneseny do LTM. Aby se informace uchovaly, musí existovat neuronální signál, který to udělá; to znamená, že informace jsou považovány za důležité a je třeba je použít.

Části mozku, které se primárně podílejí na paměti a zpracování informací, jsou kůra a mediální temporální lalok (Wolfe, 2001). Zdá se, že mozek zpracovává a ukládá vzpomínky ve stejných strukturách, které zpočátku vnímají a zpracovávají informace. Současně se konkrétní části mozku podílející se na LTM liší v závislosti na typu informací. Rozlišuje se deklarativní paměť (fakta, definice, události) a procedurální paměť (postupy, strategie). Různé části mozku se podílejí na používání deklarativních a procedurálních informací.

U deklarativních informací přijímají smyslové registry v mozkové kůře (např. vizuální, sluchové) vstup a přenášejí jej do hipokampu a blízkého mediálního temporálního laloku. Vstupy jsou registrovány ve stejném formátu, v jakém se objevují (např. jako vizuální nebo sluchový podnět). Hipokampus není konečné místo uložení; působí jako procesor a dopravník vstupů. Jak uvidíme v další části, vstupy, které se vyskytují častěji, vytvářejí silnější neuronální spojení. S více aktivacemi vytvářejí vzpomínky neuronální sítě, které se silně zakoření v čelní a spánkové kůře. LTM pro deklarativní informace tedy zřejmě sídlí v čelní a spánkové kůře.

Velká část procedurálních informací se automatizuje tak, že procedury lze provádět s malým nebo žádným vědomým uvědomováním (např. psaní, jízda na kole). Počáteční procedurální učení zahrnuje prefrontální kůru, temenní lalok a mozeček, které zajišťují, že vědomě věnujeme pozornost pohybům nebo krokům a že tyto pohyby nebo kroky jsou správně sestaveny. S praxí tyto oblasti vykazují menší aktivitu a zapojují se další mozkové struktury, jako je motorická kůra (Wolfe, 2001).

Kognitivní neurověda podporuje myšlenku, že se lze hodně naučit pozorováním (Bandura, 1986). Výzkum ukazuje, že kortikální obvody zapojené do provádění akce reagují také tehdy, když pozorujeme, jak někdo jiný tuto akci provádí (van Gog, Paas, Marcus, Ayres, & Sweller, 2009).

U nemotorických procedur (např. dekódování slov, jednoduché sčítání) je silně zapojena zraková kůra. Opakování může ve skutečnosti změnit neuronální strukturu zrakové kůry. Tyto změny nám umožňují rychle rozpoznávat vizuální podněty (např. slova, čísla), aniž bychom museli vědomě zpracovávat jejich význam. V důsledku toho se mnoho z těchto kognitivních úkolů stává rutinními. Vědomé zpracování informací (např. zastavení se, abychom se zamysleli nad tím, co čtený úryvek znamená) vyžaduje rozšířenou aktivitu v jiných částech mozku.

Co se ale stane, když k vstupu nelze připojit žádný význam? Co když příchozí informace, i když jsou považovány za důležité (například když učitel řekne: “Věnujte pozornost”), nelze propojit s ničím v paměti? Tato situace vyžaduje vytvoření nové paměťové sítě, jak je popsáno dále.

Při opakované prezentaci podnětů nebo informací se mohou nervové sítě posílit, takže nervové reakce nastávají rychle. Z pohledu kognitivní neurovědy zahrnuje učení vytváření a posilování nervových spojení a sítí (synaptických spojení). Tato definice je velmi podobná definici učení v současných teoriích zpracování informací (např. ACT-R).

Hebbova teorie

Proces, kterým se tato synaptická spojení a sítě tvoří, je již mnoho let předmětem vědeckého zkoumání. Hebb (1949) formuloval neurofyziologickou teorii učení, která zdůrazňuje roli dvou kortikálních struktur: buněčných souborů a fázových sekvencí. Buněčný soubor je struktura, která zahrnuje buňky v kůře a subkortikálních centrech (Hilgard, 1956). Buněčný soubor je v zásadě nervový protějšek jednoduché asociace a tvoří se prostřednictvím často opakovaných stimulací. Když se konkrétní stimulace znovu objeví, buněčný soubor se aktivuje. Hebb věřil, že když se buněčný soubor aktivuje, usnadní nervové reakce v jiných systémech, stejně jako motorické reakce.

Jak se tvoří buněčné soubory? Hebb mohl o tomto pouze spekulovat, protože v jeho době byla technologie pro zkoumání mozkových procesů omezená. Hebb se domníval, že opakované stimulace vedou k růstu synaptických knoflíků, které zvyšují kontakt mezi axony a dendrity (Hilgard, 1956). Při opakovaných stimulacích by se buněčný soubor aktivoval automaticky, což usnadňuje nervové zpracování.

Fázová sekvence je řada buněčných souborů. Buněčné soubory, které jsou opakovaně stimulovány, tvoří vzor nebo sekvenci, která vnáší do procesu určitou organizaci. Například jsme vystaveni mnoha vizuálním podnětům, když se díváme na tvář přítele. Lze si představit mnoho buněčných souborů, z nichž každý pokrývá konkrétní aspekt obličeje (např. levý koutek levého oka, spodek pravého ucha). Opakovaným pohledem na tvář přítele se tyto mnohonásobné buněčné soubory současně aktivují a spojí se a vytvoří koordinovanou fázovou sekvenci, která uspořádá části (např. abychom nepřekládali spodek pravého ucha na levý koutek levého oka). Fázová sekvence umožňuje, aby bylo koordinované celek smysluplně a vědomě vnímáno.

Nervová spojení

Navzdory tomu, že Hebbovy myšlenky jsou staré více než 60 let, jsou pozoruhodně konzistentní se současnými pohledy na to, jak dochází k učení a jak se tvoří vzpomínky. Jak uvidíme v další části o vývoji, rodíme se s velkým množstvím nervových (synaptických) spojení. Naše zkušenosti pak na tomto systému pracují. Spojení jsou vybírána nebo ignorována, posilována nebo ztrácena. Dále mohou být spojení přidávána a rozvíjena prostřednictvím nových zkušeností (National Research Council, 2000).

Je pozoruhodné, že proces vytváření a posilování synaptických spojení (učení) mění fyzickou strukturu mozku a mění jeho funkční organizaci (National Research Council, 2000). Učení specifických úkolů vytváří lokalizované změny v mozkových oblastech, které jsou pro daný úkol vhodné, a tyto změny vnášejí do mozku novou organizaci. Máme tendenci si myslet, že mozek určuje učení, ale ve skutečnosti existuje reciproční vztah díky „neuroplasticitě“ mozku, neboli jeho schopnosti měnit svou strukturu a funkci v důsledku zkušeností (Begley, 2007).

Ačkoli výzkum mozku v této důležité oblasti pokračuje, dostupné informace naznačují, že paměť se netvoří úplně v době, kdy dojde k počátečnímu učení. Spíše je tvorba paměti kontinuální proces, ve kterém se nervová spojení stabilizují v průběhu určitého časového období (Wolfe, 2001). Proces stabilizace a posilování nervových (synaptických) spojení je známý jako konsolidace. Zdá se, že hipokampus hraje klíčovou roli v konsolidaci, a to navzdory skutečnosti, že hipokampus není místem, kde jsou vzpomínky uloženy.

Jaké faktory zlepšují konsolidaci? Jak je podrobně popsáno v kapitole 5, organizace, opakování a elaborace jsou důležité, protože slouží k vnesení struktury. Výzkum ukazuje, že mozek, zdaleka ne pasivní přijímač a záznamník informací, hraje aktivní roli při ukládání a získávání informací (National Research Council, 2000).

Stručně řečeno, zdá se, že podněty nebo příchozí informace aktivují příslušnou část mozku a jsou kódovány jako synaptická spojení. S opakováním se tato spojení zvyšují v počtu a posilují se, což znamená, že se objevují automaticky a lépe spolu komunikují. Učení mění specifické oblasti mozku zapojené do úkolů (National Research Council, 2000). Zkušenosti jsou zásadní pro učení, a to jak zkušenosti z prostředí (např. vizuální a sluchové podněty), tak z vlastní mentální aktivity (např. myšlenky).

Vzhledem k tomu, že mozek vnáší do příchozích informací určitou strukturu, je důležité, aby tato struktura pomáhala usnadnit paměť. Mohli bychom pak říci, že pouhá konsolidace a paměť nestačí k zaručení dlouhodobého učení. Spíše by instrukce měly hrát klíčovou roli tím, že pomáhají vnést do učení žádoucí strukturu, což je bod, který si Emma a Claudia všimly v úvodním scénáři.

Interakce mnoha mozkových struktur a synaptických spojení je jasně patrná při osvojování jazyka, a zejména při čtení. Ačkoli moderní technologie umožňují výzkumníkům zkoumat fungování mozku v reálném čase, když si jedinci osvojují a používají jazykové dovednosti, velká část výzkumu mozku týkajícího se osvojování a používání jazyka byla provedena na osobách, které utrpěly poranění mozku a zažily určitý stupeň ztráty jazyka. Takový výzkum je informativní o tom, které funkce jsou ovlivněny poraněním určitých oblastí mozku, ale tento výzkum se nezabývá osvojováním a používáním jazyka u dětí s vyvíjejícím se mozkem.

Studie traumat mozku ukázaly, že levá strana mozkové kůry je klíčová pro čtení a že zadní (zadní) kortikální asociační oblasti levé hemisféry jsou zásadní pro porozumění a používání jazyka a pro normální čtení (Vellutino & Denckla, 1996). Poruchy čtení jsou často příznaky lézí levé zadní kůry. Pitvy mozků adolescentů a mladých dospělých s historií potíží se čtením prokázaly strukturální abnormality v levé hemisféře. Poruchy čtení jsou také někdy spojeny s lézemi mozku v předních (čelních) lalocích — oblasti, která řídí řeč — ačkoli důkazy je mnohem silněji spojují s abnormalitami zadního laloku. Protože tyto výsledky pocházejí ze studií osob, které uměly číst (v různé míře), a poté ztratily část nebo celou schopnost, můžeme usoudit, že oblasti mozku spojené s jazykem a řečí, které jsou primárně na levé straně, jsou klíčové pro udržení čtení.

Je důležité mít na paměti, že neexistuje žádná centrální oblast mozku zapojená do čtení. Různé aspekty čtení (např. identifikace písmen a slov, syntax, sémantika) zahrnují mnoho lokalizovaných a specializovaných mozkových struktur a synaptických spojení, které musí být koordinovány, aby bylo čtení úspěšné (Vellutino & Denckla, 1996). Následující část zkoumá, jak se tato propojení zdají vyvíjet u normálních čtenářů a u těch, kteří mají problémy se čtením. Myšlenka je taková, že koordinované čtení vyžaduje vytvoření neuronových soustav, neboli souborů neuronových skupin, které si vytvořily synaptická spojení (Byrnes, 2001). Neuronové soustavy se zdají být koncepčně příbuzné Hebbovým buněčným soustavám a fázovým sekvencím.

Výsledky z neurovědního výzkumu ukazují, že specifické oblasti mozku jsou spojeny s ortografickým, fonologickým, sémantickým a syntaktickým zpracováním, které je nezbytné pro čtení (Byrnes, 2001). Ortografické zpracování (např. písmena, znaky) závisí silně na primární zrakové oblasti. Fonologické zpracování (např. fonémy, slabiky) je spojeno s horními (horními) temporálními laloky. Sémantické zpracování (např. významy) je spojeno s Brocovou oblastí v čelním laloku a oblastmi ve středním (středním) temporálním laloku v levé hemisféře. Zdá se, že syntaktické zpracování (např. struktura věty) také probíhá v Brocově oblasti.

Již dříve jsme zmínili dvě klíčové oblasti v mozku, které se podílejí na jazyce. Brocova oblast hraje hlavní roli při produkci gramaticky správné řeči. Wernickeova oblast (umístěná v levém spánkovém laloku pod laterální rýhou) je klíčová pro správný výběr slov a výslovnost. Osoby s nedostatky ve Wernickeově oblasti mohou použít nesprávné slovo, ale takové, které je blízké významem (např. řeknou „nůž“, když zamýšleli „vidlička“).

Jazyk a čtení vyžadují koordinaci různých oblastí mozku. Tato koordinace probíhá prostřednictvím svazků nervových vláken, které spojují jazykové oblasti navzájem a s dalšími částmi mozkové kůry na obou stranách mozku (Geschwind, 1998). Corpus callosum je největší soubor takových vláken, ale existují i další. Poškození nebo zničení těchto vláken zabraňuje komunikaci v mozku, která je nezbytná pro správné fungování jazyka, což může vést k jazykové poruše. Výzkumníci mozku zkoumají, jak dysfunkce fungují a které mozkové funkce pokračují i při poškození.

Toto téma je dále zvažováno v následující části, protože je úzce spjato s vývojem mozku. Pro pedagogy je důležité vědět, jak se mozek vyvíjí, protože vývojové změny je třeba brát v úvahu při plánování výuky, aby bylo zajištěno učení studentů.