Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu

Mózg, umysł, uczenie się

Zdjęcie ilustracyjne

Żadna z istot żywych na Ziemi nie uczy się tak dużo jak homo sapiens, który dzięki tej ewolucyjnej cesze powołał do życia i rozbudował naszą cywilizację. A wszystko za sprawą mózgu wyposażonego we wszystko, co do uczenia się jest niezbędne – a przez to najpotężniejszej we wszechświecie maszyny samouczącej się.

„Jesteśmy tym, co zna i potrafi zrobić nasz mózg”

(Marco Magrini, Mózg 2019)

Mózg to struktura, w skład której wchodzi olbrzymia liczba, bo aż 85 miliardów komórek nerwowych – neuronów i tyleż samo komórek glejowych. Każdy neuron tworzy połączenia  synaptyczne z innymi, a to tworzy złożoną sieć połączeń (jest ich aż 1015 ). Podstawowym zadaniem mózgu jest uczenie się – to pozwala nam przeżyć w zmieniającym się środowisku zarówno w aspekcie ewolucyjnym, jak i życiu osobniczym każdej jednostki. Ważną rolę odgrywa tu układ nagrody (motywacji) i szereg neuroprzekaźników, ale też wzbudzające duże zainteresowanie badaczy – neurony lustrzane.

Na pracę mózgu i zdolności poznawcze – poprawę jego funkcji – ma też wpływ wiele czynników i substancji zawartych chociażby w naszym pożywieniu. Należą do nich niektóre witaminy czy polifenol o nazwie rezweratrol. Badania opublikowane w 2020 roku wykazały, że osoby poddane suplementacji tą substancją odznaczały się poprawioną wydajnością funkcji mózgu poprzez wzrost jego natlenowania i odżywienia, a także skuteczne usuwanie zbędnych produktów przemiany materii w obrębie mózgu. Uczymy się od urodzenia, a nawet już wcześniej. Jak my, a właściwie nasz mózg zdobywa nowe umiejętności i wiedzę? Jakie czynniki mają na to wpływ i czy możemy wspomagać farmakologicznie oraz dietetycznie, a także prowadząc właściwy styl życia nasz mózg w pozyskiwaniu wiedzy i umiejętności?

Początki

Rozpoczęcie uczenia się przypada już na wczesny okres naszego życia osobniczego. Już bowiem płód uzyskuje informacje o swoim ciele, porusza się, dotyka, bada kciuk włożony do ust. Słyszy dźwięki (może już kształtuje się nasz gust muzyczny?). Płód słyszy muzykę słuchaną przez mamę (ukazują się nawet specjalne wydawnictwa płytowe!). Odbiera także bodźce wzrokowe – rytm dnia i nocy. Odbiera stan nastroju matczynego i odżywia swój mózg za pośrednictwem organizmu mamy, której stan radości bądź strachu udzielają się potomkowi w jej łonie. Powstaje i rozbudowuje się wówczas intensywnie sieć połączeń neuronalnych. Mózg przygotowuje się do narodzin dziecka i opuszczenia bezpiecznego miejsca, w jakim zaczął się rozwijać. Po urodzeniu,  już od początku okresu postnatalnego nasz mózg intensywnie poznaje świat. Dziecko chwyta dłoń dorosłego, bada otoczenie, dąży do wykonywania prostych czynności. Układ motywacji w mózgu napędza do takich działań, a nagrodą za osiągnięty cel jest pobudzenie układu nagrody w mózgu.

To mózg uwalnia naturalny dopalacz – dopaminę – co skutkuje wyrzutem endogennych opioidów, a uzyskany efekt to uczucie szczęścia. Dzięki temu powtarzamy czynności i uczymy się. A mózg lubi wyzwania i następnie ich realizację aż do pobudzenia układu nagrody. Motywacja do zadań (uczenia się) i satysfakcja z ich wykonania formowane są dzięki neuroprzekaźnikom, takim jak dopamina, oksytocyna, endorfiny (endogenne opioidy). Ich działanie pozwala na wyhamowanie agresji, samokontrolę, motywuje do nauki i pozwala na dokonywanie wyborów. Toczy się swoista chemia życia w laboratorium mózgu i całego organizmu.

Złożona struktura i funkcje

Mózg to, upraszczając, dwie półkule (z zakrętami i szczelinami, bruzdami na powierzchni), w których wyróżnia się szereg płatów, a w każdym z nich ośrodki odpowiadające wielu funkcjom mózgu. Płat czołowy to miejsce, w którym powstają myśli i pojęcia. To ośrodek mowy, koordynacji, koncentracji i planowania.

Płat skroniowy odpowiada za słuch i węch. Płat ciemieniowy odpowiada za odczuwanie bólu, orientację w przestrzeni. Tu obecna jest kora integrująca doznania czuciowe, wzrokowe i słuchowe. Płat potyliczny to ośrodek wzrokowy, a płat brzeżny (limbiczny) – na powierzchni przyśrodkowej półkul – związany jest z uczeniem się i pamięcią.

Ta maszyneria, stanowiąc tylko 2% masy ciała, konsumuje nawet ponad 20% tlenu i zużywa energię 10 razy szybciej niż pozostałe narządy. Nawet w chwili zagrożenia życia naszego organizmu krew stale pompowana jest do mózgu intensywnie, a ten w toku normalnej pracy wytwarza około 23 watów mocy, co wystarczyłoby do zasilenia żarówki elektrycznej.

Rozwój mózgu (powstaje z neuroektodermy) postępuje aż do 20 roku życia, szczyt przypada na 7 rok życia, kiedy mózg buduje największa liczba neuronów, a w korowych włóknach kojarzeniowych mielinizacja jest aktywna jeszcze u 20-latków. Rozwój to także rozbudowa synaps i olbrzymiej złożonej sieci synaptycznej.

Jak w lustrzanym odbiciu

Olbrzymim krokiem w poznaniu naszego mózgu, nie tylko w aspekcie uczenia, a w tym jednak szczególnie, było odkrycie przez Giacomo Rizolattiego (Rizolatti &Sinigaglia Nat. Rev. Neurosci 2010,11,264) w latach 90. XX wieku – neuronów lustrzanych. To komórki, które odczytują zachowanie i emocje innych ludzi. Intuicyjnie komuś ufamy bądź nie, ziewamy patrząc na ziewającego i odpowiadamy uśmiechem na uśmiech widziany u innych. Dziecko zatem także buduje obraz siebie i otaczającego świata (uczy się) oczyma dorosłych ze swojego otoczenia. Jako dzieci, to właśnie dzięki tym neuronom, naśladujemy czynności osób z bliskiego otoczenia. Neurony lustrzane aktywują się wówczas, gdy obserwujemy działania innych osób, a uwidacznia się to w postaci aktywacji tych samych obszarów naszego mózgu, jakie aktywowane byłyby, gdybyśmy sami wykonywali takie czynności.

Taka stymulacja mózgu ma miejsce podświadomie, spontanicznie (udzielanie się znużenia i ziewania, współodczuwanie bólu z bliską nam osobą). Zatem i uczenie się w dużym stopniu jest uzależnione od funkcjonowania neuronów lustrzanych. Zachowania dorosłych kształtują młodego człowieka, a ten zachowania dorosłych przyjmuje za wzorce.

Warunkiem naszego prawidłowego rozwoju w okresie dzieciństwa i młodości, a także uczenia się jest okazywana przez nauczyciela, wykładowcę, mistrza sympatia i akceptacja, a zatem zrozumienie. W tych wczesnych etapach naszego życia i rozwoju mózgu relacje międzyludzkie w szkole mają znaczący wpływ na postrzeganie siebie, uczenie się i nabywanie kompetencji społecznych. Jeśli człowiek (w każdym wieku) nie czuje się bezpiecznie, to pobudzane są te połączenia nerwowe, które reagują na ból fizyczny, a to negatywnie wpływa na procesy poznawcze i nie możemy wówczas prawidłowo się uczyć.

Człowiek, w mózgu którego na wczesnych etapach życia, poprzez doświadczenie powstały i wzmocniły się połączenia neuronalne związane ze stresem i brakiem akceptacji, częściej będzie sięgał w dorosłym życiu po środki zastępcze typu nałogi (różnego typu od narkotyków po gry i portale internetowe).

Nasz rozwijający się, podobnie jak dojrzały, mózg potrzebuje  rozmowy, a sposób, w jaki się odbywa, ma też olbrzymie znaczenie dla procesów poznawczych. W procesach uczenia na wczesnych ich etapach szczególnie ważne są zapadające w pamięci przykłady i krótkie ciekawe informacje. A ponieważ młody mózg jest ciekawy świata będzie zadawał pytania, a każda na nie odpowiedź jest istotna, ponieważ ich brak zniechęca do zadawania nowych pytań i zainteresowania tematem rozmowy. To kształtuje sposób, w jaki dojrzałe mózgi poznają świat (i postęp naukowy).

Siła wyjątkowości

Mózg zapamiętuje nowe, ciekawe wydarzenia bez specjalnego wysiłku pod warunkiem, że są wyjątkowe i tak utrwalane. To niezwykle ważne w procesie uczenia, a odpowiada za to hipokamp – część mózgu o kształcie konika morskiego i stąd jego nazwa. Hipokamp wychwytuje i zapamiętuje nowe i ważne wydarzenia. Tworzy się tu reprezentacja zdarzeń, miejsc i faktów. Powstają wówczas w hipokampie nowe neurony i ich połączenia – jeżeli impuls nowej informacji ma duże znaczenie. Bez pobudzenia emocji hipokamp tak łatwo się nie uczy. Każda z osób przecież bez trudu zapamiętuje ważne fakty ze swojego życia, takie jak chociażby okoliczności własnego ślubu, bądź rozwodu, narodzin dziecka, egzaminu maturalnego czy innych poruszających faktów z życia. Zatem i uczeń, student (ich hipokamp) łatwiej zapamięta informacje podane w sposób ciekawy, poruszający, intrygujący, zaskakujący – tym cechują się ciekawe wykłady. Fakty wplecione w ciekawą fabułę zostaną zapamiętane i przechowane w pamięci, a student łatwo odtworzy je podczas egzaminu.

Mózg uczy się stale nazywania elementów świata naszego życia. Odbiera sygnały zmysłowe i wiąże je z usłyszanymi wyrazami. Dlatego tak istotne jest utrwalanie prawidłowych nazw i pojęć. Gdy po raz pierwszy widzimy (dotykamy, wąchamy) książkę (czy cokolwiek innego) i słyszymy nazwę (książka) mózg wytwarza odpowiednie połączenia i jest to reprezentacja książki w naszym mózgu. Potem już rozpoznajemy ten przedmiot  niezależnie od wyglądu (licznych modyfikacji), a poprzez doświadczenie kontaktu mózg operuje regułami, jak chociażby trudny podręcznik akademicki czy lekka bajka dziecięca (choć nie zawsze tak musi być). Tak też uczymy się liczenia, języka, adekwatnych zachowań w różnych sytuacjach. Metoda prób i błędów, a także odpowiednie wzorce są tu fundamentalne.

Chociaż wszyscy ludzie uczą się niemal od poczęcia aż do końca życia (mózg zachowuje tę zdolność do końca), to nie każdemu z nas przychodzi to tak samo łatwo. Różna jest skuteczność i szybkość uczenia. Niemniej mózgi geniuszy to niezwykła rzadkość, bo tylko jak się szacuje dotyczy to 0,0001% przypadków. Podręcznikowym już przykładem jest mózg Anglika Tristana Panga, który w wieku 2 lat już czytał, następnie opanował licealny program matematyki i jako 12-latek (w 2013 roku) rozpoczął studia uniwersyteckie. Jednak większość z naszych mózgów uczy się bardziej mozolnie (ufff). Według psycholożki Carol Dweck mózg staje się bardziej inteligentny, gdy sam uważa, że takim może się stać. Jest to według tej autorki  – nastawienie rozwojowe. Gdy mózg jest nastawiony pozytywnie znacznie lepiej opanowuje nowe umiejętności. Nie bez znaczenia jest w procesie uczenia się – powtarzanie.

W tym kontekście można przypomnieć zasadę 10 tysięcy godzin, którą zaproponował Malcolm Gladwell. Według tej zasady ćwicząc 20 godzin tygodniowo przez okres 10 lat można osiągnąć mistrzostwo w każdej dziedzinie. Nie każdy posiadacz mózgu ma jednak egzemplarz aż tak cierpliwy. Niemniej powtarzanie w czasie to istotny element uczenia się. Tak bowiem działa mechanizm pamięci. Kucie w nocy przed porannym egzaminem pozwala wprawdzie czasem go zdać, ale wiedza tak zdobyta będzie krótkotrwała, według zasady trzech Z (Zakuć, Zdać, Zapomnieć).  Co ciekawe także, komórki glejowe (astrocyty) towarzyszące neuronom monitorują ich aktywność (aksonów) i jeśli jest duża to wytwarzają większą ilość mieliny (osłonek mielinowych), co usprawnia jeszcze bardziej pracę aktywnych obszarów mózgu. Działa tu zasada trening czyni mistrza.

Wszystko oprócz stresu

Mózg podczas swojego rozwoju przechodzi poprzez tzw. „okresy krytyczne”. Nie wchodząc w szczegóły, zaznaczmy, że są to fazy, w których pewne obszary – rodzaje nauki są ułatwione. Przykładem może być łatwiej przychodząca nam nauka języków obcych w wieku przedszkolnym. Szkołę nie bez przyczyny rozpoczynamy z reguły w  wieku 7 lat, gdy mózg jest w szczytowej fazie rozwoju. Należy przy tym wspomnieć, że taki czynnik jak stres nie ułatwia mózgowi procesu uczenia. Stres bowiem (szczególnie dłużej utrzymujący się) nasila  wydzielanie kortyzolu przez nadnercza (po wcześniejszej aktywacji osi podwzgórze – przysadka – nadnercza). Powoduje to, że prymitywne struktury mózgowe stają w opozycji do nowych obszarów kory mózgowej, co przeszkadza w uczeniu się.

Rozumiemy zatem, skąd pewne trudności, jakie napotykamy w osiągnięciu sukcesu przy zdawaniu szczególnie poważnych i trudnych egzaminów działających na nas stresogennie czy też zdawanych przed szczególnie groźnym wywołującym w nas lęk egzaminatorze (nauczycielu). Tylko krótko trwający naturalny i mobilizujący stres (ten jest wytworem ewolucji o znaczeniu mobilizującym) ułatwia osiągnięcie sukcesu. Każdy wydłużający się w czasie i nasilony stres powiązany w konsekwencji ze strachem (fobią) jest czynnikiem destrukcyjnym i niweczącym skuteczną naukę i zdawanie egzaminów, które towarzyszą nam niemal przez całe życie.

Mózg aby utrzymać się przy życiu i intensywnie pracować, wymaga właściwego odżywienia i dostarczenia sporych ilości tlenu. Oprócz właściwej diety niezbędnym warunkiem skutecznej pracy mózgu (w tym uczenia) jest odpowiednia doza snu, który ma działanie regenerujące. Mózg musi być dobrze ukrwionym – tym samym odżywionym i dotlenowanym. Gdy krew nie dostarcza tlenu, np. podczas udaru, neurony umierają, a zdolności  konkretnych obszarów mózgu zostają utracone. Masa mózgu to około 1,4 kg (nieco mniejszą masę ma mózg kobiecy), a 20–24% wydatku energetycznego w stanie spoczynku przypada właśnie na mózg. Metabolizm komórek pamięci i inteligencji wymaga zatem podtrzymania poprzez przyjęcie właściwych składników odżywczych, długich faz odpoczynku (sen) oraz krótkich faz ruchu.  Mózg karmi się glukozą, z której pozyskuje energię w postaci ATP. W tym celu zużywa dziennie nawet 120 gramów tego cukru prostego. Warto zaznaczyć, że aktywne obszary mózgu wykorzystują (spalają) więcej energii niż nieaktywne. To pozwala też na badanie funkcji mózgowych za pomocą metod PET czy fMRI. Te zagadnienia wymagałyby jednak szerszego osobnego opisu w odrębnym opracowaniu.

Neuromediatory i ich wpływ na procesy poznawcze i uczenie

1. Rozbudzanie ciekawości – dopamina (wspomaga i wzmacnia połączenia synaptyczne)
2. Bliższy kontakt z uczniem (studentem) – acetylocholina (neuromodulator uwagi)
3. Wprowadzanie nowości do nauki – noradrenalina (wpływa na koncentracje i przywiązanie do nauki)

Uczenie nigdy nie musi ustawać. W każdym wieku i w każdej chwili możemy nabywać (albo przekazywać dalej), i to skutecznie, wiedzę i umiejętności. Służy temu każde wydarzenie w naszym życiu, od przeczytania nowej książki po dyskusję przy piwie ze znajomymi. A to dzięki olbrzymiej neuroplastyczności mózgu. Ta leży u podstawy zintegrowanych układów pamięci i nauki. Neuroplastyczność u człowieka (u innych zwierząt tez obecna) spotęgowana jest przez rozmiar  kory mózgowej, a także obecność kultury i języka.

Mózg – najmniej dotąd poznany organ naszego ciała, mimo wielu lat dociekań i badań (właściwie przez cały okres budowania cywilizacji homo sapiens), nadal skutecznie skrywa przed światem (i sobą samym) liczne tajemnice. Czy potencjał poznawczy mózgu pozwoli na odkrycie wszystkich tajemnic, jakie skrywa jego struktura i jej wytwór – umysł?

Dr Marek Jurgowiak –  Katedra Biochemii Klinicznej CM UMK, Rada Programowa (wiceprzewodniczący) CN Młyn Wiedzy w Toruniu oraz Rada Programowa  TFNiS i „Wiadomości Akademickich”, stały współpracownik „Głosu Uczelni”, popularyzator nauki

pozostałe wiadomości

galeria zdjęć

Click to zoom the picture. Click to zoom the picture.