Introducción
La discusión en esta sección sobre el procesamiento cerebral durante el aprendizaje utiliza como marco de referencia el modelo de procesamiento de la información discutido en el Capítulo 5 (véase la Figura 5.1). El procesamiento cerebral durante el aprendizaje es complejo, y lo que sigue cubre solo los elementos centrales. Los lectores que deseen información detallada sobre el aprendizaje y la memoria desde una perspectiva neurofisiológica deben consultar otras fuentes (Byrnes, 2001; Jensen, 2005; Rose, 1998; Wolfe, 2001).
Sistema de procesamiento de información
El sistema de procesamiento de información incluye registros sensoriales, memoria a corto plazo (MCP) o memoria de trabajo (MT) y memoria a largo plazo (MLP). Los registros sensoriales reciben la entrada y la mantienen durante una fracción de segundo, después de lo cual la entrada se descarta o se canaliza a la MT. La mayoría de las entradas sensoriales se descartan, ya que en un momento dado somos bombardeados con múltiples entradas sensoriales.
Anteriormente en este capítulo vimos que toda la entrada sensorial (excepto los olores) va directamente al tálamo, donde al menos parte de ella se envía a la parte apropiada de la corteza cerebral para su procesamiento (por ejemplo, los lóbulos cerebrales que procesan la información sensorial apropiada). Pero la entrada no se envía en la misma forma en que se recibió; más bien, se envía como una “percepción” neural de esa entrada. Por ejemplo, un estímulo auditivo recibido por el tálamo se transformará en el equivalente neural de la percepción de ese estímulo. Esta percepción también es responsable de hacer coincidir la información con lo que ya está almacenado en la memoria, un proceso conocido como reconocimiento de patrones. Por lo tanto, si el estímulo visual es el maestro de aula, la percepción enviada a la corteza coincidirá con la representación almacenada del maestro y el estímulo será reconocido.
Parte de lo que hace que la percepción sea significativa es que el sistema reticular activador del cerebro filtra la información para excluir la información trivial y centrarse en el material importante (Wolfe, 2001). Este proceso es adaptativo porque si intentáramos atender a cada entrada, nunca podríamos concentrarnos en nada. Hay varios factores que inflluyen en este filtraje. La importancia percibida, como los maestros que anuncian que el material es importante (por ejemplo, se evaluará), es probable que atraiga la atención de los estudiantes. La novedad atrae la atención; el cerebro tiende a centrarse en las entradas que son nuevas o diferentes de lo que podría esperarse. Otro factor es la intensidad; los estímulos que son más fuertes, brillantes o pronunciados reciben más atención. El movimiento también ayuda a enfocar la atención. Aunque estos sistemas de atención operan en gran medida inconscientemente, es posible utilizar estas ideas para ayudar a enfocar la atención de los estudiantes en el aula, por ejemplo, utilizando pantallas visuales brillantes y novedosas.
Despertar y mantener la atención de los estudiantes
La investigación en neurociencia cognitiva muestra que varios factores ambientales pueden despertar y mantener la atención de las personas. Estos factores incluyen la importancia, la novedad, la intensidad y el movimiento. A medida que los maestros planifican la instrucción, pueden determinar formas de incorporar estos factores en sus lecciones y actividades estudiantiles.
Importancia:
Kathy Stone está enseñando a los niños a findear las ideas principales en los párrafos. Ella quiere que los niños se concentren en las ideas principales y no se distraigan con detalles interesantes. Los niños hacen la pregunta: “¿De qué se trata principalmente esta historia?” leen la historia y vuelven a hacer la pregunta. Luego, eligen la oración que mejor responde a la pregunta. Kathy revisa las otras oraciones para mostrar cómo discuten detalles que pueden respaldar la idea principal pero no la indican.
Un maestro de grado medio está cubriendo una unidad sobre la historia del estado. Hay muchos detalles en el texto, y el maestro quiere que los estudiantes se concentren en los eventos clave y las personas que ayudaron a crear la historia. Antes de cubrir cada sección, el maestro les da a los estudiantes una lista de términos clave que incluye eventos y personas. Los estudiantes tienen que escribir una breve oración explicativa para cada término.
Novedad:
Un maestro de quinto grado se comunicó con un profesor de entomología de la universidad local que es un experto en cucarachas. El maestro llevó a su clase a su laboratorio. Allí los estudiantes vieron todo tipo de cucarachas. El profesor tenía varios equipos que permitieron a los estudiantes ver las actividades de las cucarachas de primera mano, por ejemplo, qué tan rápido pueden correr y qué tipo de cosas comen.
Un entrenador de tenis de la escuela secundaria obtuvo una máquina de pelotas que envía pelotas de tenis a varias velocidades y arcos, que los jugadores luego intentan devolver. En lugar de hacer que los jugadores practiquen repetidamente la devolución de las pelotas, el entrenador configura cada sesión como un partido (jugador contra máquina) sin los saques. Si un jugador puede devolver con éxito la pelota enviada desde la máquina de pelotas, entonces el jugador obtiene el punto; si no, la máquina gana el punto. La puntuación sigue el formato estándar (amor-15-30-40-juego).
Intensidad:
Muchos niños de primaria tienen dificultad con la reagrupación en la resta y restan incorrectamente el número más pequeño del número más grande en cada columna. Para ayudar a corregir este error, un maestro hace que los estudiantes dibujen una flecha desde el número superior hasta el número inferior en cada columna antes de restar. Si el número de arriba es más pequeño, los estudiantes first dibujan una flecha desde el número superior en la columna adyacente hasta el número superior en la columna que se está restando y luego realizan la reagrupación apropiada. El uso de flechas hace que el orden de las operaciones sea más pronunciado.
Jim Marshall quiere que sus estudiantes memoricen el Discurso de Gettysburg y puedan recitarlo con énfasis en lugares clave. Jim demuestra la lectura mientras es acompañado a un volumen muy bajo por una versión instrumental de “El Himno de Batalla de la República.” Cuando llega a una parte clave (por ejemplo, “de el pueblo, por el pueblo, para el pueblo”), utiliza el lenguaje corporal y de las manos y eleva su inflección para enfatizar ciertas palabras.
Movimiento:
Estudiar aves y animales en libros puede ser aburrido y no captura sus actividades típicas. Un maestro de primaria utiliza fuentes de Internet y videos interactivos para mostrar aves y animales en sus hábitats naturales. Los estudiantes pueden ver cuáles son sus actividades típicas mientras cazan comida y presas, cuidan a sus crías y se mueven de un lugar a otro.
Gina Brown trabaja con sus pasantes en sus movimientos mientras enseñan y trabajan con niños. Gina hace que cada uno de sus estudiantes practique una lección con otros estudiantes. Mientras enseñan, deben moverse y no simplemente pararse o sentarse en un lugar en la parte delantera de la clase. Si están utilizando imágenes proyectadas, deben alejarse de la pantalla. Luego, ella enseña a los estudiantes el monitoreo del trabajo en los asientos, o cómo moverse por el aula de manera efectiva y verificar el progreso de los estudiantes mientras están involucrados en tareas individualmente o en grupos pequeños.
En resumen, las entradas sensoriales se procesan en las porciones de memorias sensoriales del cerebro, y aquellas que se retienen el tiempo suficiente se transfieren a la MT. La MT parece residir en múltiples partes del cerebro, pero principalmente en la corteza prefrontal del lóbulo frontal (Wolfe, 2001). Como veremos en el Capítulo 5, la información se pierde de la MT en unos pocos segundos a menos que se ensaye o se transfiera a la MLP. Para que la información se retenga, debe haber una señal neural para hacerlo; es decir, la información se considera importante y necesita ser utilizada.
Las partes del cerebro involucradas principalmente en la memoria y el procesamiento de la información son la corteza y el lóbulo temporal medial (Wolfe, 2001). Parece que el cerebro procesa y almacena los recuerdos en las mismas estructuras que inicialmente perciben y procesan la información. Al mismo tiempo, las partes particulares del cerebro involucradas en la MLP varían según el tipo de información. Se hace una distinción entre la memoria declarativa (hechos, definiciones, eventos) y la memoria procedimental (procedimientos, estrategias). Diferentes partes del cerebro están involucradas en el uso de información declarativa y procedimental.
Con la información declarativa, los registros sensoriales en la corteza cerebral (por ejemplo, visual, auditiva) reciben la entrada y la transfieren al hipocampo y al lóbulo temporal medial cercano. Las entradas se registran en gran medida en el mismo formato en que aparecen (por ejemplo, como un estímulo visual o auditivo). El hipocampo no es el sitio de almacenamiento final; actúa como un procesador y transportador de entradas. Como veremos en la siguiente sección, las entradas que ocurren con más frecuencia hacen conexiones neuronales más fuertes. Con múltiples activaciones, los recuerdos forman redes neuronales que se incrustan fuertemente en las cortezas frontal y temporal. La MLP para la información declarativa, por lo tanto, parece residir en la corteza frontal y temporal.
Mucha información procedimental se automatiza de tal manera que los procedimientos se pueden llevar a cabo con poca o ninguna conciencia consciente (por ejemplo, escribir, andar en bicicleta). El aprendizaje procedimental inicial involucra la corteza prefrontal, el lóbulo parietal y el cerebelo, lo que garantiza que atendamos conscientemente a los movimientos o pasos y que estos movimientos o pasos se ensamblen correctamente. Con la práctica, estas áreas muestran menos actividad y otras estructuras cerebrales, como la corteza motora, se involucran más (Wolfe, 2001).
La neurociencia cognitiva apoya la idea de que se puede aprender mucho a través de la observación (Bandura, 1986). La investigación muestra que los circuitos corticales involucrados en la realización de una acción también responden cuando observamos a otra persona realizar esa acción (van Gog, Paas, Marcus, Ayres, & Sweller, 2009).
Con procedimientos no motores (por ejemplo, decodificación de palabras, suma simple), la corteza visual está muy involucrada. La repetición en realidad puede cambiar la estructura neuronal de la corteza visual. Estos cambios nos permiten reconocer estímulos visuales (por ejemplo, palabras, números) rápidamente sin tener que procesar conscientemente sus significados. Como consecuencia, muchas de estas tareas cognitivas se vuelven rutinarias. El procesamiento consciente de la información (por ejemplo, detenerse a pensar en lo que significa el pasaje de lectura) requiere una actividad extendida en otras partes del cerebro.
Pero, ¿qué pasa si no se puede adjuntar ningún significado a una entrada? ¿Qué pasa si la información entrante, aunque se considere importante (como por un maestro que dice: “Presta atención”), no se puede vincular con nada en la memoria? Esta situación requiere la creación de una nueva red de memoria, como se analiza a continuación.
Redes de Memoria
Con presentaciones repetidas de estímulos o información, las redes neuronales pueden fortalecerse de tal manera que las respuestas neuronales ocurren rápidamente. Desde una perspectiva de neurociencia cognitiva, el aprendizaje implica la formación y el fortalecimiento de conexiones y redes neuronales (conexiones sinápticas). Esta definición es bastante similar a la definición de aprendizaje en las teorías actuales de procesamiento de la información (p. ej., ACT-R).
Teoría de Hebb
El proceso por el cual se forman estas conexiones y redes sinápticas ha sido objeto de investigaciones científicas durante muchos años. Hebb (1949) formuló una teoría neurofisiológica del aprendizaje que destaca el papel de dos estructuras corticales: conjuntos celulares y secuencias de fase. Un conjunto celular es una estructura que incluye células en la corteza y centros subcorticales (Hilgard, 1956). Básicamente, un conjunto celular es una contraparte neural de una asociación simple y se forma a través de estimulaciones repetidas con frecuencia. Cuando la estimulación particular ocurre de nuevo, el conjunto celular se activa. Hebb creía que cuando el conjunto celular se activaba, facilitaría las respuestas neuronales en otros sistemas, así como las respuestas motoras.
¿Cómo se forman los conjuntos celulares? Hebb solo pudo especular sobre esto, porque en su tiempo la tecnología para examinar los procesos cerebrales era limitada. Hebb sintió que las estimulaciones repetidas conducían al crecimiento de perillas sinápticas que aumentaban el contacto entre axones y dendritas (Hilgard, 1956). Con estimulaciones repetidas, el conjunto celular se activaría automáticamente, lo que facilita el procesamiento neuronal.
Una secuencia de fase es una serie de conjuntos celulares. Los conjuntos celulares que se estimulan repetidamente forman un patrón o secuencia que impone alguna organización en el proceso. Por ejemplo, estamos expuestos a múltiples estímulos visuales cuando miramos el rostro de un amigo. Uno puede imaginar múltiples conjuntos celulares, cada uno de los cuales cubre un aspecto particular del rostro (p. ej., la esquina izquierda del ojo izquierdo, la parte inferior de la oreja derecha). Al mirar repetidamente el rostro del amigo, estos múltiples conjuntos celulares se activan simultáneamente y se conectan para formar una secuencia de fase coordinada que ordena las partes (p. ej., para que no traspongamos la parte inferior de la oreja derecha en la esquina izquierda del ojo izquierdo). La secuencia de fase permite que el todo coordinado se perciba de manera significativa y consciente.
Conexiones Neuronales
A pesar de que las ideas de Hebb tienen más de 60 años, son notablemente consistentes con las opiniones contemporáneas sobre cómo ocurre el aprendizaje y cómo se forman los recuerdos. Como veremos en la siguiente sección sobre desarrollo, nacemos con una gran cantidad de conexiones neuronales (sinápticas). Nuestras experiencias luego trabajan en este sistema. Las conexiones se seleccionan o se ignoran, se fortalecen o se pierden. Además, las conexiones se pueden agregar y desarrollar a través de nuevas experiencias (National Research Council, 2000).
Es digno de mención que el proceso de formación y fortalecimiento de las conexiones sinápticas (aprendizaje) cambia la estructura física del cerebro y altera su organización funcional (National Research Council, 2000). El aprendizaje de tareas específicas produce cambios localizados en las áreas cerebrales apropiadas para la tarea, y estos cambios imponen una nueva organización en el cerebro. Tendemos a pensar que el cerebro determina el aprendizaje, pero de hecho existe una relación recíproca debido a la “neuroplasticidad” del cerebro, o su capacidad para cambiar su estructura y función como resultado de la experiencia (Begley, 2007).
Aunque la investigación cerebral continúa sobre este importante tema, la información disponible indica que la memoria no se forma completamente en el momento en que ocurre el aprendizaje inicial. Más bien, la formación de la memoria es un proceso continuo en el que las conexiones neuronales se estabilizan durante un período de tiempo (Wolfe, 2001). El proceso de estabilización y fortalecimiento de las conexiones neuronales (sinápticas) se conoce como consolidación. El hipocampo parece desempeñar un papel clave en la consolidación, a pesar de que el hipocampo no es donde se almacenan los recuerdos.
¿Qué factores mejoran la consolidación? Como se discute en profundidad en el Capítulo 5, la organización, el ensayo y la elaboración son importantes porque sirven para imponer una estructura. La investigación muestra que el cerebro, lejos de ser un receptor y registrador pasivo de información, juega un papel activo en el almacenamiento y la recuperación de información (National Research Council, 2000).
En resumen, parece que los estímulos o la información entrante activan la porción apropiada del cerebro y se codifican como conexiones sinápticas. Con la repetición, estas conexiones aumentan en número y se fortalecen, lo que significa que ocurren más automáticamente y se comunican mejor entre sí. El aprendizaje altera las regiones específicas del cerebro involucradas en las tareas (National Research Council, 2000). Las experiencias son críticas para el aprendizaje, tanto las experiencias del entorno (p. ej., estímulos visuales y auditivos) como las de las propias actividades mentales (p. ej., pensamientos).
Dado que el cerebro impone alguna estructura a la información entrante, es importante que esta estructura ayude a facilitar la memoria. Podríamos decir, entonces, que la simple consolidación y la memoria no son suficientes para garantizar el aprendizaje a largo plazo. Más bien, la instrucción debería desempeñar un papel clave al ayudar a imponer una estructura deseable en el aprendizaje, un punto señalado por Emma y Claudia en el escenario de apertura.
Enseñanza para la Consolidación
Factores como la organización, el ensayo y la elaboración ayudan al cerebro a imponer estructura en el aprendizaje y ayudan en la consolidación de las conexiones neuronales en la memoria. Los profesores pueden incorporar estas ideas de varias maneras.
Organización:
Los estudiantes de la Sra. Standar están estudiando la Revolución Americana. En lugar de pedirles que aprendan muchas fechas, ella crea una línea de tiempo de eventos clave y explica cómo cada evento condujo a eventos posteriores. Por lo tanto, ella ayuda a los estudiantes a organizar cronológicamente los eventos clave relacionándolos con los eventos que ayudaron a causar.
En su curso de estadística de la escuela secundaria, la Sra. Conwell organiza la información sobre datos distribuidos normalmente utilizando la curva normal. En la curva, ella etiqueta la media y las desviaciones estándar por encima y por debajo de la media. También etiqueta los porcentajes del área bajo las porciones de la curva para que los estudiantes puedan relacionar la media y las desviaciones estándar con los porcentajes de la distribución. El uso de este organizador visual es más significativo para los estudiantes que la información escrita que explica estos puntos.
Ensayo
Los estudiantes de primaria del Sr. Luongo realizarán una representación de Acción de Gracias para los padres. Los estudiantes deben aprender sus líneas y también sus movimientos. Él divide la representación en subpartes y trabaja en una parte cada día, luego fusiona gradualmente las partes en una secuencia más larga. Por lo tanto, los estudiantes obtienen mucho ensayo, incluyendo varios ensayos de toda la representación.
El Sr. Gómez hace que sus estudiantes de inglés de noveno grado ensayen con sus palabras de vocabulario. Para cada lista de palabras, los estudiantes escriben la palabra y la definición y luego escriben una oración usando la palabra. Los estudiantes también escriben ensayos cortos cada semana, en los que intentan incorporar al menos cinco palabras de vocabulario que han estudiado este año. Este ensayo ayuda a construir redes de memoria con la ortografía, los significados y el uso de las palabras.
Elaboración
La elaboración es el proceso de expandir la información para que sea significativa. La elaboración puede ayudar a construir redes de memoria y vincularlas con otras relevantes.
El Sr. Jackson sabe que a los estudiantes les resulta difícil vincular el precálculo con otros conocimientos. El Sr. Jackson encuesta a sus estudiantes para determinar sus intereses y qué otros cursos están tomando. Luego relaciona los conceptos de precálculo con estos intereses y cursos. Por ejemplo, para los estudiantes que toman física, vincula los principios del movimiento y la gravedad con las secciones cónicas (p. ej., parábolas) y las ecuaciones cuadráticas.
Los estudiantes de la escuela intermedia de la Sra. Kay trabajan periódicamente en una unidad que involucra el pensamiento crítico sobre temas de responsabilidad personal. Los estudiantes leen viñetas y luego las discuten. En lugar de dejar que simplemente estén de acuerdo o en desacuerdo con las elecciones del personaje de la historia, ella los obliga a elaborar abordando preguntas como: ¿Cómo afectó esta elección a otras personas? ¿Cuáles podrían haber sido las consecuencias si el personaje hubiera tomado una decisión diferente? ¿Qué habrías hecho tú y por qué?
Aprendizaje de Idiomas
La interacción de múltiples estructuras cerebrales y conexiones sinápticas se observa claramente en el aprendizaje de idiomas y especialmente en la lectura. Aunque las tecnologías modernas permiten a los investigadores investigar el funcionamiento del cerebro en tiempo real a medida que los individuos adquieren y utilizan las habilidades lingüísticas, gran parte de la investigación cerebral sobre la adquisición y el uso del lenguaje se ha llevado a cabo en personas que han sufrido lesiones cerebrales y han experimentado algún grado de pérdida del lenguaje. Dicha investigación es informativa sobre qué funciones se ven afectadas por la lesión en áreas cerebrales particulares, pero esta investigación no aborda la adquisición y el uso del lenguaje en los cerebros en desarrollo de los niños.
Los estudios de traumatismos cerebrales han demostrado que el lado izquierdo de la corteza cerebral es fundamental para la lectura y que las áreas de asociación cortical posterior (trasera) del hemisferio izquierdo son críticas para la comprensión y el uso del lenguaje y para la lectura normal (Vellutino & Denckla, 1996). Las disfunciones de la lectura a menudo son síntomas de lesiones corticales posteriores izquierdas. Las autopsias de cerebros de adolescentes y adultos jóvenes con antecedentes de dificultades de lectura han mostrado anormalidades estructurales en los hemisferios izquierdos. Las disfunciones de la lectura también a veces se asocian con lesiones cerebrales en los lóbulos anteriores (frontales), el área que controla el habla, aunque la evidencia lo asocia mucho más fuertemente con anormalidades del lóbulo posterior. Dado que estos resultados provienen de estudios de personas que sabían leer (en diversos grados) y luego perdieron parte o la totalidad de la capacidad, podemos concluir que las áreas del cerebro asociadas principalmente con el lenguaje y el habla en el lado izquierdo son críticas para el mantenimiento de la lectura.
Es importante tener en cuenta, sin embargo, que no existe un área central del cerebro involucrada en la lectura. Más bien, los diversos aspectos de la lectura (p. ej., identificación de letras y palabras, sintaxis, semántica) involucran muchas estructuras cerebrales localizadas y especializadas y conexiones sinápticas que deben coordinarse para leer con éxito (Vellutino & Denckla, 1996). La sección que sigue examina cómo parecen desarrollarse estas interconexiones en los lectores normales y en aquellos con problemas de lectura. La idea es que la lectura coordinada requiere la formación de ensamblajes neuronales, o colecciones de grupos neuronales que han formado conexiones sinápticas entre sí (Byrnes, 2001). Los ensamblajes neuronales parecen conceptualmente similares a los ensamblajes celulares y las secuencias de fase de Hebb.
Los resultados de la investigación en neurociencia muestran que regiones cerebrales específicas están asociadas con el procesamiento ortográfico, fonológico, semántico y sintáctico requerido para la lectura (Byrnes, 2001). El procesamiento ortográfico (p. ej., letras, caracteres) depende en gran medida del área visual primaria. El procesamiento fonológico (p. ej., fonemas, sílabas) está asociado con los lóbulos temporales superiores (superiores). El procesamiento semántico (p. ej., significados) está asociado con el área de Broca en el lóbulo frontal y áreas en el lóbulo temporal medial (medio) en el hemisferio izquierdo. El procesamiento sintáctico (p. ej., estructura de la oración) también parece ocurrir en el área de Broca.
Notamos anteriormente dos áreas clave en el cerebro involucradas en el lenguaje. El área de Broca juega un papel importante en la producción del habla gramaticalmente correcta. El área de Wernicke (ubicada en el lóbulo temporal izquierdo debajo de la cisura lateral) es fundamental para la elección y elocución adecuadas de las palabras. Las personas con deficiencias en el área de Wernicke pueden usar una palabra incorrecta pero una cercana en significado (p. ej., decir “cuchillo” cuando se pretendía “tenedor”).
El lenguaje y la lectura requieren la coordinación de las diversas áreas del cerebro. Dicha coordinación se produce a través de haces de fibras nerviosas que conectan las áreas del lenguaje entre sí y con otras partes de la corteza cerebral en ambos lados del cerebro (Geschwind, 1998). El cuerpo calloso es la colección más grande de tales fibras, pero hay otras. El daño o la destrucción de estas fibras impide la comunicación en el cerebro necesaria para el funcionamiento adecuado del lenguaje, lo que puede resultar en un trastorno del lenguaje. Los investigadores del cerebro exploran cómo operan las disfunciones y qué funciones cerebrales continúan en presencia de daño.
Este tema se considera más a fondo en la siguiente sección, porque está íntimamente ligado al desarrollo del cerebro. Para los educadores, saber cómo se desarrolla el cerebro es importante porque los cambios en el desarrollo deben considerarse al planificar la instrucción para garantizar el aprendizaje de los estudiantes.