Почему нейробиология должна опираться на педагогические знания учителей?

Нейробиология – это быстро развивающаяся область исследований. Почти каждую неделю публикуются новые работы, расширяющие наше понимание того, как работает мозг. Средства массовой информации переполнены сообщениями о последних нейробиологических исследованиях и о том, как это может повлиять на жизнь человека. Как следствие, растет общественный интерес к результатам нейробиологии, особенно в том, что касается поведения и обучения.

Нейробиология становится центральной наукой для решения ключевых вопросов:

• Как мы развиваемся, овладеваем сложными культурными навыками?;
• Что движет нашим поведением?;
• Как мы принимаем решения?;
• Как наши эмоции влияют на наши решения?

Нейробиология охватывает исследования на нескольких уровнях анализа, начиная от изучения того, как гены влияют на функционирование отдельных нервных клеток, и заканчивая изучением крупномасштабных систем и сетей в мозге и того, как они формируют поведение человека. Нейробиологи не только работают на нескольких уровнях анализа, но и пересекаются со многими другими дисциплинами, такими как философия, психология, антропология, а также образование.

Цель состоит не в том, чтобы предложить новые рамки педагогических знаний учителям, которые отменят или заменят существующие, а скорее в том, чтобы добавить к тому, что уже считается важными компонентами знаний преподавателей. Опять же, нейробиологические данные следует рассматривать не как превосходящие другие формы данных об обучении и развитии, а скорее, как дополняющие их. Действительно, часто нейробиологические данные могут просто служить подтверждением того, что мы уже знаем из данных когнитивной науки и психологии.

Фактически, имеющиеся данные свидетельствуют о том, что учителя считают, что знания о функциях мозга помогут их педагогике, способствуя понять механизмы, лежащие в основе обучения их учеников. Уже есть некоторые свидетельства того, что, когда учителя узнают о неврологии, это положительно влияет на их практику.

В то время как область нейробиологии быстро развивается, способы, с помощью которых исследования в этой области переводятся в образование, не формализованы. Систематическая интеграция данных нейробиологии в знания, которые, как ожидается, должны иметь учителя для оптимального выполнения своей профессии, в настоящее время отсутствует. Отдельные сообщения свидетельствуют о том, что данные о том, как развивается и обучается мозг детей, не находятся в центре внимания современных систем педагогических знаний.

Информация о том, как мозг учеников обучается, развивается и изменяется в зависимости от опыта, поможет преподавателям стать более информированными практиками и видеть учащихся в своих классах в свете фактических данных о развитии и обучении детей. Именно интеграция этих знаний с их опытом будет влиять на практику учителей.

Просвещение учителей в области неврологии может помочь предотвратить вредное влияние так называемых «нейромифов» – недостоверных или вымышленных фактов о функционировании мозга и его роли в обучении. Понимание нейробиологии позволяет преподавателям оценить неправильные представления о мозге и избежать принятия информации или коммерческих продуктов, которые не основаны на фактических данных.

Определение нейробиологии и ее субдисциплин

В области неврологии человека, благодаря появлению неинвазивных методов нейровизуализации, таких как функциональная магнитно-резонансная томография (ФМРТ) и многих других методов, стало возможным взглянуть на то, как функционирует мозг, и изучить нейронные корреляты сложного человеческого поведения, к примеру, такого как решение проблем и обработка эмоций.

Следовательно, за последнюю четверть века расцвела новая междисциплинарная область исследований – когнитивная нейробиология. 

Когнитивная нейробиология

Важная субдисциплина представляет собой интеграцию когнитивной психологии и нейробиологии. Проще говоря, цель когнитивной нейробиологии – изучить, как мозг задействует разум.

Другими словами, когнитивная нейробиология накладывает биологические ограничения на наше понимание человеческой психологии. Эта область междисциплинарных исследований быстро развивается и начинает исследовать вопросы, относящиеся практически ко всем аспектам человеческого поведения.

В рамках этой области исследователи получили беспрецедентное представление о развитии человеческого мозга благодаря исследованиям нейровизуализации у детей. В таких исследованиях рассматривались возрастные изменения как в структуре, так и в функциях мозга. Термин «структура» мозга относится к таким переменным, как объем определенных областей мозга и другие показатели, которые количественно определяют нейрофизиологию в отсутствие ее связи с психологическими процессами (например, внимание, эмоции).

С другой стороны, термин «функция» мозга используется для обозначения переменных, которые коррелируют с психологическими процессами, такими как сигналы, полученные с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии (МРТ), где исследуется реакция мозга во время психологической обработки.

Изучая тесно связанные функцию и структуру мозга, стало возможным исследовать, как мозг меняется со временем развития и как опыт влияет на структуру и функцию мозга, что часто называют исследованиями в области «когнитивной нейробиологии развития».

Специалисты по когнитивной нейробиологии развития изучают, как изменяется мозг в зависимости от опыта и как это меняется в ходе обучения и развития. Поступая таким образом, специалисты по когнитивной нейробиологии, занимающиеся развитием, изучают, как дети усваивают сложные навыки, такие как чтение, и как на приобретение этих навыков влияют другие когнитивные функции, такие как рабочая память, внимание, и это лишь некоторые из них.

Исследователи в области когнитивной нейробиологии развития также затрагивают такие вопросы, как склонность подростков к риску и то, как художественное образование влияет на когнитивные функции, и это лишь некоторые из тем, которые исследуются специалистами.

В этом контексте также важно отметить, что развивающая когнитивная неврология занимается не просто темами, обычно связанными с изучением познания, такими как рассуждения, решение проблем и мышление, но также охватывает изучение социального поведения и влияния эмоциональных факторов, таких как мотивация и обработка вознаграждения, в попытке лучше понять взаимосвязь между эмоциями и познанием, их интерактивными нейронными субстратами.

Нейробиологические открытия, имеющие значение для обучения

Пластичность относится к тому, как мозг реагирует на опыт и изменяет свою структуру в результате изменений в окружающей среде. Другими словами, переживания встраиваются в то, как функционирует мозг. Это происходит на уровне связей между нейронами. Изменения пластичности в мозге происходят, когда формируются новые связи, обрываются или укрепляются существующие.

Все больше исследований показывают, что мозг более пластичен, чем мы первоначально думали (хотя, что важно, в пределах ограничений), и что наш мозг продолжает быть способным к функциональным и структурным изменениям во взрослом возрасте. Это второй ключевой нейробиологический процесс, и он имеет потенциальные последствия для обучения в течение всей жизни, тема, вызывающая большой интерес. 

Пластичность – ключ к образованию: без способности мозга изменяться в ответ на опыт, образование было бы невозможно. Если бы наш мозг был статичным органом или имел очень ограниченную способность изменяться в ответ на информацию, то наша способность к обучению была бы под вопросом. 

Мозг позволяет людям получать образование и в то же время накладывает ограничения на его результаты, эффективность. Чтобы происходило обучение, мозг должен быть способен кодировать, извлекать и обрабатывать информацию, а это требует физических изменений в схемах мозга. Этот тип изменений в архитектуре мозга в ответ на опыт часто называют «пластичностью мозга, зависящей от опыта». Пластичность, зависящая от опыта, представляет собой ключевой механизм, с помощью которого индивиды учатся адаптироваться к своим уникальным социокультурным нишам и успешно функционировать в них.

Несмотря на то, что большинство из них может не знать об этом, перед учителями стоит задача найти наилучший способ вызвать зависящую от опыта пластичность мозга, чтобы учащиеся могли кодировать знания, устанавливать связи между различными фрагментами информации и приобретать необходимые навыки, такие как чтение, письмо и математика. Из этого следует, что учителя являются организаторами нейронной пластичности своих учеников во время занятий. Следовательно, если бы учителя лучше разбирались в неврологии, их практика была бы значительно обогащена.

Функции мозга более высокого уровня продолжают развиваться во взрослом возрасте

Основные строительные блоки человеческого мозга

Зрелый человеческий мозг содержит более 80 миллиардов нейронов. Нейроны – это нервные клетки, которые, как считается, лежат в основе функций мозга. Основными единицами нейрона являются его клеточное тело (содержащее ядро), аксон (расширение, через которое нейрон посылает сигналы от тела клетки) и дендриты (расширения от тела клетки, через которые нейрон получает информацию от других нейронов). Нейроны соединяются друг с другом. Точки, в которых соединяются нейроны, называются синапсами.

Наиболее распространенным типом синапса в мозге является так называемый «химический» синапс. В этом типе синапса нет фактического прямого физического контакта между одним нейроном и другим, но синапс представляет собой соединение между двумя нейронами, в которое химические вещества (известные как нейротрансмиттеры) высвобождаются из одного нейрона (называемого пресинаптическим нейроном) и поглощаются другим нейроном (называемым постсинаптическим нейроном). Нейротрансмиттеры могут подавлять или усиливать активность.

Мозг представляет собой взаимосвязанную сеть нейронов. Клеточные тела нейронов составляют то, что обычно называют серым веществом. С другой стороны, белое вещество состоит из аксонов, которые отходят от тел клеток и обеспечивают как краткосрочную, так и долгосрочную связь между нейронами (через синапсы). Мозг также содержит другие типы клеток, такие как глиальные. Эти клетки участвуют в поддержке функции нейронов, например, участвуя в изоляции нейронов (миелинизации), чтобы обеспечить более эффективную нейронную коммуникацию.

Пре- и постнатальное развитие мозга

Человеческий мозг претерпевает огромные изменения в ходе как пре-, так и постнатального развития. Во время перинатального (до рождения ребенка) развития нейроны «рождаются» (нейрогенез) и мигрируют из самых внутренних частей мозга, образуя различные части мозга. Кроме того, во время внутриутробного развития формируются два полушария головного мозга. Отличительной чертой послеродового развития мозга (происходящего после рождения ребенка), напротив, является не столько рождение новых нейронов (хотя это тоже происходит, в настоящее время прилагается много усилий для лучшего понимания механизмов, которые управляют постнатальным нейрогенезом), сколько разрыв связей (синапсов), которые создают нейроны, за которыми следует период устранения (или обрезки) некоторых из этих синапсов. 

За процессом синаптогенеза (синаптический рост, формирование синапсов, связующих нейроны, продолжающееся на протяжении всей жизни человека) следует период развития, в течение которого синапсы устраняются. Другими словами, после чрезмерного образования синапсов их общее количество в мозге уменьшается (обрезка). Однако важно отметить, что синаптогенез и обрезка перекрываются во время развития и на протяжении всей жизни. Другими словами, связи между нейронами постоянно «собираются» и «разбираются», образуя новые нейронные цепи и разрывая некоторые существующие.

Интересно, что и синаптогенез и обрезка существенно различаются в разных областях мозга. В частности, области мозга, связанные с базовой сенсомоторной обработкой, такие как основные функции зрительной, слуховой и моторной коры, подвергаются этим процессам относительно раньше, чем области мозга, связанные с когнитивными и эмоциональными функциями более высокого уровня, такие как префронтальная и теменная коры. Таким образом, в развитии мозга существует не один, а несколько временных масштабов, которые различаются между регионами.

Есть несколько важных выводов из описанных выше изменений в развитии.

Во-первых, постнатальное развитие включает в себя первоначальную избыточную генерацию синапсов и их устранение.

Во-вторых, эти два процесса (синаптогенез и синаптическая обрезка) неодинаковы по всему мозгу, но они различаются по регионам. Регионы, связанные с основными сенсорными функциями, подвергаются этим процессам развития раньше, чем регионы, участвующие в функционировании более высокого уровня, и, следовательно, регионы, на функции которых будут влиять обучение и образование.

В-третьих, очевидно, что развитие человеческого мозга является длительным. Мозг не полностью развит к тому времени, когда дети достигают «культурно» — определенной взрослой жизни. 

В-четвертых, в дополнение к синаптогенезу и синаптической обрезке существует еще один процесс, называемый миелинизацией. Миелинизация характеризуется «инсоляцией» аксонов, которые соединяют нейроны друг с другом. Это достигается глиальными клетками (в частности, олигодендроцитами), которые обволакивают эти аксоны изолирующей тканью (миелином), обеспечивая более быструю передачу нейронных сигналов между областями мозга, а также между мозгом и периферической нервной системой.

Обучение меняет мозг. Пластичность мозга

Связи в мозге (синапсы) не являются статичными после образования, а изменяются в зависимости от синаптической активности. Это представление о том, что связи в мозге изменяются, называется «синаптической пластичностью». Когда два нейрона соединяются через синапс, это приводит к физическим изменениям в нейронах и влияет на последующую активность в синапсе (долгосрочное потенцирование и долгосрочная депрессия). Считается, что синаптическая пластичность является одним из основных механизмов, с помощью которых мозг изменяется в зависимости от опыта и результатов обучения.

Существуют также доказательства, свидетельствующие о том, что организации крупномасштабных нейронных сетей способны к изменениям. Работа с животными показала, что манипулирование опытом животного влияет на организацию их мозга. Например, было обнаружено, что лишение животных визуальной информации изменяет организацию их зрительной системы.

Один из ключевых принципов организации нейронов в сенсорной коре (зрительной, слуховой, соматосенсорной) заключается в том, что эти области мозга имеют топографическое представление сенсорной информации. Например, моторная кора головного мозга организована таким образом, что разные части этой области мозга представляют, к примеру, руку, другие – ногу. Более того, в области моторной коры, которая представляет руку, есть разные части, которые представляют каждый палец в отдельности и т.д.

Когда один из пальцев стимулируется больше, чем другие, он будет чрезмерно представлен по сравнению с другими пальцами (это означает, что больше нейронов в моторной коре будет реагировать на стимулируемый палец по сравнению с не стимулируемыми).

К примеру, у игроков на струнных инструментах, у которых корковое представительство пальцев руки больше, чем у их другой («неигровой») руки или рук неигровых людей. Подобные находки демонстрируют, что организация мозга меняется под воздействием опыта, и именно это подразумевается под пластичностью нейронов. Кроме того, подобные данные демонстрируют, что новаторская работа по пластичности мозга у животных совпадает с данными, полученными от людей (с использованием современных, неинвазивных методов визуализации мозга).

Другим важным открытием, демонстрирующим зависящую от опыта пластичность человеческого мозга, является открытие, что изучение второго языка влияет на структурную нейроанатомию левой теменной коры. В частности, было обнаружено, что билингвы имеют больший объем серого вещества в левой нижней коре головного мозга, области, связанной с беглостью речи.

Одним из наиболее ярких примеров того, как образовательный опыт влияет на зависящую от опыта пластичность нейронов, является приобретение навыков чтения. Было показано, что обучение чтению включает изменения в нейронных коррелятах слуховой, визуальной и языковой обработки. Например, недавно было показано, что области зрительной коры головного мозга более высокого уровня, которые специализируются на способности набирать текст (печатать) у взрослых, становятся чувствительными к печати, как только дети усваивают ассоциации между буквами и звуками речи, тем самым обеспечивая убедительные доказательства того, что овладение критически важным навыком чтения приводит к изменению того, как мозг реагирует на ввод текста.

Современные методы нейровизуализации, такие как структурная и функциональная нейровизуализация, позволили когнитивным нейробиологам исследовать пластичность нейронов у людей. В настоящее время существует бесчисленное множество исследований, которые показывают, что переживания модулируют структуру и функции мозга. Кроме того, было показано, что пластичность мозга может быть обнаружена даже в мозге взрослого человека.

Существует множество примеров, показывающих, что тренировки (такие как тренировка рабочей памяти, обучение жонглированию, обучение навигации в сложных пространственных средах и даже игра в видеоигры) могут приводить к изменениям как в сером, так и в белом веществе мозга, а также к изменениям степени активации в областях мозга.

Эти данные показывают, что различный опыт приводит к изменениям в разных регионах и в разной степени. То есть пластичность не является однородным процессом, но конкретные переживания меняют структуру и функцию определенных нейронных цепей. Кроме того, хотя имеются данные, демонстрирующие пластичность мозга взрослого человека, имеет место постепенное возрастное снижение пластичности нейронов. Другими словами, потенциал пластичности нейронов выше на ранних стадиях развития и постепенно снижается в течение жизни, хотя обучение может происходить и происходит в пожилом возрасте.

Представление о том, что потенциал пластичности мозга уменьшается с возрастом, привело к предположению, что существуют критические периоды для развития определенных способностей или мозговых цепей, и концепция «критических периодов» часто обсуждается в образовании.

Критический период – это окно развития, в течение которого должен быть получен определенный опыт, и, если этого не происходит, возникает функциональный дефицит. Следует отметить, что, хотя есть некоторые доказательства наличия окон возможностей для оптимальной организации определенных мозговых цепей (например, общения на родном языке), большинство нейробиологов в настоящее время предпочитают использовать чувствительные периоды, потому что данные свидетельствуют о том, что окна, в течение которых может проявляться пластичность, не такие жесткие, как предполагалось термином “критический период”.

Кроме того, необходимо отметить, что большая часть того, что известно о таких окнах возможностей, исходит из исследований влияния опыта на нейронную организацию сенсорных модальностей (например, зрения). Гораздо меньше известно о временных окнах оптимальной пластичности мозговых цепей, которые лежат в основе функций мозга более высокого уровня, таких как, например, решение проблем или грамотность, и многие согласны с тем, что критических периодов для академического предмета не существует.

Полезно различать два типа пластичности:

• ожидаемую от опыта;
• зависящую от опыта.

Обсуждая пластичность нейронов, важно отметить, что она различается у разных людей. Другими словами, опыт не будет оказывать одинакового воздействия на мозговые цепи всех людей. Генетическая изменчивость между индивидуумами взаимодействует с опытом, формируя пластичность нейронов.

Определенные структуры мозга могут различаться у разных людей по генетическим причинам и, таким образом, предрасполагают этих людей к определенным видам деятельности. Затем эти предрасположенности взаимодействуют с другими цепями мозга, которые проявляют пластичность мозга, зависящую от опыта, раскрывая интерактивную роль генов и опыта в формировании индивидуального развития и предпочтений.

Аналогичным образом опыт изменяет как биологические, так и генетические механизмы. Это понятие хорошо описывается концепцией биологического встраивания, которая постулирует, что окружающая среда влияет на биологию (например, на механизмы экспрессии генов) и что такие процессы дополнительно модулируются индивидуальными различиями (при этом степень биологического встраивания варьируется у разных людей). Иными словами, нейронная пластичность является результатом сложного взаимодействия между опытом, биологией и индивидуальными различиями. Это важный момент, о котором должны знать преподаватели, поскольку он показывает, что знания и поведение учащихся в их классах являются результатом не только одной переменной, но и сложного взаимодействия эмпирических и биологических факторов. Это может помочь объяснить, почему некоторые учебные мероприятия находят отклик у одних учащихся, а у других нет.