Introduction
このセクションでは、学習中の脳の処理に関する議論を、第5章で取り上げた情報処理モデル（図5.1参照）を参考に展開します。学習中の脳の処理は複雑であり、以下では中心的な要素のみを取り上げます。神経生理学的観点から見た学習と記憶に関する詳細な情報を必要とする読者は、他の資料（Byrnes, 2001; Jensen, 2005; Rose, 1998; Wolfe, 2001）を参照してください。
情報処理システム
情報処理システムは、感覚レジスタ、短期記憶（STM）またはワーキングメモリ（WM）、および長期記憶（LTM）を含む。感覚レジスタは入力を受け取り、ほんの一瞬保持した後、入力は破棄されるか、WMに送られる。ほとんどの感覚入力は破棄される。なぜなら、常に複数の感覚入力が押し寄せているからである。
本章の前半で見たように、すべての感覚入力（匂いを除く）は直接視床に送られ、少なくともその一部は処理のために大脳皮質の適切な部分に送られる（例えば、適切な感覚情報を処理する脳葉）。しかし、入力は受け取ったのと同じ形式で送られるのではなく、その入力の神経的な「知覚」として送られる。例えば、視床が受け取った聴覚刺激は、その刺激の知覚の神経的な等価物に変換される。この知覚はまた、情報をすでに記憶されているものと照合する役割も果たし、パターン認識として知られているプロセスである。したがって、視覚刺激が教室の教師である場合、皮質に送られる知覚は教師の保存された表現と一致し、刺激は認識される。
知覚を有意味なものにしていることの一部は、脳の網様体賦活系が些細な情報を排除し、重要な素材に焦点を当てるために情報をフィルタリングすることである（Wolfe, 2001）。このプロセスは適応的である。なぜなら、すべての入力に注意を払おうとすると、何にも焦点を当てることができなくなるからである。このフィルタリングに影響を与える要因はいくつかある。重要であると認識されること、例えば教師が教材が重要であると発表すること（例えば、テストされる）、は学生の注意を引きやすい。新規性は注意を引き付ける。脳は、予想されるものとは新規または異なる入力に焦点を当てる傾向がある。もう一つの要因は強度である。より大きく、より明るく、またはより顕著な刺激は、より多くの注意を引く。動きも注意を集中させるのに役立つ。これらの注意システムは主に無意識的に動作するが、明るく斬新な視覚ディスプレイを使用するなど、教室で学生の注意を集中させるのに役立つこれらのアイデアを使用することが可能である。
学生の注意を喚起し維持する
認知神経科学の研究は、さまざまな環境要因が人々の注意を喚起し維持できることを示している。これらの要因には、重要性、新規性、強度、および動きが含まれる。教師が授業を計画する際に、これらの要因を授業や学生の活動に組み込む方法を決定できる。
重要性:
キャシー・ストーンは、段落の要点を見つけるように子供たちに教えている。彼女は子供たちに要点に焦点を当てさせ、興味深い詳細に気を取られないようにしたいと考えている。子供たちは「この物語は何について書かれているのか？」という質問をする。物語を読み、再び質問をする。次に、彼らは質問に最もよく答える文を選ぶ。キャシーは他の文を見直し、要点を支持するかもしれないが、述べていない詳細についてどのように議論しているかを示す。
ある中 grade の先生は、州の歴史のユニットを教えている。テキストには多くの詳細があり、先生は生徒に歴史を作るのに貢献した重要な出来事や人物に焦点を当てさせたいと考えている。各セクションを教える前に、先生は生徒に出来事や人物を含む重要な用語のリストを渡す。生徒は各用語について簡単な説明文を書く必要がある。
新規性:
ある5年生の先生は、地元の大学の昆虫学の教授に連絡を取り、その教授はゴキブリの専門家である。先生は彼女のクラスを彼の研究室に連れて行った。そこで生徒たちはあらゆる種類のゴキブリを見た。教授は、生徒がゴキブリの活動を直接見ることができるさまざまな機器を持っていた。例えば、どれだけ速く走れるか、どのようなものを食べるかなど。
ある高校のテニスコーチは、さまざまな速度と弧でテニスボールを発射するボールマシンを入手した。選手たちはそれを打ち返そうとする。選手に繰り返しボールを打ち返す練習をさせる代わりに、コーチは各セッションをサーブなしの試合（選手対マシン）として設定する。選手がボールマシンから発射されたボールをうまく打ち返すことができれば、選手はポイントを獲得する。そうでなければ、マシンがポイントを獲得する。スコアは標準形式に従う（ラブ-15-30-40-ゲーム）。
強度:
多くの小学生は、引き算での繰り下がりに苦労し、各桁で小さい数から大きい数を誤って引いてしまう。このエラーを修正するために、ある先生は生徒に、引き算をする前に各桁の一番上の数から一番下の数に矢印を引かせる。一番上の数が小さい場合、生徒は最初に隣の桁の一番上の数から引き算される桁の一番上の数に矢印を引き、次に適切な繰り下がりを行う。矢印を使用することで、操作の順序がより明確になる。
ジム・マーシャルは、生徒にゲティスバーグ演説を暗記させ、重要な箇所を強調して朗読できるようにしたいと考えている。ジムは、インストルメンタル版の「リパブリック賛歌」を非常に低い音量で伴奏しながら、朗読を実演する。重要な箇所（例えば、「人民の、人民による、人民のための」）に来ると、身振り手振りを使い、特定 words を強調するためにイントネーションを上げる。
動き:
本で鳥や動物を勉強することは退屈であり、彼らの典型的な活動を捉えることができない。ある小学校の先生は、インターネットソースとインタラクティブビデオを使用して、鳥や動物を自然の生息地で紹介する。生徒は、彼らが食べ物や獲物を狩り、子供たちの世話をし、ある場所から別の場所へ移動する際の典型的な活動を見ることができる。
ジーナ・ブラウンは、彼女のインターンが教えたり子供たちと接したりしている間の動きについて指導している。ジーナは生徒一人一人に、他の生徒を相手にレッスンを練習させる。教えるときは、動き回り、教室の正面に立ったり座ったりするだけではないようにする。投影された画像を使用している場合は、画面から離れるようにする。次に、彼女は生徒に席での作業の監視、つまり効果的に部屋を動き回り、生徒が個別または小グループで課題に取り組んでいるときの進捗状況を確認する方法を教える。
要約すると、感覚入力は脳の感覚記憶部分で処理され、十分に長く保持されたものはWMに転送される。WMは脳の複数の部分、特に前頭葉の前頭前皮質に存在するように見える（Wolfe, 2001）。第5章で見るように、情報がリハーサルされるかLTMに転送されない限り、情報は数秒でWMから失われる。情報を保持するためには、そうするための神経シグナルが必要である。つまり、情報は重要であるとみなされ、使用する必要がある。
記憶と情報処理に主に関与する脳の部分は、皮質と内側側頭葉である（Wolfe, 2001）。脳は、最初に情報を知覚し処理するのと同じ構造で記憶を処理し保存するように見える。同時に、LTMに関与する脳の特定の部分は、情報の種類によって異なる。宣言的記憶（事実、定義、出来事）と手続き的記憶（手順、戦略）との間に区別がある。宣言的情報と手続き的情報を使用する際には、脳の異なる部分が関与する。
宣言的情報の場合、大脳皮質の感覚レジスタ（例えば、視覚、聴覚）は入力を受け取り、海馬および近くの内側側頭葉に転送する。入力は、視覚または聴覚刺激として表示されるのと同じ形式で登録される。海馬は最終的なストレージサイトではなく、入力のプロセッサおよびコンベアとして機能する。次のセクションで見るように、より頻繁に発生する入力は、より強い神経接続を形成する。複数のアクティベーションにより、記憶は前頭皮質および側頭皮質に強く埋め込まれる神経ネットワークを形成する。したがって、宣言的情報のLTMは、前頭皮質および側頭皮質に存在するように見える。
多くの手続き的情報は自動化され、意識的な認識をほとんどまたはまったく伴わずに手順を実行できるようになる（例えば、タイピング、自転車に乗る）。初期の手続き的学習には、前頭前皮質、頭頂葉、および小脳が関与し、動きまたはステップに意識的に注意を払い、これらの動きまたはステップが正しく組み立てられるようにする。練習を重ねると、これらの領域の活動は減少し、運動皮質などの他の脳構造がより関与するようになる（Wolfe, 2001）。
認知神経科学は、観察を通して多くを学ぶことができるという考えを支持している（Bandura, 1986）。研究によると、行動を実行する際に関与する皮質回路は、他の人がその行動を実行するのを観察するときにも反応する（van Gog, Paas, Marcus, Ayres, & Sweller, 2009）。
非運動的手順（例えば、単語の解読、単純な加算）では、視覚皮質が深く関与する。反復は実際に視覚皮質の神経構造を変化させる可能性がある。これらの変化により、意味を意識的に処理することなく、視覚刺激（例えば、単語、数字）をすばやく認識できるようになる。その結果、これらの認知タスクの多くはルーチン化される。情報の意識的な処理（例えば、読んでいる文章の意味について考えるために立ち止まる）には、脳の他の部分での広範な活動が必要になる。
しかし、入力に意味を付加できない場合はどうなるか？教師が「注意を払いなさい」と言うなど、入力が重要であるとみなされても、記憶にあるものとリンクできない場合はどうなるか？この状況では、次に説明するように、新しいメモリネットワークを作成する必要がある。
記憶ネットワーク
刺激や情報の反復的な提示によって、ニューラルネットワークは強化され、神経反応が迅速に起こるようになる。認知神経科学の観点からは、学習は神経結合とネットワーク（シナプス結合）の形成と強化を伴う。この定義は、現在の情報処理理論（例：ACT-R）における学習の定義と非常によく似ている。
ヘブの理論
これらのシナプス結合とネットワークが形成されるプロセスは、長年にわたり科学的調査の研究対象となってきた。ヘブ（1949）は、2つの皮質構造、すなわち細胞集団と位相系列の役割を強調する学習の神経生理学的理論を提唱した。細胞集団とは、皮質および皮質下中心の細胞を含む構造である（ヒルガード、1956）。基本的に、細胞集団は単純な連合の神経的な対応物であり、頻繁に繰り返される刺激を通して形成される。特定の刺激が再び起こると、細胞集団が活性化される。ヘブは、細胞集団が活性化されると、他のシステムにおける神経反応だけでなく、運動反応も促進すると考えた。
細胞集団はどのように形成されるのか？ヘブはこれについて推測することしかできなかった。なぜなら、彼の時代には脳のプロセスを調べる技術が限られていたからである。ヘブは、繰り返される刺激がシナプス小頭の成長を導き、軸索と樹状突起の間の接触を増加させると感じていた（ヒルガード、1956）。繰り返される刺激によって、細胞集団は自動的に活性化され、神経処理を促進する。
位相系列とは、一連の細胞集団である。繰り返し刺激される細胞集団は、プロセスに何らかの秩序を与えるパターンまたは系列を形成する。たとえば、友人の顔を見ると、複数の視覚刺激にさらされる。複数の細胞集団を想像することができる。それぞれの細胞集団は、顔の特定の側面（例えば、左目の左隅、右耳の下部）をカバーしている。友人の顔を繰り返し見ることで、これらの複数の細胞集団が同時に活性化され、接続されて、部分を秩序化する協調的な位相系列を形成する（例えば、右耳の下部を左目の左隅に転置しないように）。位相系列により、協調された全体を有意義かつ意識的に知覚することができる。
神経結合
ヘブの考えは60年以上前のものだが、学習がどのように起こり、記憶がどのように形成されるかに関する現代の見解と驚くほど一致している。次の発達に関するセクションで見るように、私たちは多数の神経（シナプス）結合を持って生まれてくる。私たちの経験は、このシステムに作用する。結合は選択または無視され、強化または失われる。さらに、結合は新しい経験を通して追加および開発することができる（米国学術研究会議、2000）。
シナプス結合の形成と強化（学習）のプロセスが脳の物理的構造を変化させ、その機能的組織を変化させることは注目に値する（米国学術研究会議、2000）。特定のタスクを学習すると、タスクに適した脳領域に局所的な変化が生じ、これらの変化が脳に新しい組織を課す。私たちは脳が学習を決定すると考えがちだが、実際には脳の「神経可塑性」、つまり経験の結果としてその構造と機能を変化させる能力のために、相互関係がある（ベグリー、2007）。
脳の研究はこの重要なトピックで続けられているが、利用可能な情報は、記憶が最初の学習時に完全に形成されるわけではないことを示している。むしろ、記憶形成は、神経結合が一定期間にわたって安定化される継続的なプロセスである（ウルフ、2001）。神経（シナプス）結合の安定化と強化のプロセスは、固定化として知られている。海馬は、記憶が保存される場所ではないにもかかわらず、固定化において重要な役割を果たしているようである。
どのような要因が固定化を改善するのか？第5章で詳細に説明するように、組織化、リハーサル、および精緻化は、構造を課すのに役立つため重要である。研究は、脳が情報の受動的な受信者および記録者であるどころか、情報を保存および検索する上で積極的な役割を果たしていることを示している（米国学術研究会議、2000）。
要約すると、刺激または入ってくる情報は適切な脳の部分を活性化し、シナプス結合として符号化されるようである。繰り返しによって、これらの結合は数が増加し、強化され、より自動的に発生し、互いによくコミュニケーションをとるようになる。学習はタスクに関与する脳の特定の領域を変化させる（米国学術研究会議、2000）。経験は学習にとって重要であり、環境からの経験（例えば、視覚および聴覚刺激）と自分自身の精神活動（例えば、思考）の両方である。
脳が入ってくる情報に何らかの構造を課すことを考えると、この構造が記憶を促進するのに役立つことが重要である。したがって、単純な固定化と記憶は長期的な学習を保証するのに十分ではないと言えるかもしれない。むしろ、指導は学習に望ましい構造を課すのを助けることによって重要な役割を果たすべきであり、エマとクラウディアが冒頭のシナリオで述べた点である。
固定化のための指導
組織化、リハーサル、および精緻化などの要因は、脳が学習に構造を課し、記憶内の神経結合の固定化を支援するのに役立つ。教師はこれらの考えをさまざまな方法で組み込むことができる。
組織化：
スタンダー先生の生徒はアメリカ独立革命を勉強している。先生は生徒に多くの日付を覚えるように求めるのではなく、主要なイベントのタイムラインを作成し、各イベントがその後のイベントにどのようにつながったかを説明する。このようにして、先生は生徒がそれらが引き起こすのに役立ったイベントに関連付けることによって、主要なイベントを時系列的に組織化するのを助ける。
高校の統計コースで、コンウェル先生は正規分布のデータに関する情報を正規曲線を使用して組織化する。曲線上に、平均と平均より上および下の標準偏差をラベル付けする。また、曲線の部分の下の領域の割合をラベル付けして、生徒が平均と標準偏差を分布の割合に関連付けることができるようにする。この視覚的なオーガナイザーを使用することは、これらの点を説明する書かれた情報よりも生徒にとってより意味がある。
リハーサル
ルオンゴ先生の小学校の生徒は、感謝祭の寸劇を保護者のために行う。生徒は自分のセリフと動きも覚えなければならない。先生は寸劇をサブパートに分割し、毎日1つのパートに取り組み、次に徐々にパートをより長いシーケンスにマージする。したがって、生徒は寸劇全体のリハーサルをいくつか含め、多くのリハーサルを行う。
ゴメス先生は9年生の英語の生徒に語彙の単語をリハーサルさせる。各単語リストについて、生徒は単語と定義を書き、次にその単語を使用して文を書く。生徒はまた、毎週短いエッセイを書き、そこで今年勉強した少なくとも5つの語彙の単語を組み込もうとする。このリハーサルは、単語のスペル、意味、および用法でメモリネットワークを構築するのに役立つ。
精緻化
精緻化は、情報を拡張して意味のあるものにするプロセスである。精緻化は、メモリネットワークを構築し、それらを他の関連するものとリンクするのに役立つ。
ジャクソン先生は、生徒が微積分前を他の知識とリンクさせるのが難しいと感じていることを知っている。ジャクソン先生は生徒にアンケートを実施して、生徒の興味や生徒が受けている他のコースを把握する。次に、微積分前の概念をこれらの興味やコースに関連付ける。たとえば、物理学を受講している生徒のために、運動と重力の原理を円錐断面（例えば、放物線）と二次方程式に関連付ける。
ケイ先生の中学校の生徒は、個人的責任の問題に関する批判的思考を含むユニットに定期的に取り組む。生徒はビネットを読み、それについて話し合う。先生は、生徒に物語の登場人物の選択に単純に同意または反対させるのではなく、次のような質問に対処して生徒に詳しく説明させる。この選択は他の人々にどのように影響しましたか？登場人物が別の選択をした場合、どのような結果が生じた可能性がありますか？あなたは何をして、なぜですか？
言語学習
複数の脳構造とシナプスの結合の相互作用は、言語学習、特に読書において明確に見られます。現代のテクノロジーにより、研究者は個人が言語スキルを獲得および使用する際のリアルタイムの脳機能を調査できますが、言語の習得と使用に関する脳の研究の多くは、脳損傷を負い、ある程度の言語喪失を経験した人々に対して行われてきました。このような研究は、特定の脳領域への損傷によってどのような機能が影響を受けるかを知る上で有益ですが、子供の発達中の脳における言語の習得と使用については扱っていません。
脳外傷の研究では、脳の大脳皮質の左側が読書の中枢であり、左半球の後部（背部）皮質連合野が言語の理解と使用、および正常な読書に不可欠であることが示されています（Vellutino & Denckla, 1996）。読字障害は、左後部皮質病変の症状であることがよくあります。読書困難の病歴を持つ青年および若年成人の脳の剖検では、左半球に構造的異常が見られました。読字障害は、前部（前）葉（発話を制御する領域）の脳病変と関連することもありますが、証拠は後部葉の異常との関連をより強く示しています。これらの結果は、読書の方法を知っていた（程度はさまざま）人が、その能力の一部またはすべてを失ったという研究から得られたものであるため、言語および発話に関連する脳の主に左側の領域が、読書の維持に不可欠であると結論付けることができます。
ただし、読書に関与する脳の単一の中枢領域は存在しないことを念頭に置いておくことが重要です。むしろ、読書のさまざまな側面（文字と単語の識別、構文、意味論など）は、正常に読書するために調整する必要がある、多くの局所化された特殊な脳構造とシナプスの結合を伴います（Vellutino & Denckla, 1996）。以下のセクションでは、これらの相互接続が通常の読者と読書に問題を抱える読者でどのように発達するように見えるかを調べます。その考え方は、協調的な読書には、互いにシナプスの結合を形成したニューラルグループの集合体であるニューラルアセンブリの形成が必要であるということです（Byrnes, 2001）。ニューラルアセンブリは、概念的にはヘブの細胞アセンブリおよび位相シーケンスに類似しているようです。
神経科学の研究からの結果は、特定の脳領域が読書に必要な正書法、音韻、意味、および構文処理に関連していることを示しています（Byrnes, 2001）。正書法（文字、記号など）の処理は、一次視覚野に大きく依存しています。音韻処理（音素、音節など）は、上側頭葉に関連付けられています。意味処理（意味など）は、前頭葉のブローカ野と、左半球の内側（中央）側頭葉の領域に関連付けられています。構文処理（文構造など）も、ブローカ野で発生するように見えます。
前述したように、言語に関与する脳の2つの重要な領域があります。ブローカ野は、文法的に正しい発話の生成において主要な役割を果たします。ウェルニッケ野（外側溝の下の左側頭葉に位置する）は、適切な単語の選択と言語表現に不可欠です。ウェルニッケ野に欠陥のある人は、意味が近い不適切な単語を使用する可能性があります（たとえば、「フォーク」を意図した場合に「ナイフ」と言う）。
言語と読書には、さまざまな脳領域の調整が必要です。このような調整は、言語領域を互いに、および脳の両側の他の大脳皮質部分に接続する神経線維の束を介して行われます（Geschwind, 1998）。脳梁は、そのような線維の最大の集合体ですが、他にもあります。これらの線維の損傷または破壊は、適切な言語機能に必要な脳内のコミュニケーションを妨げ、言語障害を引き起こす可能性があります。脳の研究者は、機能不全がどのように作用し、損傷が存在する場合にどの脳機能が継続するかを調査します。
このトピックは、脳の発達と密接に関連しているため、次のセクションでさらに検討されます。教育者にとって、脳がどのように発達するかを知ることは、生徒の学習を確実にするために、指導を計画する際に発達の変化を考慮する必要があるため重要です。