Neurofisiologia da Aprendizagem: A Neurociência da Aprendizagem

A discussão nesta seção, que abrange o processamento cerebral durante a aprendizagem, utiliza como quadro de referência o modelo de processamento de informações discutido no Capítulo 5 (ver Figura 5.1). O processamento cerebral durante a aprendizagem é complexo, e o que se segue cobre apenas os elementos centrais. Os leitores que desejam informações detalhadas sobre aprendizagem e memória de uma perspectiva neurofisiológica devem consultar outras fontes (Byrnes, 2001; Jensen, 2005; Rose, 1998; Wolfe, 2001).

O sistema de processamento de informação inclui registros sensoriais, memória de curto prazo (MCP) ou memória de trabalho (MT) e memória de longo prazo (MLP). Os registros sensoriais recebem a entrada e a mantêm por uma fração de segundo, após o qual a entrada é descartada ou canalizada para a MT. A maioria da entrada sensorial é descartada, já que a qualquer momento somos bombardeados com múltiplas entradas sensoriais.

Anteriormente neste capítulo, vimos que toda a entrada sensorial (exceto os cheiros) vai diretamente para o tálamo, onde pelo menos parte dela é então enviada para a parte apropriada do córtex cerebral para processamento (por exemplo, lobos cerebrais que processam a informação sensorial apropriada). Mas a entrada não é enviada na mesma forma em que foi recebida; em vez disso, é enviada como uma “percepção” neural dessa entrada. Por exemplo, um estímulo auditivo recebido pelo tálamo será transformado no equivalente neural da percepção desse estímulo. Essa percepção também é responsável por combinar informações com o que já está armazenado na memória, um processo conhecido como reconhecimento de padrões. Assim, se o estímulo visual é o professor da sala de aula, a percepção enviada ao córtex corresponderá à representação armazenada do professor e o estímulo será reconhecido.

Parte do que torna a percepção significativa é que o sistema reticular ativador do cérebro filtra informações para excluir informações triviais e focar em material importante (Wolfe, 2001). Este processo é adaptativo porque, se tentássemos atender a cada entrada, nunca seríamos capazes de nos concentrar em nada. Existem vários fatores que influenciam essa filtragem. A importância percebida, como os professores anunciarem que o material é importante (por exemplo, será testado), tende a atrair a atenção dos alunos. A novidade atrai a atenção; o cérebro tende a focar em entradas que são novas ou diferentes do que poderia ser esperado. Outro fator é a intensidade; estímulos que são mais altos, mais brilhantes ou mais pronunciados recebem mais atenção. O movimento também ajuda a focar a atenção. Embora esses sistemas atencionais operem em grande parte inconscientemente, é possível usar essas ideias para ajudar a focar a atenção dos alunos na sala de aula, como usando displays visuais brilhantes e novos.

Em resumo, as entradas sensoriais são processadas nas porções de memórias sensoriais do cérebro, e aquelas que são retidas por tempo suficiente são transferidas para a MT. A MT parece residir em múltiplas partes do cérebro, mas principalmente no córtex pré-frontal do lobo frontal (Wolfe, 2001). Como veremos no Capítulo 5, a informação é perdida da MT em poucos segundos, a menos que seja ensaiada ou transferida para a MLP. Para que a informação seja retida, deve haver um sinal neural para fazê-lo; ou seja, a informação é considerada importante e precisa ser usada.

As partes do cérebro primariamente envolvidas na memória e no processamento de informação são o córtex e o lobo temporal medial (Wolfe, 2001). Parece que o cérebro processa e armazena memórias nas mesmas estruturas que inicialmente percebem e processam a informação. Ao mesmo tempo, as partes particulares do cérebro envolvidas na MLP variam dependendo do tipo de informação. Uma distinção é feita entre memória declarativa (fatos, definições, eventos) e memória procedural (procedimentos, estratégias). Diferentes partes do cérebro estão envolvidas no uso de informação declarativa e procedural.

Com a informação declarativa, os registros sensoriais no córtex cerebral (por exemplo, visual, auditivo) recebem a entrada e a transferem para o hipocampo e o lobo temporal medial próximo. As entradas são registradas em grande parte no mesmo formato em que aparecem (por exemplo, como um estímulo visual ou auditivo). O hipocampo não é o local de armazenamento final; ele atua como um processador e transportador de entradas. Como veremos na próxima seção, as entradas que ocorrem com mais frequência fazem conexões neurais mais fortes. Com múltiplas ativações, as memórias formam redes neurais que se tornam fortemente incorporadas nos córtex frontal e temporal. A MLP para informação declarativa, portanto, parece residir nos córtex frontal e temporal.

Grande parte da informação procedural torna-se automatizada, de modo que os procedimentos podem ser realizados com pouca ou nenhuma consciência (por exemplo, digitar, andar de bicicleta). A aprendizagem procedural inicial envolve o córtex pré-frontal, o lobo parietal e o cerebelo, que garantem que atendemos conscientemente aos movimentos ou passos e que esses movimentos ou passos são montados corretamente. Com a prática, essas áreas mostram menos atividade e outras estruturas cerebrais, como o córtex motor, tornam-se mais envolvidas (Wolfe, 2001).

A neurociência cognitiva apoia a ideia de que muito pode ser aprendido através da observação (Bandura, 1986). A pesquisa mostra que os circuitos corticais envolvidos na realização de uma ação também respondem quando observamos outra pessoa realizar essa ação (van Gog, Paas, Marcus, Ayres, & Sweller, 2009).

Com procedimentos não motores (por exemplo, decodificação de palavras, adição simples), o córtex visual está fortemente envolvido. A repetição pode realmente mudar a estrutura neural do córtex visual. Essas mudanças nos permitem reconhecer estímulos visuais (por exemplo, palavras, números) rapidamente, sem ter que processar conscientemente seus significados. Como consequência, muitas dessas tarefas cognitivas tornam-se rotineiras. O processamento consciente da informação (por exemplo, parar para pensar sobre o que a passagem de leitura significa) requer atividade estendida em outras partes do cérebro.

Mas e se nenhum significado puder ser atribuído a uma entrada? E se a informação recebida, embora considerada importante (como por um professor dizendo, “Preste atenção”), não puder ser ligada a nada na memória? Esta situação exige a criação de uma nova rede de memória, como discutido a seguir.

Com apresentações repetidas de estímulos ou informações, as redes neurais podem se fortalecer de modo que as respostas neurais ocorram rapidamente. De uma perspectiva da neurociência cognitiva, a aprendizagem envolve formar e fortalecer conexões e redes neurais (conexões sinápticas). Esta definição é bastante similar à definição de aprendizagem nas teorias de processamento de informação atuais (e.g., ACT-R)

Teoria de Hebb

O processo pelo qual estas conexões e redes sinápticas são formadas tem sido o estudo de investigações científicas por muitos anos. Hebb (1949) formulou uma teoria neurofisiológica de aprendizagem que destaca o papel de duas estruturas corticais: conjuntos de células e sequências de fase. Um conjunto de células é uma estrutura que inclui células no córtex e centros subcorticais (Hilgard, 1956). Basicamente, um conjunto de células é um equivalente neural de uma associação simples e é formado através de estimulações repetidas frequentemente. Quando a estimulação particular ocorre novamente, o conjunto de células é despertado. Hebb acreditava que quando o conjunto de células fosse despertado, isso facilitaria respostas neurais em outros sistemas, assim como respostas motoras.

Como os conjuntos de células se formam? Hebb só podia especular sobre isso, porque em sua época a tecnologia para examinar processos cerebrais era limitada. Hebb sentiu que estimulações repetidas levavam ao crescimento de botões sinápticos que aumentavam o contato entre axônios e dendritos (Hilgard, 1956). Com estimulações repetidas, o conjunto de células seria ativado automaticamente, o que facilita o processamento neural.

Uma sequência de fase é uma série de conjuntos de células. Conjuntos de células que são estimulados repetidamente formam um padrão ou sequência que impõe alguma organização no processo. Por exemplo, somos expostos a múltiplos estímulos visuais quando olhamos para o rosto de um amigo. Pode-se imaginar múltiplos conjuntos de células, cada um dos quais cobre um aspecto particular do rosto (e.g., canto esquerdo do olho esquerdo, parte inferior da orelha direita). Ao olhar repetidamente para o rosto do amigo, estes múltiplos conjuntos de células são simultaneamente ativados e se conectam para formar uma sequência de fase coordenada que ordena as partes (e.g., para que não transponhamos a parte inferior da orelha direita no canto esquerdo do olho esquerdo). A sequência de fase permite que o todo coordenado seja percebido de forma significativa e consciente.

Conexões Neurais

Apesar das ideias de Hebb terem mais de 60 anos, elas são notavelmente consistentes com visões contemporâneas sobre como a aprendizagem ocorre e as memórias são formadas. Como veremos na próxima seção sobre desenvolvimento, nascemos com um grande número de conexões neurais (sinápticas). Nossas experiências então trabalham neste sistema. Conexões são selecionadas ou ignoradas, fortalecidas ou perdidas. Além disso, conexões podem ser adicionadas e desenvolvidas através de novas experiências (National Research Council, 2000).

É notável que o processo de formar e fortalecer conexões sinápticas (aprendizagem) muda a estrutura física do cérebro e altera sua organização funcional (National Research Council, 2000). Aprender tarefas específicas produz mudanças localizadas em áreas cerebrais apropriadas para a tarefa, e estas mudanças impõem nova organização no cérebro. Tendemos a pensar que o cérebro determina a aprendizagem, mas de fato existe uma relação recíproca por causa da “neuroplasticidade” do cérebro, ou sua capacidade de mudar sua estrutura e função como resultado da experiência (Begley, 2007).

Embora a pesquisa cerebral continue neste tópico importante, a informação disponível indica que a memória não é formada completamente no momento em que a aprendizagem inicial ocorre. Em vez disso, a formação da memória é um processo contínuo no qual as conexões neurais são estabilizadas ao longo de um período de tempo (Wolfe, 2001). O processo de estabilizar e fortalecer conexões neurais (sinápticas) é conhecido como consolidação. O hipocampo parece desempenhar um papel chave na consolidação, apesar do fato de que o hipocampo não é onde as memórias são armazenadas.

Quais fatores melhoram a consolidação? Como discutido em profundidade no Capítulo 5, organização, ensaio e elaboração são importantes porque servem para impor uma estrutura. A pesquisa mostra que o cérebro, longe de ser um receptor e registrador passivo de informação, desempenha um papel ativo em armazenar e recuperar informação (National Research Council, 2000).

Em resumo, parece que estímulos ou informação recebida ativa a porção cerebral apropriada e se torna codificada como conexões sinápticas. Com repetição, estas conexões aumentam em número e se tornam fortalecidas, o que significa que ocorrem mais automaticamente e comunicam melhor umas com as outras. A aprendizagem altera as regiões específicas do cérebro envolvidas nas tarefas (National Research Council, 2000). Experiências são críticas para a aprendizagem, tanto experiências do ambiente (e.g., estímulos visuais e auditivos) quanto das próprias atividades mentais (e.g., pensamentos).

Dado que o cérebro impõe alguma estrutura na informação recebida, é importante que esta estrutura ajude a facilitar a memória. Poderíamos dizer, então, que simples consolidação e memória não são suficientes para garantir a aprendizagem a longo prazo. Em vez disso, a instrução deve desempenhar um papel chave ao ajudar a impor uma estrutura desejável na aprendizagem, um ponto notado por Emma e Claudia no cenário de abertura.

A interação de múltiplas estruturas cerebrais e conexões sinápticas é vista claramente na aprendizagem de línguas e especialmente na leitura. Embora as tecnologias modernas permitam que pesquisadores investiguem o funcionamento do cérebro em tempo real enquanto indivíduos adquirem e usam habilidades linguísticas, grande parte da pesquisa cerebral sobre aquisição e uso da linguagem tem sido conduzida em pessoas que sofreram lesões cerebrais e experimentaram algum grau de perda da linguagem. Tal pesquisa é informativa sobre quais funções são afetadas por lesões em áreas cerebrais particulares, mas esta pesquisa não aborda a aquisição e o uso da linguagem no cérebro em desenvolvimento das crianças.

Estudos de trauma cerebral mostraram que o lado esquerdo do córtex cerebral do cérebro é central para a leitura e que as áreas de associação cortical posteriores (de trás) do hemisfério esquerdo são críticas para a compreensão e o uso da linguagem e para a leitura normal (Vellutino & Denckla, 1996). Disfunções de leitura frequentemente são sintomas de lesões corticais posteriores esquerdas. Autópsias de cérebros de adolescentes e jovens adultos com histórico de dificuldades de leitura mostraram anormalidades estruturais nos hemisférios esquerdos. Disfunções de leitura também são, às vezes, associadas a lesões cerebrais nos lobos anteriores (frontais) — a área que controla a fala — embora a evidência a associe muito mais fortemente com anormalidades do lobo posterior. Já que esses resultados vêm de estudos de pessoas que sabiam ler (em graus variados) e então perderam parte ou toda a habilidade, podemos concluir que as áreas primariamente do lado esquerdo do cérebro associadas com linguagem e fala são críticas para a manutenção da leitura.

É importante ter em mente, contudo, que não existe uma área central do cérebro envolvida na leitura. Em vez disso, os vários aspectos da leitura (e.g., identificação de letras e palavras, sintaxe, semântica) envolvem muitas estruturas cerebrais localizadas e especializadas e conexões sinápticas que devem ser coordenadas para ler com sucesso (Vellutino & Denckla, 1996). A seção que se segue examina como essas interconexões parecem se desenvolver em leitores normais e naqueles com problemas de leitura. A ideia é que a leitura coordenada requer a formação de conjuntos neurais, ou coleções de grupos neurais que formaram conexões sinápticas entre si (Byrnes, 2001). Conjuntos neurais parecem conceitualmente semelhantes aos conjuntos de células e sequências de fase de Hebb.

Resultados de pesquisas em neurociência mostram que regiões cerebrais específicas são associadas com o processamento ortográfico, fonológico, semântico e sintático requerido para a leitura (Byrnes, 2001). O processamento ortográfico (e.g., letras, caracteres) depende fortemente da área visual primária. O processamento fonológico (e.g., fonemas, sílabas) é associado com os lobos temporais superiores (acima). O processamento semântico (e.g., significados) é associado com a área de Broca no lobo frontal e áreas no lobo temporal medial (do meio) no hemisfério esquerdo. O processamento sintático (e.g., estrutura da frase) também parece ocorrer na área de Broca.

Nós notamos anteriormente duas áreas-chave no cérebro envolvidas na linguagem. A área de Broca desempenha um papel importante na produção de fala gramaticalmente correta. A área de Wernicke (localizada no lobo temporal esquerdo abaixo da fissura lateral) é crítica para a escolha adequada de palavras e elocução. Pessoas com deficiências na área de Wernicke podem usar uma palavra incorreta, mas uma próxima em significado (e.g., dizer “faca” quando “garfo” era a intenção).

Linguagem e leitura requerem a coordenação das várias áreas cerebrais. Tal coordenação ocorre através de feixes de fibras nervosas que conectam as áreas da linguagem umas às outras e a outras partes do córtex cerebral em ambos os lados do cérebro (Geschwind, 1998). O corpo caloso é a maior coleção de tais fibras, mas existem outras. Danos ou destruição dessas fibras previne a comunicação no cérebro necessária para o funcionamento adequado da linguagem, o que pode resultar em um distúrbio da linguagem. Pesquisadores cerebrais exploram como as disfunções operam e quais funções cerebrais continuam na presença de danos.

Este tópico é considerado mais adiante na seção seguinte, porque está intimamente ligado ao desenvolvimento do cérebro. Para educadores, saber como o cérebro se desenvolve é importante porque mudanças de desenvolvimento devem ser consideradas no planejamento do ensino para garantir o aprendizado do aluno.