Neurofizjologia uczenia się: Neuronauka o uczeniu - Optymalizacja nauki

Dyskusja w tej sekcji, obejmująca przetwarzanie mózgowe podczas uczenia się, wykorzystuje jako punkt odniesienia model przetwarzania informacji omówiony w Rozdziale 5 (zob. Rysunek 5.1). Przetwarzanie mózgowe podczas uczenia się jest złożone, a poniższe omówienie obejmuje jedynie główne elementy. Czytelników zainteresowanych szczegółowymi informacjami na temat uczenia się i pamięci z perspektywy neurofizjologicznej zachęcamy do zapoznania się z innymi źródłami (Byrnes, 2001; Jensen, 2005; Rose, 1998; Wolfe, 2001).

System przetwarzania informacji obejmuje rejestry sensoryczne, pamięć krótkotrwałą (STM) lub operacyjną (WM) oraz pamięć długotrwałą (LTM). Rejestry sensoryczne odbierają dane wejściowe i przechowują je przez ułamek sekundy, po czym dane te są odrzucane lub przekazywane do WM. Większość danych sensorycznych jest odrzucana, ponieważ w danym momencie jesteśmy bombardowani wieloma bodźcami sensorycznymi.

Wcześniej w tym rozdziale widzieliśmy, że wszystkie dane sensoryczne (z wyjątkiem zapachów) trafiają bezpośrednio do wzgórza, skąd przynajmniej część z nich jest następnie wysyłana do odpowiedniej części kory mózgowej w celu przetworzenia (np. płaty mózgu, które przetwarzają odpowiednie informacje sensoryczne). Jednak dane wejściowe nie są wysyłane w tej samej formie, w jakiej zostały odebrane; zamiast tego są wysyłane jako neuronalna “percepcja” tego wejścia. Na przykład bodziec słuchowy odebrany przez wzgórze zostanie przekształcony w neuronalny odpowiednik percepcji tego bodźca. Ta percepcja jest również odpowiedzialna za dopasowywanie informacji do tego, co jest już przechowywane w pamięci, proces znany jako rozpoznawanie wzorców. Tak więc, jeśli bodźcem wizualnym jest nauczyciel w klasie, percepcja wysłana do kory dopasuje się do zapisanego obrazu nauczyciela, a bodziec zostanie rozpoznany.

Częścią tego, co nadaje percepcji znaczenie, jest to, że mózgowy układ siatkowaty filtruje informacje, aby wykluczyć informacje trywialne i skupić się na ważnych materiałach (Wolfe, 2001). Proces ten jest adaptacyjny, ponieważ gdybyśmy próbowali zwracać uwagę na każdy bodziec, nigdy nie bylibyśmy w stanie na niczym się skupić. Istnieje kilka czynników, które wpływają na to filtrowanie. Postrzegane znaczenie, takie jak ogłaszanie przez nauczycieli, że materiał jest ważny (np. będzie testowany), prawdopodobnie przyciągnie uwagę uczniów. Nowość przyciąga uwagę; mózg ma tendencję do skupiania się na bodźcach, które są nowe lub różnią się od tego, czego można by się spodziewać. Innym czynnikiem jest intensywność; bodźce, które są głośniejsze, jaśniejsze lub bardziej wyraźne, przyciągają więcej uwagi. Ruch również pomaga skupić uwagę. Chociaż te systemy uwagi działają w dużej mierze nieświadomie, możliwe jest wykorzystanie tych pomysłów, aby pomóc skupić uwagę uczniów w klasie, na przykład za pomocą jasnych i nowych prezentacji wizualnych.

Podsumowując, dane sensoryczne są przetwarzane w częściach mózgu odpowiedzialnych za pamięć sensoryczną, a te, które są wystarczająco długo zatrzymywane, są przenoszone do WM. Wydaje się, że WM znajduje się w wielu częściach mózgu, ale głównie w korze przedczołowej płata czołowego (Wolfe, 2001). Jak zobaczymy w rozdziale 5, informacje są tracone z WM w ciągu kilku sekund, chyba że są powtarzane lub przenoszone do LTM. Aby informacje zostały zachowane, musi istnieć sygnał neuronalny, aby to zrobić; to znaczy informacje są uważane za ważne i muszą być użyte.

Części mózgu, które są głównie zaangażowane w pamięć i przetwarzanie informacji, to kora mózgowa i przyśrodkowy płat skroniowy (Wolfe, 2001). Wydaje się, że mózg przetwarza i przechowuje wspomnienia w tych samych strukturach, które początkowo postrzegają i przetwarzają informacje. Jednocześnie poszczególne części mózgu zaangażowane w LTM różnią się w zależności od rodzaju informacji. Rozróżnia się pamięć deklaratywną (fakty, definicje, wydarzenia) i pamięć proceduralną (procedury, strategie). Różne części mózgu są zaangażowane w używanie informacji deklaratywnych i proceduralnych.

W przypadku informacji deklaratywnych rejestry sensoryczne w korze mózgowej (np. wzrokowe, słuchowe) odbierają dane wejściowe i przekazują je do hipokampa i pobliskiego przyśrodkowego płata skroniowego. Dane wejściowe są rejestrowane w mniej więcej takim samym formacie, w jakim się pojawiają (np. jako bodziec wzrokowy lub słuchowy). Hipokamp nie jest ostatecznym miejscem przechowywania; działa jako procesor i przenośnik danych wejściowych. Jak zobaczymy w następnej sekcji, dane wejściowe, które występują częściej, tworzą silniejsze połączenia neuronalne. Przy wielokrotnych aktywacjach wspomnienia tworzą sieci neuronowe, które stają się silnie osadzone w korze czołowej i skroniowej. LTM dla informacji deklaratywnych wydaje się zatem znajdować w korze czołowej i skroniowej.

Wiele informacji proceduralnych zostaje zautomatyzowanych w taki sposób, że procedury można wykonywać z niewielką lub żadną świadomością (np. pisanie na klawiaturze, jazda na rowerze). Początkowe uczenie się proceduralne obejmuje korę przedczołową, płat ciemieniowy i móżdżek, które zapewniają, że świadomie zwracamy uwagę na ruchy lub kroki oraz że ruchy lub kroki są poprawnie składane. Wraz z praktyką obszary te wykazują mniejszą aktywność, a inne struktury mózgowe, takie jak kora ruchowa, stają się bardziej zaangażowane (Wolfe, 2001).

Neuronauka poznawcza potwierdza ideę, że wiele można się nauczyć poprzez obserwację (Bandura, 1986). Badania pokazują, że obwody korowe zaangażowane w wykonywanie czynności reagują również, gdy obserwujemy, jak ktoś inny wykonuje tę czynność (van Gog, Paas, Marcus, Ayres i Sweller, 2009).

W przypadku procedur niemotorycznych (np. dekodowanie słów, proste dodawanie) silnie zaangażowana jest kora wzrokowa. Powtarzanie może faktycznie zmienić strukturę neuronalną kory wzrokowej. Zmiany te pozwalają nam szybko rozpoznawać bodźce wzrokowe (np. słowa, liczby) bez konieczności świadomego przetwarzania ich znaczenia. W rezultacie wiele z tych zadań poznawczych staje się rutynowych. Świadome przetwarzanie informacji (np. zatrzymanie się, aby pomyśleć o tym, co oznacza fragment tekstu) wymaga rozszerzonej aktywności w innych częściach mózgu.

Ale co, jeśli do danych wejściowych nie można przypisać żadnego znaczenia? Co, jeśli nadchodzące informacje, choć uznane za ważne (na przykład przez nauczyciela mówiącego: “Uważaj”), nie mogą być powiązane z niczym w pamięci? Taka sytuacja wymaga stworzenia nowej sieci pamięci, jak omówiono w następnej kolejności.

Dzięki wielokrotnemu przedstawianiu bodźców lub informacji, sieci neuronowe mogą ulec wzmocnieniu, tak że reakcje neuronowe zachodzą szybko. Z perspektywy neuronauki poznawczej, uczenie się obejmuje tworzenie i wzmacnianie połączeń neuronowych i sieci (połączeń synaptycznych). Ta definicja jest bardzo podobna do defiinicji uczenia się w obecnych teoriach przetwarzania informacji (np. ACT-R)

Teoria Hebba

Proces, w którym tworzą się te połączenia synaptyczne i sieci, jest przedmiotem badań naukowych od wielu lat. Hebb (1949) sformułował neurofizjologiczną teorię uczenia się, która podkreśla rolę dwóch struktur korowych: zespołów komórek i sekwencji fazowych. Zespół komórek to struktura, która obejmuje komórki w korze i ośrodkach podkorowych (Hilgard, 1956). Zasadniczo zespół komórek jest neuronowym odpowiednikiem prostego skojarzenia i tworzy się poprzez często powtarzane stymulacje. Kiedy dana stymulacja wystąpi ponownie, zespół komórek zostaje pobudzony. Hebb uważał, że kiedy zespół komórek zostanie pobudzony, ułatwi to reakcje neuronowe w innych systemach, a także reakcje ruchowe.

Jak tworzą się zespoły komórek? Hebb mógł jedynie spekulować na ten temat, ponieważ w jego czasach technologia badania procesów mózgowych była ograniczona. Hebb uważał, że powtarzane stymulacje prowadzą do wzrostu guzków synaptycznych, które zwiększają kontakt między aksonami i dendrytami (Hilgard, 1956). Przy powtarzanych stymulacjach zespół komórek byłby aktywowany automatycznie, co ułatwia przetwarzanie neuronowe.

Sekwencja fazowa to seria zespołów komórek. Zespoły komórek, które są stymulowane wielokrotnie, tworzą wzorzec lub sekwencję, która narzuca pewną organizację procesowi. Na przykład, jesteśmy narażeni na wiele bodźców wizualnych, gdy patrzymy na twarz przyjaciela. Można sobie wyobrazić wiele zespołów komórek, z których każdy obejmuje określony aspekt twarzy (np. lewy róg lewego oka, dół prawego ucha). Poprzez wielokrotne patrzenie na twarz przyjaciela, te liczne zespoły komórek są jednocześnie aktywowane i łączą się, tworząc skoordynowaną sekwencję fazową, która porządkuje części (np. abyśmy nie przestawiali dołu prawego ucha na lewy róg lewego oka). Sekwencja fazowa pozwala na znaczące i świadome postrzeganie skoordynowanej całości.

Połączenia neuronowe

Pomimo tego, że idee Hebba mają ponad 60 lat, są one niezwykle spójne ze współczesnymi poglądami na temat tego, jak zachodzi uczenie się i tworzą się wspomnienia. Jak zobaczymy w następnej sekcji dotyczącej rozwoju, rodzimy się z dużą liczbą połączeń neuronowych (synaptycznych). Nasze doświadczenia następnie oddziałują na ten system. Połączenia są wybierane lub ignorowane, wzmacniane lub tracone. Ponadto, połączenia mogą być dodawane i rozwijane poprzez nowe doświadczenia (National Research Council, 2000).

Warto zauważyć, że proces tworzenia i wzmacniania połączeń synaptycznych (uczenie się) zmienia fizyczną strukturę mózgu i zmienia jego funkcjonalną organizację (National Research Council, 2000). Uczenie się określonych zadań powoduje zlokalizowane zmiany w obszarach mózgu odpowiednich dla zadania, a te zmiany narzucają nową organizację mózgowi. Mamy tendencję myśleć, że mózg determinuje uczenie się, ale w rzeczywistości istnieje wzajemna zależność z powodu “neuroplastyczności” mózgu, czyli jego zdolności do zmiany swojej struktury i funkcji w wyniku doświadczenia (Begley, 2007).

Chociaż badania mózgu trwają nad tym ważnym tematem, dostępne informacje wskazują, że pamięć nie jest formowana całkowicie w momencie początkowego uczenia się. Raczej, formowanie pamięci jest ciągłym procesem, w którym połączenia neuronowe są stabilizowane przez pewien okres czasu (Wolfe, 2001). Proces stabilizacji i wzmacniania połączeń neuronowych (synaptycznych) jest znany jako konsolidacja. Hipokamp wydaje się odgrywać kluczową rolę w konsolidacji, pomimo faktu, że hipokamp nie jest miejscem przechowywania wspomnień.

Jakie czynniki poprawiają konsolidację? Jak omówiono szczegółowo w Rozdziale 5, organizacja, powtarzanie i elaboracja są ważne, ponieważ służą do narzucania struktury. Badania pokazują, że mózg, daleki od bycia pasywnym odbiornikiem i rejestratorem informacji, odgrywa aktywną rolę w przechowywaniu i odzyskiwaniu informacji (National Research Council, 2000).

Podsumowując, wydaje się, że bodźce lub napływające informacje aktywują odpowiednią część mózgu i są kodowane jako połączenia synaptyczne. Z powtórzeniem, te połączenia zwiększają się liczebnie i ulegają wzmocnieniu, co oznacza, że zachodzą bardziej automatycznie i lepiej się ze sobą komunikują. Uczenie się zmienia określone obszary mózgu zaangażowane w zadania (National Research Council, 2000). Doświadczenia są krytyczne dla uczenia się, zarówno doświadczenia ze środowiska (np. bodźce wzrokowe i słuchowe), jak i z własnych czynności umysłowych (np. myśli).

Biorąc pod uwagę, że mózg narzuca pewną strukturę napływającym informacjom, ważne jest, aby ta struktura pomagała w ułatwianiu pamięci. Możemy powiedzieć, że prosta konsolidacja i pamięć nie są wystarczające, aby zagwarantować długoterminowe uczenie się. Raczej, instrukcja powinna odgrywać kluczową rolę, pomagając narzucić pożądaną strukturę uczeniu się, co zauważyły Emma i Claudia w scenariuszu otwierającym.

Interakcja wielu struktur mózgowych i połączeń synaptycznych jest wyraźnie widoczna w nauce języków, a zwłaszcza w czytaniu. Chociaż nowoczesne technologie pozwalają badaczom analizować funkcjonowanie mózgu w czasie rzeczywistym, gdy jednostki nabywają i używają umiejętności językowych, wiele badań mózgu nad przyswajaniem i używaniem języka przeprowadzono na osobach, które doznały urazów mózgu i doświadczyły pewnego stopnia utraty języka. Takie badania dostarczają informacji o tym, jakie funkcje są zaburzone przez uszkodzenie określonych obszarów mózgu, ale nie dotyczą one przyswajania i używania języka w rozwijających się mózgach dzieci.

Badania urazów mózgu wykazały, że lewa strona kory mózgowej ma kluczowe znaczenie dla czytania, a tylne (tylne) korowe obszary asocjacyjne lewej półkuli są krytyczne dla rozumienia i używania języka oraz dla normalnego czytania (Vellutino & Denckla, 1996). Dysfunkcje czytania są często objawami uszkodzeń lewej tylnej kory mózgowej. Autopsje mózgów nastolatków i młodych dorosłych z historią trudności w czytaniu wykazały nieprawidłowości strukturalne w lewej półkuli. Dysfunkcje czytania są również czasami związane z uszkodzeniami mózgu w płatach przednich (czołowych) – obszarze kontrolującym mowę – chociaż dowody znacznie silniej łączą je z nieprawidłowościami w płatach tylnych. Ponieważ wyniki te pochodzą z badań osób, które wiedziały, jak czytać (w różnym stopniu), a następnie straciły część lub całość tej zdolności, możemy wywnioskować, że przede wszystkim lewostronne obszary mózgu związane z językiem i mową mają kluczowe znaczenie dla utrzymania umiejętności czytania.

Należy jednak pamiętać, że nie ma jednego centralnego obszaru mózgu zaangażowanego w czytanie. Raczej różne aspekty czytania (np. identyfikacja liter i słów, składnia, semantyka) angażują wiele zlokalizowanych i wyspecjalizowanych struktur mózgowych i połączeń synaptycznych, które muszą być skoordynowane, aby skutecznie czytać (Vellutino & Denckla, 1996). W dalszej części omówiono, jak te wzajemne połączenia wydają się rozwijać u osób czytających normalnie oraz u osób z problemami z czytaniem. Chodzi o to, że skoordynowane czytanie wymaga tworzenia zespołów neuronowych, czyli zbiorów grup neuronów, które utworzyły ze sobą połączenia synaptyczne (Byrnes, 2001). Zespoły neuronowe wydają się koncepcyjnie zbliżone do zespołów komórkowych Hebba i sekwencji faz.

Wyniki badań neurobiologicznych pokazują, że określone obszary mózgu są związane z przetwarzaniem ortograficznym, fonologicznym, semantycznym i syntaktycznym, które są wymagane do czytania (Byrnes, 2001). Przetwarzanie ortograficzne (np. litery, znaki) zależy w dużym stopniu od podstawowego obszaru wzrokowego. Przetwarzanie fonologiczne (np. fonemy, sylaby) jest związane z górnymi płatami skroniowymi. Przetwarzanie semantyczne (np. znaczenia) jest związane z obszarem Broca w płacie czołowym i obszarami w przyśrodkowym (środkowym) płacie skroniowym w lewej półkuli. Przetwarzanie syntaktyczne (np. struktura zdania) również wydaje się zachodzić w obszarze Broca.

Wcześniej wspomnieliśmy o dwóch kluczowych obszarach mózgu zaangażowanych w język. Obszar Broca odgrywa główną rolę w produkcji poprawnej gramatycznie mowy. Obszar Wernickego (zlokalizowany w lewym płacie skroniowym poniżej bruzdy bocznej) ma krytyczne znaczenie dla właściwego doboru słów i elokucji. Osoby z deficytami w obszarze Wernickego mogą używać nieprawidłowego słowa, ale zbliżonego znaczeniowo (np. powiedzieć “nóż”, gdy zamierzano “widelczyk”).

Język i czytanie wymagają koordynacji różnych obszarów mózgu. Taka koordynacja zachodzi poprzez pęczki włókien nerwowych, które łączą obszary językowe ze sobą i z innymi częściami kory mózgowej po obu stronach mózgu (Geschwind, 1998). Ciało modzelowate jest największym zbiorem takich włókien, ale są też inne. Uszkodzenie lub zniszczenie tych włókien uniemożliwia komunikację w mózgu niezbędną do prawidłowego funkcjonowania języka, co może skutkować zaburzeniami językowymi. Badacze mózgu badają, jak działają dysfunkcje i które funkcje mózgu są kontynuowane w obecności uszkodzeń.

Temat ten zostanie szerzej omówiony w następnej sekcji, ponieważ jest on ściśle związany z rozwojem mózgu. Dla nauczycieli wiedza o tym, jak rozwija się mózg, jest ważna, ponieważ zmiany rozwojowe należy uwzględnić przy planowaniu nauczania, aby zapewnić uczniom efektywną naukę.