학습의 신경 생리학 (학습 신경 과학)

학습 과정 중의 뇌 처리 과정을 다루는 이 섹션의 논의는 5장에서 논의된 정보 처리 모델을 참조 프레임으로 사용합니다(그림 5.1 참조). 학습 중 뇌의 처리는 복잡하며, 다음 내용은 핵심 요소만을 다룹니다. 신경생리학적 관점에서 학습 및 기억에 대한 자세한 정보를 원하는 독자는 다른 자료를 참조해야 합니다(Byrnes, 2001; Jensen, 2005; Rose, 1998; Wolfe, 2001).

정보 처리 시스템은 감각 등록기, 단기 (STM) 또는 작동 (WM) 기억, 장기 기억 (LTM)을 포함합니다. 감각 등록기는 입력을 받아들이고 짧은 시간 동안 유지한 다음, 입력은 폐기되거나 WM으로 전달됩니다. 대부분의 감각 입력은 폐기되는데, 이는 특정 시점에 우리가 여러 감각 입력에 압도되기 때문입니다.

이 장의 앞부분에서 우리는 모든 감각 입력(냄새 제외)이 시상으로 직접 이동하고, 거기에서 적어도 일부가 처리를 위해 대뇌 피질의 적절한 부분(예: 적절한 감각 정보를 처리하는 뇌엽)으로 보내진다는 것을 확인했습니다. 그러나 입력은 받은 형태와 동일한 형태로 보내지지 않습니다. 오히려 해당 입력에 대한 신경 “지각”으로 보내집니다. 예를 들어, 시상이 받은 청각 자극은 해당 자극에 대한 지각의 신경 등가물로 변환됩니다. 이 지각은 또한 정보를 이미 기억 속에 저장된 것과 일치시키는 역할을 하는데, 이 과정을 패턴 인식이라고 합니다. 따라서 시각적 자극이 교실 교사인 경우, 피질로 보내진 지각은 교사의 저장된 표현과 일치하고 자극은 인식될 것입니다.

지각을 의미 있게 만드는 것 중 일부는 뇌의 망상 활성 시스템이 사소한 정보를 제외하고 중요한 자료에 집중하도록 정보를 필터링한다는 것입니다(Wolfe, 2001). 이 과정은 적응적인데, 왜냐하면 우리가 모든 입력에 주의를 기울이려고 하면 아무것에도 집중할 수 없기 때문입니다. 이 필터링에 영향을 미치는 몇 가지 요인이 있습니다. 교사가 자료가 중요하다(예: 시험에 나올 것이다)고 발표하는 것과 같이 인지된 중요성은 학생들의 주의를 끌기 쉽습니다. 참신함은 주의를 끕니다. 뇌는 예상되는 것과 새롭거나 다른 입력에 집중하는 경향이 있습니다. 또 다른 요인은 강도입니다. 더 크고, 밝고, 더 뚜렷한 자극은 더 많은 관심을 받습니다. 움직임 또한 주의 집중을 돕습니다. 이러한 주의 시스템은 대체로 무의식적으로 작동하지만, 밝고 새로운 시각적 디스플레이를 사용하는 것과 같이 교실에서 학생들의 주의 집중을 돕기 위해 이러한 아이디어를 사용할 수 있습니다.

요약하면, 감각 입력은 뇌의 감각 기억 부분에서 처리되고, 충분히 오랫동안 유지되는 것은 WM으로 전송됩니다. WM은 뇌의 여러 부분, 특히 전두엽의 전전두피질에 상주하는 것으로 보입니다(Wolfe, 2001). 5장에서 보겠지만, 정보가 리허설되거나 LTM으로 전송되지 않으면 몇 초 안에 WM에서 손실됩니다. 정보를 유지하려면 그렇게 해야 하는 신경 신호가 있어야 합니다. 즉, 정보가 중요하다고 간주되고 사용해야 합니다.

기억 및 정보 처리에 주로 관여하는 뇌의 부분은 피질과 내측 측두엽입니다(Wolfe, 2001). 뇌는 정보를 처음 인식하고 처리하는 것과 동일한 구조에서 기억을 처리하고 저장하는 것으로 보입니다. 동시에 LTM에 관여하는 뇌의 특정 부분은 정보 유형에 따라 다릅니다. 선언적 기억(사실, 정의, 사건)과 절차적 기억(절차, 전략) 사이에는 구분이 있습니다. 뇌의 다른 부분이 선언적 정보와 절차적 정보를 사용하는 데 관여합니다.

선언적 정보의 경우 대뇌 피질(예: 시각, 청각)의 감각 등록기는 입력을 받고 해마와 근처의 내측 측두엽으로 전송합니다. 입력은 나타나는 것과 거의 같은 형식으로 등록됩니다(예: 시각적 또는 청각적 자극). 해마는 궁극적인 저장 장소가 아닙니다. 그것은 입력의 프로세서이자 컨베이어 역할을 합니다. 다음 섹션에서 보겠지만 더 자주 발생하는 입력은 더 강력한 신경 연결을 만듭니다. 여러 번의 활성화를 통해 기억은 전두엽 및 측두엽 피질에 강력하게 내장되는 신경 네트워크를 형성합니다. 따라서 선언적 정보에 대한 LTM은 전두엽 및 측두엽 피질에 상주하는 것으로 보입니다.

많은 절차적 정보가 자동화되어 절차를 의식적인 인식 없이 또는 거의 없이 수행할 수 있습니다(예: 타이핑, 자전거 타기). 초기 절차적 학습에는 전전두피질, 두정엽 및 소뇌가 관여하여 우리가 움직임이나 단계를 의식적으로 주의하고 이러한 움직임이나 단계가 올바르게 조립되도록 합니다. 연습을 통해 이러한 영역은 활동이 줄어들고 운동 피질과 같은 다른 뇌 구조가 더 많이 관여합니다(Wolfe, 2001).

인지 신경과학은 관찰을 통해 많은 것을 배울 수 있다는 생각을 뒷받침합니다(Bandura, 1986). 연구에 따르면 행동을 수행하는 데 관여하는 피질 회로는 우리가 다른 사람이 그 행동을 수행하는 것을 관찰할 때도 반응합니다(van Gog, Paas, Marcus, Ayres, & Sweller, 2009).

비운동 절차(예: 단어 해독, 간단한 덧셈)의 경우 시각 피질이 많이 관여합니다. 반복은 실제로 시각 피질의 신경 구조를 바꿀 수 있습니다. 이러한 변화를 통해 우리는 의식적으로 그 의미를 처리하지 않고도 시각적 자극(예: 단어, 숫자)을 빠르게 인식할 수 있습니다. 결과적으로 이러한 인지 작업의 많은 부분이 일상화됩니다. 정보의 의식적인 처리(예: 읽기 구절의 의미에 대해 생각하기 위해 멈추는 것)는 뇌의 다른 부분에서 확장된 활동이 필요합니다.

하지만 입력에 의미를 부여할 수 없다면 어떻게 될까요? 교사가 “주의하세요”라고 말하는 것과 같이 들어오는 정보가 중요하다고 간주되더라도 기억 속의 어떤 것과 연결할 수 없다면 어떻게 될까요? 이 상황에서는 다음에 논의할 새로운 메모리 네트워크를 만들어야 합니다.

자극이나 정보가 반복적으로 제시되면 신경망은 강화되어 신경 반응이 빠르게 일어날 수 있습니다. 인지 신경 과학적 관점에서 학습은 신경 연결과 네트워크(시냅스 연결)를 형성하고 강화하는 것을 포함합니다. 이 정의는 현재 정보 처리 이론(예: ACT-R)에서의 학습 정의와 매우 유사합니다.

헵의 이론

이러한 시냅스 연결과 네트워크가 형성되는 과정은 수년 동안 과학적 연구의 대상이었습니다. 헵(Hebb, 1949)은 두 가지 피질 구조인 세포 집합체(cell assemblies)와 위상 순서(phase sequences)의 역할을 강조하는 신경 생리학적 학습 이론을 공식화했습니다. 세포 집합체는 피질과 피질 하부 중심의 세포를 포함하는 구조입니다(Hilgard, 1956). 기본적으로 세포 집합체는 단순한 연상의 신경적 대응물이며, 빈번하고 반복적인 자극을 통해 형성됩니다. 특정 자극이 다시 발생하면 세포 집합체가 활성화됩니다. 헵은 세포 집합체가 활성화되면 다른 시스템뿐만 아니라 운동 반응에서도 신경 반응을 촉진할 것이라고 믿었습니다.

세포 집합체는 어떻게 형성될까요? 헵은 뇌 과정을 조사하는 기술이 제한적이었기 때문에 이에 대해 추측만 할 수 있었습니다. 헵은 반복적인 자극이 축삭과 수상돌기 사이의 접촉을 증가시키는 시냅스 소두의 성장을 초래한다고 생각했습니다(Hilgard, 1956). 반복적인 자극을 통해 세포 집합체가 자동으로 활성화되어 신경 처리가 촉진됩니다.

위상 순서는 일련의 세포 집합체입니다. 반복적으로 자극되는 세포 집합체는 과정에 일정한 조직을 부여하는 패턴이나 순서를 형성합니다. 예를 들어, 우리는 친구의 얼굴을 볼 때 여러 시각적 자극에 노출됩니다. 여러 세포 집합체를 상상할 수 있는데, 각 세포 집합체는 얼굴의 특정 측면(예: 왼쪽 눈의 왼쪽 모서리, 오른쪽 귀의 아래쪽)을 다룹니다. 친구의 얼굴을 반복적으로 봄으로써 이러한 여러 세포 집합체가 동시에 활성화되고 연결되어 부분을 정렬하는 조정된 위상 순서를 형성합니다(예: 오른쪽 귀의 아래쪽을 왼쪽 눈의 왼쪽 모서리에 전치하지 않도록). 위상 순서는 조정된 전체가 의미 있고 의식적으로 인식되도록 합니다.

신경 연결

헵의 아이디어가 60년이 넘었음에도 불구하고, 학습이 어떻게 일어나고 기억이 형성되는지에 대한 현대적 관점과 놀라울 정도로 일치합니다. 다음 섹션에서 발달에 대해 살펴보겠지만, 우리는 많은 수의 신경(시냅스) 연결을 가지고 태어납니다. 그런 다음 우리의 경험이 이 시스템에 작용합니다. 연결은 선택되거나 무시되고, 강화되거나 손실됩니다. 또한 새로운 경험을 통해 연결이 추가되고 개발될 수 있습니다(National Research Council, 2000).

시냅스 연결을 형성하고 강화하는 과정(학습)이 뇌의 물리적 구조를 변경하고 기능적 조직을 변경한다는 점은 주목할 만합니다(National Research Council, 2000). 특정 작업을 학습하면 해당 작업에 적합한 뇌 영역에서 국소적인 변화가 발생하고 이러한 변화는 뇌에 새로운 조직을 부여합니다. 우리는 뇌가 학습을 결정한다고 생각하는 경향이 있지만, 사실 뇌의 "신경 가소성" 또는 경험의 결과로 구조와 기능을 변경하는 능력 때문에 상호 관계가 있습니다(Begley, 2007).

뇌 연구는 이 중요한 주제에 대해 계속 진행되고 있지만, 이용 가능한 정보에 따르면 기억은 초기 학습이 일어날 때 완전히 형성되지 않습니다. 오히려 기억 형성은 신경 연결이 일정 기간 동안 안정화되는 지속적인 과정입니다(Wolfe, 2001). 신경(시냅스) 연결을 안정화하고 강화하는 과정을 공고화(consolidation)라고 합니다. 해마는 기억이 저장되는 곳은 아니지만 공고화에 중요한 역할을 하는 것으로 보입니다.

어떤 요인이 공고화를 향상시킬까요? 5장에서 자세히 논의했듯이 조직화, 리허설, 정교화는 구조를 부여하는 역할을 하기 때문에 중요합니다. 연구에 따르면 뇌는 수동적인 수신자이자 정보 기록자가 아니라 정보를 저장하고 검색하는 데 적극적인 역할을 합니다(National Research Council, 2000).

요약하면 자극이나 들어오는 정보는 적절한 뇌 부분을 활성화하고 시냅스 연결로 인코딩되는 것으로 보입니다. 반복을 통해 이러한 연결의 수가 증가하고 강화되어 더 자동으로 발생하고 서로 더 잘 통신합니다. 학습은 작업에 관련된 뇌의 특정 영역을 변경합니다(National Research Council, 2000). 경험은 학습에 매우 중요하며, 환경에서 오는 경험(예: 시각 및 청각 자극)과 자신의 정신 활동(예: 생각) 모두 중요합니다.

뇌가 들어오는 정보에 일정한 구조를 부여한다는 점을 감안할 때 이 구조가 기억을 촉진하는 데 도움이 되는 것이 중요합니다. 그렇다면 단순한 공고화와 기억만으로는 장기적인 학습을 보장하기에 충분하지 않다고 말할 수 있습니다. 오히려 교수는 학습에 바람직한 구조를 부여하는 데 도움으로써 중요한 역할을 해야 하며, 이는 오프닝 시나리오에서 엠마와 클라우디아가 언급한 점입니다.

여러 뇌 구조와 시냅스 연결의 상호 작용은 언어 학습, 특히 읽기에서 분명하게 나타납니다. 현대 기술을 통해 연구자들은 개인이 언어 능력을 습득하고 사용하는 동안 실시간으로 뇌 기능을 조사할 수 있지만, 언어 습득 및 사용에 대한 많은 뇌 연구는 뇌 손상을 입고 어느 정도의 언어 상실을 경험한 사람들을 대상으로 수행되었습니다. 이러한 연구는 특정 뇌 영역의 손상으로 인해 어떤 기능이 영향을 받는지에 대한 정보를 제공하지만, 어린이의 발달하는 뇌에서의 언어 습득 및 사용을 다루지는 않습니다.

뇌 외상 연구에 따르면 뇌의 대뇌 피질의 왼쪽이 읽기의 중심이며, 왼쪽 반구의 후방 (뒤쪽) 피질 연합 영역은 언어를 이해하고 사용하는 데, 그리고 정상적인 읽기에 매우 중요합니다 (Vellutino & Denckla, 1996). 읽기 장애는 종종 왼쪽 후방 피질 병변의 증상입니다. 읽기 어려움의 병력이 있는 청소년 및 젊은 성인의 뇌 부검 결과 왼쪽 반구에서 구조적 이상이 발견되었습니다. 읽기 장애는 때때로 전방 (앞쪽) 엽 (언어를 제어하는 영역)의 뇌 병변과 관련되기도 하지만, 증거는 후방 엽 이상과 훨씬 더 강력하게 관련됩니다. 이러한 결과는 읽는 법을 알고 (다양한 정도로) 일부 또는 모든 능력을 상실한 사람들의 연구에서 나온 것이므로, 언어 및 말과 관련된 주로 왼쪽에 위치한 뇌 영역이 읽기 능력 유지에 매우 중요하다는 결론을 내릴 수 있습니다.

그러나 읽기와 관련된 뇌의 중심 영역은 없다는 점을 명심하는 것이 중요합니다. 오히려 읽기의 다양한 측면 (예: 글자와 단어 식별, 구문, 의미론)은 성공적인 읽기를 위해 조정되어야 하는 많은 국소화되고 특화된 뇌 구조와 시냅스 연결을 포함합니다 (Vellutino & Denckla, 1996). 다음 섹션에서는 이러한 상호 연결이 정상적인 독자와 읽기 문제가 있는 사람들에게서 어떻게 발달하는지 살펴봅니다. 여기서의 핵심은 조정된 읽기에는 신경 어셈블리, 즉 서로 시냅스 연결을 형성한 신경 그룹의 모음 형성이 필요하다는 것입니다 (Byrnes, 2001). 신경 어셈블리는 개념적으로 Hebb의 세포 어셈블리 및 위상 순서와 유사한 것으로 보입니다.

신경 과학 연구 결과에 따르면 특정 뇌 영역은 읽기에 필요한 정서법, 음운, 의미 및 구문 처리와 관련이 있습니다 (Byrnes, 2001). 정서법 (예: 글자, 문자) 처리는 주로 시각 영역에 크게 의존합니다. 음운 처리 (예: 음소, 음절)는 상위 (위쪽) 측두엽과 관련이 있습니다. 의미 처리 (예: 의미)는 전두엽의 브로카 영역과 왼쪽 반구의 내측 (중간) 측두엽 영역과 관련이 있습니다. 구문 처리 (예: 문장 구조) 또한 브로카 영역에서 발생하는 것으로 보입니다.

앞서 언어와 관련된 뇌의 두 가지 주요 영역을 언급했습니다. 브로카 영역은 문법적으로 올바른 말의 생성에 중요한 역할을 합니다. 베르니케 영역 (외측 열 아래 왼쪽 측두엽에 위치)은 적절한 단어 선택과 발음에 매우 중요합니다. 베르니케 영역에 결함이 있는 사람들은 부정확한 단어를 사용하지만 의미가 가까운 단어를 사용할 수 있습니다 (예: “fork”를 의도했을 때 “knife”라고 말함).

언어와 읽기는 다양한 뇌 영역의 조정을 필요로 합니다. 이러한 조정은 언어 영역을 서로 연결하고 뇌 양쪽의 대뇌 피질의 다른 부분과 연결하는 신경 섬유 다발을 통해 발생합니다 (Geschwind, 1998). 뇌량은 이러한 섬유의 가장 큰 모음이지만, 다른 섬유도 있습니다. 이러한 섬유의 손상 또는 파괴는 적절한 언어 기능에 필요한 뇌의 의사 소통을 방해하여 언어 장애를 초래할 수 있습니다. 뇌 연구자들은 기능 장애가 어떻게 작동하는지, 그리고 손상이 있는 상태에서 어떤 뇌 기능이 계속되는지 탐구합니다.

이 주제는 뇌 발달과 밀접하게 관련되어 있으므로 다음 섹션에서 더 자세히 다룹니다. 교육자에게는 뇌가 어떻게 발달하는지 아는 것이 중요합니다. 왜냐하면 학생 학습을 보장하기 위해 지시를 계획할 때 발달 변화를 고려해야 하기 때문입니다.