Johdanto
Tässä osiossa käsitellään aivojen toimintaa oppimisen aikana käyttäen viitekehyksenä luvussa 5 esiteltyä tiedonkäsittelymallia (ks. kuva 5.1). Aivojen toiminta oppimisen aikana on monimutkaista, ja seuraavassa käsitellään vain keskeisiä elementtejä. Lukijoiden, jotka haluavat yksityiskohtaista tietoa oppimisesta ja muistista neurofysiologisesta näkökulmasta, tulisi tutustua muihin lähteisiin (Byrnes, 2001; Jensen, 2005; Rose, 1998; Wolfe, 2001).
Tiedonkäsittelyjärjestelmä
Tiedonkäsittelyjärjestelmä sisältää aistirekisterit, lyhytkestoisen (STM) tai työmuistin (WM) ja pitkäkestoisen muistin (LTM). Aistirekisterit vastaanottavat syötteitä ja pitävät niitä yllä murto-osan sekunnista, minkä jälkeen syöte hylätään tai kanavoidaan työmuistiin. Suurin osa aistisyötteistä hylätään, koska meitä pommitetaan jatkuvasti useilla aistisyötteillä.
Aiemmin tässä luvussa näimme, että kaikki aistisyötteet (hajuja lukuun ottamatta) menevät suoraan talamukseen, jossa ainakin osa niistä lähetetään aivokuoren asianmukaiseen osaan käsiteltäväksi (esim. aivolohkot, jotka käsittelevät asianmukaista aistitietoa). Syötettä ei kuitenkaan lähetetä samassa muodossa kuin se vastaanotettiin; pikemminkin se lähetetään neuraalisena “havaintona” kyseisestä syötteestä. Esimerkiksi talamuksen vastaanottama auditiivinen ärsyke muunnetaan kyseisen ärsykkeen havainnon neuraaliseksi vastineeksi. Tämä havainto on myös vastuussa tiedon yhdistämisestä siihen, mikä on jo tallennettu muistiin, prosessi, joka tunnetaan nimellä hahmontunnistus. Jos visuaalinen ärsyke on esimerkiksi luokan opettaja, aivokuorelle lähetetty havainto vastaa opettajan tallennettua esitystä, ja ärsyke tunnistetaan.
Osa siitä, mikä tekee havainnosta mielekkään, on se, että aivojen retikulaarinen aktivaatiojärjestelmä suodattaa tietoa poistaakseen triviaalin tiedon ja keskittyäkseen tärkeään materiaaliin (Wolfe, 2001). Tämä prosessi on adaptiivinen, koska jos yrittäisimme kiinnittää huomiota jokaiseen syötteeseen, emme koskaan pystyisi keskittymään mihinkään. On useita tekijöitä, jotka vaikuttavat tähän suodatukseen. Havaittu tärkeys, kuten opettajien ilmoitus siitä, että materiaali on tärkeää (esim. testataan), komentaa todennäköisesti opiskelijoiden huomiota. Uutuus herättää huomiota; aivot pyrkivät keskittymään syötteisiin, jotka ovat uusia tai erilaisia kuin mitä voitaisiin odottaa. Toinen tekijä on intensiteetti; ärsykkeet, jotka ovat kovempia, kirkkaampia tai voimakkaampia, saavat enemmän huomiota. Myös liike auttaa kohdistamaan huomion. Vaikka nämä huomiojärjestelmät toimivat suurelta osin tiedostamatta, näitä ideoita on mahdollista käyttää opiskelijoiden huomion kohdistamiseen luokkahuoneessa, esimerkiksi käyttämällä kirkkaita ja uusia visuaalisia esityksiä.
Opiskelijoiden huomion herättäminen ja ylläpitäminen
Kognitiivinen neurotiede -tutkimus osoittaa, että erilaiset ympäristötekijät voivat herättää ja ylläpitää ihmisten huomiota. Näitä tekijöitä ovat tärkeys, uutuus, intensiteetti ja liike. Kun opettajat suunnittelevat opetusta, he voivat määrittää tapoja sisällyttää nämä tekijät oppitunteihinsa ja opiskelijoiden toimintaan.
Tärkeys:
Kathy Stone opettaa lapsille löytämään pääajatuksia kappaleista. Hän haluaa, että lapset keskittyvät pääajatuksiin eivätkä häiriinny mielenkiintoisista yksityiskohdista. Lapset kysyvät kysymyksen: “Mistä tämä tarina enimmäkseen kertoo?” Lukevat tarinan ja kysyvät kysymyksen uudelleen. Sitten he poimivat lauseen, joka parhaiten vastaa kysymykseen. Kathy tarkistaa muut lauseet osoittaakseen, kuinka ne käsittelevät yksityiskohtia, jotka voivat tukea pääajatusta, mutta eivät ilmaise sitä.
Yläasteen opettaja käsittelee osavaltion historiaa käsittelevää yksikköä. Tekstissä on monia yksityiskohtia, ja opettaja haluaa, että oppilaat keskittyvät avaintapahtumiin ja henkilöihin, jotka auttoivat luomaan historian. Ennen jokaisen osion käsittelyä opettaja antaa oppilaille luettelon avainsanoista, jotka sisältävät tapahtumia ja henkilöitä. Oppilaiden on kirjoitettava lyhyt selittävä lause jokaiselle termille.
Uutuus:
Viidennen luokan opettaja otti yhteyttä paikallisen yliopiston entomologian professoriin, joka on torakoiden asiantuntija. Opettaja vei luokkansa hänen laboratorioonsa. Siellä opiskelijat näkivät kaikenlaisia torakoita. Professorilla oli erilaisia laitteita, joiden avulla opiskelijat näkivät torakoiden toimintaa omakohtaisesti, esimerkiksi kuinka nopeasti ne voivat juosta ja mitä ne syövät.
Lukion tennisvalmentaja hankki pallokoneen, joka lähettää tennispalloja eri nopeuksilla ja kaarilla, joita pelaajat sitten yrittävät palauttaa. Sen sijaan, että pelaajat harjoittelisivat toistuvasti pallojen palauttamista, valmentaja järjestää jokaisen istunnon otteluna (pelaaja vastaan kone) ilman syöttöjä. Jos pelaaja onnistuu palauttamaan pallokoneesta lähetetyn pallon, pelaaja saa pisteen; ellei, kone saa pisteen. Pisteytys noudattaa vakiomuotoa (love-15-30-40-peli).
Intensiteetti:
Monilla ala-asteen lapsilla on vaikeuksia ryhmittelyn kanssa vähennyslaskussa, ja he vähentävät virheellisesti pienemmän luvun suuremmasta luvusta jokaisessa sarakkeessa. Tämän virheen korjaamiseksi opettaja pyytää oppilaita piirtämään nuolen yläluvusta alalukuun jokaisessa sarakkeessa ennen vähentämistä. Jos yläpuolella oleva luku on pienempi, oppilaat piirtävät ensin nuolen viereisen sarakkeen yläluvusta vähennettävän sarakkeen ylälukuun ja suorittavat sitten asianmukaisen uudelleenryhmittelyn. Nuolten käyttö tekee toimintojen järjestyksestä voimakkaamman.
Jim Marshall haluaa, että hänen oppilaansa muistavat Gettysburgin puheen ja osaavat lausua sen painottaen avainkohdissa. Jim näyttää lukemisen samalla kun hänelle säestää hyvin hiljaisella äänenvoimakkuudella instrumentaaliversio “The Battle Hymn of the Republic” -kappaleesta. Kun hän tulee avainkohtaan (esim. “kansasta, kansan kautta, kansaa varten”), hän käyttää kehon ja käden kieltä ja korottaa intonaatiotaan korostaakseen tiettyjä sanoja.
Liike:
Lintujen ja eläinten tutkiminen kirjoista voi olla tylsää, eikä se vangitse niiden tyypillisiä toimintoja. Ala-asteen opettaja käyttää Internet-lähteitä ja interaktiivisia videoita näyttääkseen lintuja ja eläimiä niiden luonnollisissa elinympäristöissä. Opiskelijat voivat nähdä, mitä heidän tyypilliset toimintonsa ovat, kun he metsästävät ruokaa ja saalista, huolehtivat nuoristaan ja siirtyvät paikasta toiseen.
Gina Brown työskentelee harjoittelijoidensa kanssa heidän liikkeidensä parissa, kun he opettavat ja työskentelevät lasten kanssa. Gina pyytää jokaista oppilastaan harjoittelemaan oppitunnin muiden oppilaiden kanssa. Opettamisen aikana heidän on liikkuttava ympäriinsä eikä vain seistä tai istua yhdessä paikassa luokan edessä. Jos he käyttävät projisoituja kuvia, heidän on siirryttävä pois näytöltä. Sitten hän opettaa opiskelijoille istumatyön seurantaa tai kuinka liikkua tehokkaasti huoneessa ja tarkistaa opiskelijoiden edistymistä, kun he osallistuvat tehtäviin yksilöllisesti tai pienryhmissä.
Yhteenvetona voidaan todeta, että aistisyötteet käsitellään aivojen aistimuistiosissa, ja ne, jotka säilytetään riittävän kauan, siirretään työmuistiin. Työmuisti näyttää sijaitsevan aivojen useissa osissa, mutta pääasiassa otsalohkon prefrontaalisessa aivokuoressa (Wolfe, 2001). Kuten luvussa 5 näemme, tieto menetetään työmuistista muutamassa sekunnissa, ellei sitä harjoitella tai siirretä pitkäkestoiseen muistiin. Jotta tieto säilyisi, on oltava neuraalinen signaali sen tekemiseksi; toisin sanoen tieto katsotaan tärkeäksi ja sitä on käytettävä.
Aivojen osat, jotka ovat pääasiassa mukana muistissa ja tiedonkäsittelyssä, ovat aivokuori ja mediaalinen ohimolohko (Wolfe, 2001). Näyttää siltä, että aivot käsittelevät ja tallentavat muistoja samoissa rakenteissa, jotka alun perin havaitsevat ja käsittelevät tietoa. Samalla pitkäkestoisessa muistissa mukana olevat aivojen tietyt osat vaihtelevat tiedon tyypin mukaan. Erotetaan deklaratiivinen muisti (faktat, määritelmät, tapahtumat) ja proseduraalinen muisti (menettelyt, strategiat). Aivojen eri osat ovat mukana deklaratiivisen ja proseduraalisen tiedon käytössä.
Deklaratiivisen tiedon osalta aivokuoren aistirekisterit (esim. visuaalinen, auditiivinen) vastaanottavat syötteen ja siirtävät sen hippokampukseen ja läheiseen mediaaliseen ohimolohkoon. Syötteet rekisteröidään pitkälti samassa muodossa kuin ne näyttävät (esim. visuaalisena tai auditiivisena ärsykkeenä). Hippokampus ei ole lopullinen tallennuspaikka; se toimii syötteiden prosessorina ja kuljettajana. Kuten seuraavassa osiossa näemme, useammin esiintyvät syötteet luovat vahvempia hermoyhteyksiä. Useilla aktivoinneilla muistot muodostavat hermoverkkoja, jotka upotetaan voimakkaasti otsa- ja ohimokuoreen. Deklaratiivisen tiedon pitkäkestoinen muisti näyttää siksi sijaitsevan otsa- ja ohimokuoressa.
Suuri osa proseduraalisesta tiedosta automatisoituu siten, että menettelyt voidaan suorittaa ilman juurikaan tietoista tietoisuutta (esim. kirjoittaminen, pyöräily). Proseduraalisen oppimisen alkuvaiheessa ovat mukana prefrontaalinen aivokuori, parietaalilohko ja pikkuaivot, jotka varmistavat, että kiinnitämme tietoisesti huomiota liikkeisiin tai vaiheisiin ja että nämä liikkeet tai vaiheet kootaan oikein. Harjoittelun myötä nämä alueet osoittavat vähemmän aktiivisuutta ja muut aivorakenteet, kuten motorinen aivokuori, ovat enemmän mukana (Wolfe, 2001).
Kognitiivinen neurotiede tukee ajatusta, että havainnoinnin kautta voidaan oppia paljon (Bandura, 1986). Tutkimukset osoittavat, että aivokuoren piirit, jotka ovat mukana toiminnan suorittamisessa, reagoivat myös, kun havaitsemme jonkun muun suorittavan kyseisen toiminnan (van Gog, Paas, Marcus, Ayres & Sweller, 2009).
Ei-motoristen menettelyjen (esim. sanojen purkaminen, yksinkertainen yhteenlasku) osalta visuaalinen aivokuori on vahvasti mukana. Toisto voi todella muuttaa visuaalisen aivokuoren hermorakennetta. Näiden muutosten avulla voimme tunnistaa visuaaliset ärsykkeet (esim. sanat, numerot) nopeasti ilman, että meidän tarvitsee tietoisesti käsitellä niiden merkityksiä. Tämän seurauksena monet näistä kognitiivisista tehtävistä rutiinistuvat. Tiedon tietoinen käsittely (esim. pysähtyminen miettimään, mitä lukukappale tarkoittaa) vaatii laajennettua toimintaa aivojen muissa osissa.
Mutta entä jos syötteelle ei voida liittää merkitystä? Entä jos saapuvaa tietoa, vaikka sitä pidetään tärkeänä (kuten opettaja sanoo: “Kiinnitä huomiota”), ei voida yhdistää mihinkään muistissa olevaan? Tämä tilanne edellyttää uuden muistiverkon luomista, kuten seuraavassa käsitellään.
Muistiverkostot
Kun ärsykkeitä tai tietoa esitetään toistuvasti, hermoverkot voivat vahvistua siten, että hermovasteet tapahtuvat nopeasti. Kognitiivisen neurotieteen näkökulmasta oppiminen sisältää hermoyhteyksien ja -verkostojen (synaptisten yhteyksien) muodostamisen ja vahvistamisen. Tämä määritelmä on melko samankaltainen kuin oppimisen määritelmä nykyisissä tiedonkäsittelyteorioissa (esim. ACT-R).
Hebbin teoria
Prosessi, jolla nämä synaptiset yhteydet ja verkostot muodostuvat, on ollut tieteellisen tutkimuksen kohteena jo vuosia. Hebb (1949) muotoili neurofysiologisen oppimisteorian, joka korostaa kahden aivokuoren rakenteen roolia: solukokoonpanot ja vaihesekvenssit. Solukokoonpano on rakenne, joka sisältää soluja aivokuoressa ja subkortikaalisissa keskuksissa (Hilgard, 1956). Pohjimmiltaan solukokoonpano on yksinkertaisen assosiaation hermovastaava, ja se muodostuu usein toistuvien stimulaatioiden kautta. Kun tietty stimulaatio tapahtuu uudelleen, solukokoonpano herää. Hebb uskoi, että kun solukokoonpano herätetään, se helpottaa hermovasteita muissa järjestelmissä sekä motorisia vasteita.
Miten solukokoonpanot muodostuvat? Hebb saattoi vain spekuloida tällä, koska hänen aikanaan teknologia aivoprosessien tutkimiseen oli rajallista. Hebb katsoi, että toistuvat stimulaatiot johtivat synaptisten nappuloiden kasvuun, mikä lisäsi kontaktia aksonien ja dendriittien välillä (Hilgard, 1956). Toistuvien stimulaatioiden myötä solukokoonpano aktivoituisi automaattisesti, mikä helpottaa hermoprosessointia.
Vaihesekvenssi on sarja solukokoonpanoja. Toistuvasti stimuloitavat solukokoonpanot muodostavat kuvion tai sekvenssin, joka asettaa jonkinlaisen järjestyksen prosessille. Esimerkiksi altistumme useille visuaalisille ärsykkeille, kun katsomme ystävän kasvoja. Voidaan kuvitella useita solukokoonpanoja, joista jokainen kattaa tietyn kasvojen osan (esim. vasemman silmän vasen kulma, oikean korvan alaosa). Katsomalla toistuvasti ystävän kasvoja nämä useat solukokoonpanot aktivoituvat samanaikaisesti ja yhdistyvät muodostaen koordinoidun vaihesekvenssin, joka järjestää osat (esim. emme siirrä oikean korvan alaosaa vasemman silmän vasempaan kulmaan). Vaihesekvenssi mahdollistaa koordinoidun kokonaisuuden mielekkään ja tietoisen havaitsemisen.
Hermoyhteydet
Vaikka Hebbin ajatukset ovat yli 60 vuotta vanhoja, ne ovat huomattavan yhdenmukaisia nykyisten näkemysten kanssa siitä, miten oppiminen tapahtuu ja muistot muodostuvat. Kuten näemme seuraavassa kehitystä käsittelevässä osiossa, synnymme suuren määrän hermo- (synaptisia) yhteyksiä. Kokemuksemme sitten vaikuttavat tähän järjestelmään. Yhteyksiä valitaan tai jätetään huomiotta, vahvistetaan tai menetetään. Lisäksi yhteyksiä voidaan lisätä ja kehittää uusien kokemusten kautta (National Research Council, 2000).
On huomionarvoista, että synaptisten yhteyksien muodostamis- ja vahvistamisprosessi (oppiminen) muuttaa aivojen fyysistä rakennetta ja muuttaa niiden toiminnallista organisaatiota (National Research Council, 2000). Tiettyjen tehtävien oppiminen tuottaa paikallisia muutoksia aivojen alueilla, jotka soveltuvat tehtävään, ja nämä muutokset asettavat uuden organisaation aivoille. Meillä on taipumus ajatella, että aivot määräävät oppimisen, mutta itse asiassa on olemassa vastavuoroinen suhde aivojen "neuroplastisuuden" vuoksi, eli niiden kyvyn muuttaa rakennettaan ja toimintaansa kokemuksen seurauksena (Begley, 2007).
Vaikka aivotutkimus jatkuu tästä tärkeästä aiheesta, saatavilla olevat tiedot osoittavat, että muisti ei muodostu kokonaan alkuperäisen oppimisen aikana. Sen sijaan muistin muodostuminen on jatkuva prosessi, jossa hermoyhteydet vakiintuvat tietyn ajan kuluessa (Wolfe, 2001). Hermo- (synaptisten) yhteyksien vakauttamis- ja vahvistamisprosessia kutsutaan konsolidaatioksi. Hippokampuksella näyttää olevan keskeinen rooli konsolidaatiossa, vaikka hippokampus ei olekaan paikka, jossa muistoja säilytetään.
Mitkä tekijät parantavat konsolidaatiota? Kuten luvussa 5 käsitellään perusteellisesti, organisointi, harjoittelu ja elaboraatio ovat tärkeitä, koska ne auttavat asettamaan rakenteen. Tutkimukset osoittavat, että aivot, jotka ovat kaukana passiivisesta tiedon vastaanottajasta ja tallentajasta, ovat aktiivisesti mukana tiedon tallentamisessa ja hakemisessa (National Research Council, 2000).
Yhteenvetona näyttää siltä, että ärsykkeet tai saapuva tieto aktivoivat sopivan aivojen osan ja koodataan synaptisiksi yhteyksiksi. Toiston myötä näiden yhteyksien määrä kasvaa ja ne vahvistuvat, mikä tarkoittaa, että ne tapahtuvat automaattisemmin ja kommunikoivat paremmin keskenään. Oppiminen muuttaa tiettyjä aivojen alueita, jotka ovat mukana tehtävissä (National Research Council, 2000). Kokemukset ovat ratkaisevan tärkeitä oppimiselle, sekä ympäristön kokemukset (esim. visuaaliset ja auditiiviset ärsykkeet) että omat henkiset toiminnot (esim. ajatukset).
Koska aivot asettavat jonkinlaisen rakenteen saapuvalle tiedolle, on tärkeää, että tämä rakenne auttaa helpottamaan muistia. Voisimme sanoa, että yksinkertainen konsolidaatio ja muisti eivät riitä takaamaan pitkäaikaista oppimista. Sen sijaan opetuksella pitäisi olla keskeinen rooli auttamalla asettamaan toivottavan rakenteen oppimiselle, kuten Emma ja Claudia totesivat avauskuvauksessa.
Opetus konsolidaation tueksi
Opetus konsolidaation tueksi
Tekijät, kuten organisointi, harjoittelu ja elaboraatio, auttavat aivoja asettamaan rakenteen oppimiselle ja auttavat hermoyhteyksien konsolidaatiossa muistissa. Opettajat voivat sisällyttää näitä ideoita eri tavoin.
Organisointi:
Ms. Standarin opiskelijat opiskelevat Amerikan vallankumousta. Sen sijaan, että hän pyytäisi heitä oppimaan monia päivämääriä, hän luo aikajanan keskeisistä tapahtumista ja selittää, miten kukin tapahtuma johti myöhempiin tapahtumiin. Näin hän auttaa opiskelijoita järjestämään keskeiset tapahtumat kronologisesti suhteuttamalla ne tapahtumiin, joita he auttoivat aiheuttamaan.
Lukiokurssillaan Ms. Conwell järjestää tietoa normaalisti jakautuneesta datasta normaalin käyrän avulla. Käyrälle hän merkitsee keskiarvon ja keskihajonnat keskiarvon ylä- ja alapuolella. Hän merkitsee myös käyrän osien alla olevan alueen prosenttiosuudet, jotta opiskelijat voivat suhteuttaa keskiarvon ja keskihajonnat jakauman prosenttiosuuksiin. Tämän visuaalisen järjestäjän käyttö on opiskelijoille mielekkäämpää kuin kirjallinen tieto, joka selittää näitä kohtia.
Harjoittelu
Mr. Luongon alakoulun oppilaat esittävät vanhemmille kiitospäivän näytelmän. Oppilaiden on opeteltava repliikkinsä ja myös liikkeensä. Hän jakaa näytelmän alaosiin ja työskentelee yhden osan parissa joka päivä ja yhdistää sitten vähitellen osat pidemmäksi sarjaksi. Oppilaat saavat siten runsaasti harjoitusta, mukaan lukien useita koko näytelmän harjoituksia.
Mr. Gomez harjoituttaa yhdeksännen luokan englannin oppilaitaan sanastosanoillaan. Jokaiselle sanalistalle oppilaat kirjoittavat sanan ja määritelmän ja kirjoittavat sitten lauseen käyttäen sanaa. Oppilaat kirjoittavat myös lyhyitä esseitä joka viikko, joissa he yrittävät sisällyttää vähintään viisi sanastosanaa, joita he ovat opiskelleet tänä vuonna. Tämä harjoittelu auttaa rakentamaan muistiverkostoja sanan kirjoitusasun, merkityksen ja käytön avulla.
Elaboraatio
Elaboraatio on prosessi, jossa tietoa laajennetaan, jotta se olisi mielekästä. Elaboraatio voi auttaa rakentamaan muistiverkostoja ja yhdistämään ne muihin asiaankuuluviin verkostoihin.
Mr. Jackson tietää, että opiskelijoiden on vaikea yhdistää precalculus-tietoa muuhun tietoon. Mr. Jackson kartoittaa opiskelijoitaan selvittääkseen heidän kiinnostuksen kohteensa ja mitä muita kursseja he käyvät. Sitten hän suhteuttaa precalculus-käsitteet näihin kiinnostuksen kohteisiin ja kursseihin. Esimerkiksi fysiikkaa opiskeleville opiskelijoille hän yhdistää liikkeen ja painovoiman periaatteet kartioleikkauksiin (esim. paraabelit) ja toisen asteen yhtälöihin.
Ms. Kayn yläkoulun oppilaat työskentelevät säännöllisesti henkilökohtaisen vastuun kysymyksiä käsittelevän yksikön parissa. Opiskelijat lukevat vinjettejä ja keskustelevat niistä. Sen sijaan, että hän antaisi heidän vain olla samaa tai eri mieltä tarinan hahmon valinnoista, hän pakottaa heidät elaboroimaan vastaamalla kysymyksiin, kuten: Miten tämä valinta vaikutti muihin ihmisiin? Mitkä olisivat voineet olla seuraukset, jos hahmo olisi tehnyt toisenlaisen valinnan? Mitä sinä olisit tehnyt ja miksi?
Kielen oppiminen
Useiden aivojen rakenteiden ja synaptisten yhteyksien vuorovaikutus näkyy selvästi kielen oppimisessa ja erityisesti lukemisessa. Vaikka nykyaikaiset teknologiat mahdollistavat tutkijoiden tutkia reaaliaikaista aivotoimintaa, kun yksilöt hankkivat ja käyttävät kielitaitoja, suuri osa aivotutkimuksesta kielen hankinnan ja käytön suhteen on tehty henkilöillä, jotka ovat kärsineet aivovammasta ja kokeneet jonkinasteista kielenhäiriötä. Tällainen tutkimus on informatiivista siitä, mitä toimintoja tiettyjen aivoalueiden vaurioituminen vaikuttaa, mutta tämä tutkimus ei käsittele kielen hankintaa ja käyttöä lasten kehittyvissä aivoissa.
Aivovammatutkimukset ovat osoittaneet, että aivojen aivokuoren vasen puoli on keskeinen lukemiselle ja että vasemman aivopuoliskon posterioriset (taka-) aivokuoren assosiaatioalueet ovat kriittisiä kielen ymmärtämiselle ja käyttämiselle sekä normaalille lukemiselle (Vellutino & Denckla, 1996). Lukemisvaikeudet ovat usein oireita vasemman posteriorisen aivokuoren leesioista. Nuorten ja nuorten aikuisten aivojen ruumiinavaukset, joilla on ollut lukemisvaikeuksia, ovat osoittaneet rakenteellisia poikkeavuuksia vasemmassa aivopuoliskossa. Lukemisvaikeudet liittyvät joskus myös anteriorisiin (etu-) lohkoihin – alueeseen, joka säätelee puhetta – vaikka todisteet yhdistävät sen paljon vahvemmin posterioristen lohkojen poikkeavuuksiin. Koska nämä tulokset ovat peräisin tutkimuksista henkilöistä, jotka osasivat lukea (vaihtelevasti) ja menettivät sitten osan tai kaiken kyvyn, voimme päätellä, että ensisijaisesti vasemmanpuoleiset aivoalueet, jotka liittyvät kieleen ja puheeseen, ovat kriittisiä lukemisen ylläpitämiselle.
On kuitenkin tärkeää muistaa, että lukemiseen ei liity yhtä keskeistä aivoaluetta. Pikemminkin lukemisen eri osa-alueet (esim. kirjaimen ja sanan tunnistaminen, syntaksi, semantiikka) sisältävät monia paikallisia ja erikoistuneita aivojen rakenteita ja synaptisia yhteyksiä, jotka on koordinoitava onnistuneen lukemisen aikaansaamiseksi (Vellutino & Denckla, 1996). Seuraavassa osiossa tarkastellaan, miten nämä yhteydet näyttävät kehittyvän normaaleissa lukijoissa ja niillä, joilla on lukemisvaikeuksia. Ajatuksena on, että koordinoitu lukeminen edellyttää hermoverkkojen muodostumista, eli hermoryhmien kokoelmia, jotka ovat muodostaneet synaptisia yhteyksiä toisiinsa (Byrnes, 2001). Hermoverkot näyttävät käsitteellisesti samankaltaisilta kuin Hebb:in solukokoonpanot ja vaihesekvenssit.
Neurotieteen tutkimustulokset osoittavat, että tietyt aivoalueet liittyvät ortografiseen, fonologiseen, semanttiseen ja syntaktiseen prosessointiin, joita lukeminen edellyttää (Byrnes, 2001). Ortografinen (esim. kirjaimet, merkit) prosessointi riippuu voimakkaasti primaarisesta näköalueesta. Fonologinen prosessointi (esim. foneemit, tavut) liittyy superiorisiin (ylempiin) ohimolohkoihin. Semanttinen prosessointi (esim. merkitykset) liittyy Brocan alueeseen otsalohkossa ja alueisiin mediaalisessa (keski-) ohimolohkossa vasemmassa aivopuoliskossa. Syntaktinen prosessointi (esim. lauseen rakenne) näyttää myös tapahtuvan Brocan alueella.
Huomasimme aiemmin kaksi keskeistä aivoaluetta, jotka liittyvät kieleen. Brocan alueella on suuri rooli kieliopillisesti oikean puheen tuottamisessa. Wernicken alue (sijaitsee vasemmassa ohimolohkossa lateraalisen uurteen alapuolella) on kriittinen oikean sananvalinnan ja elektion kannalta. Henkilöt, joilla on puutteita Wernicken alueella, voivat käyttää väärää sanaa, mutta sellaista, joka on lähellä merkitystä (esim. sanovat “puukko”, kun tarkoitettiin “ haarukkaa”).
Kieli ja lukeminen edellyttävät eri aivoalueiden koordinointia. Tällainen koordinointi tapahtuu hermosyiden kautta, jotka yhdistävät kielelliset alueet toisiinsa ja muihin aivokuoren osiin aivojen molemmilla puolilla (Geschwind, 1998). Aivokurkiainen on suurin tällainen kuitukokoelma, mutta on muitakin. Näiden kuitujen vaurioituminen tai tuhoutuminen estää aivojen viestinnän, jota tarvitaan asianmukaiseen kielen toimintaan, mikä voi johtaa kielihäiriöön. Aivotutkijat tutkivat, miten toimintahäiriöt toimivat ja mitkä aivotoiminnot jatkuvat vaurion ollessa läsnä.
Tätä aihetta käsitellään tarkemmin seuraavassa jaksossa, koska se liittyy läheisesti aivojen kehitykseen. Kouluttajille on tärkeää tietää, miten aivot kehittyvät, koska kehitykselliset muutokset on otettava huomioon opetusta suunniteltaessa oppilaiden oppimisen varmistamiseksi.