Jak pobudzić neurony

Ludzkie ­noworodki nie wydają się szczególnie mądre. Możesz zadawać im przez cały dzień najprostsze pytania – np. „jakiego koloru jest pomarańcza?”, „jak ma na imię Zosia?” – i mieć całkowitą pewność, że na żadne nie odpowiedzą.

Jeszcze kilkadziesiąt lat temu wielu naukowców broniłoby tezy, iż dzieci rodzą się pozbawione jakiejkolwiek wiedzy; że ich umysły przypominają „niezapisaną kartę”, która wypełnia się treścią dopiero pod wpływem doświadczenia zmysłowego – obserwowania świata, poruszania się w nim i działania. Dziś jesteśmy mądrzejsi – wiemy np., że nawet noworodki dysponują pewną intuicją ilości i liczebności albo że rozumieją, iż zwierzęta zachowują się inaczej od nieożywionych przedmiotów (bo tylko te pierwsze realizują swoje cele), choć jedne i drugie zasadniczo podlegają podstawowym prawom fizyki. Np. nie rozpływają się nagle w powietrzu, a jeśli wpadną na inny obiekt, to się od niego odbiją, a nie przenikną jak duch.

Psycholożka Elizabeth Spelke nazwała te wrodzone dla ludzi fizyczne, matematyczne czy społeczne intuicje „wiedzą rdzenną”. I choć dzięki pracy takich uczonych jak Spelke możemy być pewni, iż noworodki nie zaczynają swojej edukacji zupełnie od zera, to nie da się ukryć, że muszą one pokonać bardzo długą drogę, zanim będą biegle posługiwać się językiem, rozwiązywać równania matematyczne, nie mówiąc już o kierowaniu samochodem czy prowadzeniu badań naukowych.

Jak to się właściwie dzieje? Co decyduje o tym, że w ciągu życia nasza wiedza i umiejętności tak bardzo się rozwijają? Na te pytania próbuje odpowiedzieć w książce „Jak się uczymy?” (wydanie polskie Copernicus ­Center Press 2021) wpływowy francuski neurobiolog Stanislas Dehaene.

Wiedza między synapsami

Ludzie nie są oczywiście jedynym gatunkiem, który potrafi się uczyć. Taką zdolność można przypisać nawet bakteriom. W 2008 r. zespół Iliasa Tagkopoulosa odkrył, że gdy kolonię bakterii E. coli przyzwyczai się do tego, iż wyższej temperaturze otoczenia towarzyszy brak tlenu, to w przyszłości po podgrzaniu środowiska mikroby dostroją swój metabolizm tak, by brak tlenu jak najmniej im przeszkadzał. Mechanizm ten przypomina uczenie się skojarzeniowe, które u psów na przełomie XIX i XX w. zademonstrował Iwan Pawłow.

U zwierząt, z których ogromna większość dysponuje układem nerwowym (jednym z nielicznych wyjątków są gąbki), każda forma uczenia się związana jest ze zmianami wzorców połączeń neuronalnych. Niezależnie od tego, czy mówimy o maleńkim nicieniu C. elegans, posiadającym 302 neurony rozproszone po całym ciele, który potrafi zapamiętywać warunki środowiska, w jakich pojawiają się jego ulubione bakterie, a następnie kierować się tą wiedzą w poszukiwaniach pożywienia – czy o człowieku z jego liczącym 86 miliardów komórek nerwowych mózgiem, odpowiedzialnym za powstanie komputerów, literatury i piłki nożnej.

Każda komórka nerwowa łączy się z wieloma innymi, tworząc skomplikowane sieci. Komunikacja między dwoma neuronami zachodzi przez elektrochemiczne złącza nazywane synapsami. Struktura sieci neuronów nie jest ustanowiona raz na zawsze, ale zmienia się pod wpływem doświadczenia. Za każdym razem, gdy osobnik dowiaduje się czegoś nowego i ważnego, jego komórki nerwowe tworzą dodatkowe połączenia. Nawet teraz, jeśli z zainteresowaniem czytasz ten tekst, jakieś neurony w twoim mózgu próbują powiększyć swoje sieci kontaktów, dobudowując kolejne synapsy lub zmieniając ich różne parametry. Nie wszystkie powstałe w ten sposób połączenia są zachowywane – nieużywane synapsy zanikają; te zaś, przez które sygnał przesyłany jest z komórki do komórki bardzo często, rozrastają się lub duplikują, dzięki czemu w przyszłości komunikacja połączonych neuronów będzie jeszcze sprawniejsza. To zresztą dlatego powtarzanie informacji ułatwia ich zapamiętywanie.

Cała nasza wiedza o świecie zakodowana jest więc w sieciach połączeń nerwowych, jednak nie jest do końca tak, że im gęstsza ta sieć, tym szersze nasze intelektualne horyzonty. Mózgi noworodków mają o ok. 15 proc. więcej neuronów niż mózgi dorosłych. W pierwszych latach życia powstaje także mnóstwo połączeń synaptycznych – przeciętny neuron trzylatka łączy się aż z 15 tys. innych komórek; u dorosłych ta liczba spada o połowę.

To wszystko niekoniecznie świadczy o tym, że szczyt rozwoju intelektualnego osiągamy w wieku trzech lat – ale dobrze obrazuje, jak wiele dzieje się w mózgu dziecka i przed jakimi wyzwaniami ono staje.

Mów do mnie po polsku

Wszyscy ludzie żyją w podobnym środowisku, mają te same potrzeby i stykają się z tymi samymi zagrożeniami. Nie powinno więc dziwić, że ewolucja stworzyła dla nas wspólne systemy kategoryzacji. Każdy zdrowy noworodek spotyka się m.in. z kształtami, kolorami, dźwiękami, różnymi wielkościami oraz rzeczami żywymi i nieożywionymi – dlatego w toku ewolucji ukształtowały się wrodzone, wyspecjalizowane systemy przetwarzania informacji o tych jakościach. Np. zhierarchizowana kora wzrokowa w płacie potylicznym. Do zlokalizowanych tam komórek docierają informacje zbierane przez receptory na siatkówce oka, a poszczególne populacje neuronów wzrokowych zajmują się analizą kolejnych elementów obrazu – krawędziami, kształtami, kolorami, ruchem itd. Aby obrazy zyskały znaczenie – byśmy w tej rozmaitości barw, kształtów i głębi dostrzegli konkretny przedmiot – sygnały z kory wzrokowej muszą powędrować do innych części mózgu, często bardzo odległych.

Informacje o kolorach postrzeganych w konkretnych punktach pola wzrokowego nie trafiają, przykładowo, bezpośrednio z oka do ośrodka Broki w lewym płacie czołowym – bo wędrują zupełnie innym szlakiem. Pole Broki od narodzin połączone jest za to z neuronami słuchowymi w płatach skroniowych, dlatego ten specyficzny obszar mózgu może zająć się analizą rejestrowanych przez noworodka dźwięków.

Każdy język ludzki jest silnie ustrukturyzowany – poszczególne dźwięki (fonemy) składają się na słowa, te budują frazy i zdania, zgodnie z określoną gramatyką, czyli zbiorem reguł nadających wypowiedziom językowym pewną regularność. Pole Broki zaś, ze względu na swoją organizację, specjalizuje się w analizowaniu statystycznych prawidłowości i potrafi reprezentować informacje w formie drzew syntaktycznych. Dlatego świetnie nadaje się do przetwarzania języka (przypomnijcie sobie rozbiór składniowy zdania z lekcji języka polskiego). Praca tego ośrodka zaczyna się już w okresie płodowym, gdy mózg wychwytuje pierwsze językowe regularności i „przyzwyczaja się” do docierających do niego dźwięków. W konsekwencji noworodki wolą słuchać wypowiedzi w tym języku, którym posługuje się ich matka, niż jakiejkolwiek obcej mowy. Choć oczywiście minie wiele miesięcy, zanim mózg niemowlęcia wystarczająco dojrzeje i dostroi swoje połączenia – a dziecko w końcu zacznie rozumieć, co się do niego mówi, i samodzielnie formułować sensowne wypowiedzi.

Wrodzona architektura

Różne części mózgu przetwarzają więc informacje na swój własny sposób – i mają dostęp tylko do określonych sygnałów, które trafiają do nich dzięki specyficznym sieciom połączeń między poszczególnymi neuronami i ich całymi populacjami. Przenieśmy się na chwilę na grunt matematyki. W naszych płatach ciemieniowych występuje obwód przetwarzający informacje, które można reprezentować liniowo, np. rozmaite wielkości (mało – więcej – dużo). I to właśnie ta część mózgu potrafi się wyspecjalizować w przetwarzaniu liczb. Pewne intuicje liczbowe, jak już wiemy, mamy wrodzone – jeśli np. na oczach dziecka umieścimy jedną maskotkę za zasłoną, ale po jej odsłonięciu okaże się, że są tam dwie identyczne maskotki, to dziecko będzie zaskoczone (podobnie jak wtedy, gdy umieścimy za zasłoną dwie maskotki, a potem po kryjomu jedną zabierzemy). Wyniki takich eksperymentów świadczą o tym, że noworodki nie spodziewają się żadnego cudownego rozmnożenia zabawek – oraz że potrafią rozróżniać liczebność, choć dotyczy to małych zbiorów, gdy różnice w liczbie elementów są bardzo wyraźne.

Gdy dziecko zacznie się już uczyć liczyć, ten sam obszar mózgu w płatach ­ciemieniowych będzie się coraz bardziej specjalizować w przetwarzaniu liczb jako takich. Stworzy m.in. mentalny obraz osi liczbowej, rozciągającej się zazwyczaj zgodnie z kierunkiem czytania – w naszej kulturze od lewej strony (małe wielkości) do prawej (duże wielkości). Większość z nas intuicyjnie tak myśli o liczbach – wykresy, które poznajemy w szkole, świetnie współgrają ze sposobem, w jaki nasz mózg przetwarza informacje o wielkościach. Jedną z konsekwencji takiego reprezentowania liczb jest obserwowany w eksperymentach „efekt dystansu”. Jeśli wyświetlimy komuś parę liczb 7 i 8, a potem wydamy mu banalne polecenie: rozstrzygnij, która z nich jest większa – to zadanie wykona on wolniej, niż gdybyśmy wyświetlili mu liczby 2 i 9. Ta druga para zawiera liczby bardziej oddalone od siebie na mentalnej osi, a w mózgu reprezentowane przez silniej różniące się od siebie sieci neuronów.

Jak przekonuje Dehaene, w najbardziej ogólnym ujęciu uczenie się – języka, liczenia, czytania itd. – polega więc na przekształcaniu wrodzonej organizacji mózgu i wykorzystywaniu różnych obwodów neuronalnych do nowych zadań, ale jednak takich, których struktura w jakimś stopniu przypomina podstawowe funkcje tych obwodów.

Migracja obwodów

Co jednak w przypadku, gdy nie wszystkie zmysły działają poprawnie – np. gdy kora wzrokowa odcięta jest od informacji wzrokowych? Zdaniem Dehaene’a ujawnia się wtedy zjawisko „recyklingu neuronów”. Kora wzrokowa w obliczu braku bodźców wizualnych nie będzie całkowicie bezczynna, tylko zacznie się angażować w inne funkcje. Nie mogą być one zupełnie dowolne – plastyczność mózgu ma swoje granice, zwłaszcza u dorosłych. Pierwsze lata życia to dla nauki różnych naszych umiejętności „okres wrażliwy” – tylko wówczas możliwe jest w pełni np. przyswojenie języka ojczystego. Okresy wrażliwe występują, ponieważ z wiekiem neurony dojrzewają, dzięki czemu szybciej przesyłają sygnały, ale równocześnie z większym trudem tworzą nowe połączenia. Jeśli więc u osoby dorosłej w wyniku udaru zniszczony zostanie obwód rozpoznawania twarzy, to żadna zdrowa część mózgu nie przejmie jego funkcji, a pacjent prawdopodobnie już nigdy nie zidentyfikuje swoich bliskich tylko na podstawie widoku ich twarzy (będzie miał nawet problem, by rozpoznać, że „coś” jest twarzą).

Czasami „recykling neuronów” może jednak obejmować radykalną zmianę funkcji. Zaobserwowano np., że u zawodowych matematyków, którzy stracili wzrok w dzieciństwie, kora wzrokowa angażuje się w refleksje nad trudnymi problemami matematycznymi. U osób niewidomych od urodzenia „neurony wzrokowe” mogą wspomagać przetwarzanie dźwięków, reprezentowanie dotyku, a nawet rozumienie języka. Zdaniem Dehaene’a dzieje się tak nie dlatego, że bezczynne neurony wzrokowe zaczynają masowo tworzyć nowe połączenia po całym mózgu, byle tylko miały się czym zająć. Odpowiednie szlaki neuronalne już prawdopodobnie istnieją, ale w mózgu osób widzących kora wzrokowa jest tak bardzo zaangażowana w przetwarzanie obrazu, że już nie ma czasu na żadne poboczne aktywności.

Do interesującego zjawiska dochodzi w czasie nauki czytania. To umiejętność, która wykorzystuje obszary mózgu pierwotnie zaangażowane w nazywanie widzianych przedmiotów – łączy więc regiony wzrokowe i językowe. Poznając kolejne litery i ucząc się czytać, szkolimy nasze mózgi m.in. w identyfikowaniu małych kształtów, ale specjalizujące się w tym zadaniu obwody nie mogą już pełnić swoich podstawowych funkcji. Dlatego w trakcie nauki czytania, która to umiejętność u większości osób „osiedla się” w lewej półkuli mózgu, dochodzi do częściowej zmiany lokalizacji obwodów rozpoznawania twarzy, dotąd znajdujących się w tej samej okolicy. Za rozpoznawanie twarzy w większym stopniu zaczynają wówczas odpowiadać analogiczne struktury neuronalne w prawej półkuli. Stopień tej „migracji” systemu rozpoznawania twarzy jest proporcjonalny do postępów dziecka w nauce czytania. Także rozwijanie umiejętności matematycznych powoduje zmiany w systemie rozpoznawania twarzy – jego „zasięg” radykalnie spada, gdy mózgowe obwody zasiedlają coraz bardziej abstrakcyjne idee matematyczne. Czy to dlatego – pyta pół żartem, pół serio Dehaene – najwybitniejsi matematycy zdają się nie widzieć świata poza swoimi równaniami?

Mali naukowcy

W ostatnich dekadach wiele prac psychologów, m.in. Daniela Kahnemanna, pokazało, że ludzie w niezbyt poprawny matematycznie sposób operują ideą prawdopodobieństwa. Np. boimy się latać samolotem, choć to statystycznie bezpieczniejszy środek transportu niż samochód. Nasze głowy pełne są jednak obrazów rzadkich katastrof lotniczych, więc trudno je przekonać abstrakcyjnym matematycznym argumentem.

U małych dzieci, co ciekawe, podstawowe intuicje prawdopodobieństwa ujawniają się bardzo szybko w rozwoju. Jeśli na oczach niemowlęcia zaczniesz wyciągać z pudełka jedną czerwoną kulkę za drugą, a potem pokażesz mu, że w pudełku jest bardzo mało kulek czerwonych, ale mnóstwo niebieskich, to dziecko zareaguje zaskoczeniem. A potem szybko uzna, że z jakiegoś powodu zależy ci na czerwonych kulkach. Reakcja zaskoczenia będzie się powtarzać, jeśli kulki rzadszego koloru będą częściej wypadać z pudełka przypadkowo.

Zachowanie dzieci w takich eksperymentach (a także opisanych wcześniej przykładach z maskotkami) sugeruje, iż mózg dziecka niczym naukowiec formułuje pewne hipotezy dotyczące tego, jak powinien zachowywać się człowiek czy jak powinien działać świat – a następnie konfrontują te hipotezy z rzeczywistością. Taki pogląd wpisuje się zresztą w popularną w neuronauce koncepcję, zgodnie z którą cały mózg nieustannie dokonuje tego rodzaju przewidywań i symulacji. Kolejne obwody neuronalne, analizując docierające do nich informacje o świecie, budują pewien statystyczny model rzeczywistości, który pozwala przewidywać konsekwencje różnych działań czy zdarzeń. Hipotezy te są następnie testowane w obserwacjach, a wyniki takich „eksperymentów” wpływają na aktualizację całego wewnętrznego modelu. W pierwszych miesiącach życia model rzeczywistości nie jest zbyt poprawny, ale kolejne zdziwienia, które zalicza dziecko, pozwalają go lepiej dostrajać. Z tej perspektywy uczenie się sprawia, że wewnętrzny model świata dziecka coraz lepiej naśladuje rzeczywistość – a tendencja mózgu do ciągłego stawiania hipotez i ich odrzucania jest dla całego procesu nauki czymś podstawowym. Co ciekawe, zdaniem Dehaene’a ten system działa nieustannie, także podczas snu – kiedy to mózg porządkuje rozmaite informacje zebrane na jawie i konfrontuje z sobą nawet najbardziej dziwaczne hipotezy. Dla nauki sen bez wątpienia ma znaczenie kluczowe – to wtedy najsilniej dochodzi do reorganizacji połączeń nerwowych i utrwalania śladów pamięciowych w synapsach. Dlatego niemowlęta muszą tak dużo spać – i dlatego lepiej się porządnie wyspać przed egzaminem, a nie zakuwać przez całą noc.

Oceny tylko szkodzą

To oczywiście nie wszystkie wątki, które Dehaene porusza w swojej książce. Wiele uwagi poświęca temu, jak system edukacji wpływa na rozwój mózgu dzieci i jakie szkolne błędy popełniają władze, nauczyciele, rodzice i sami uczniowie. Proponuje również pewne rozwiązania, indywidualne i systemowe, ukierunkowane na rozbudzanie uwagi u uczniów i wywoływanie ich zaangażowania (jedno i drugie wpływa na to, jak głęboko przetwarzamy informacje – tzn. w oparciu o które struktury mózgowe – a od głębokości przetwarzania zależy to, czy te informacje zapamiętamy). Podkreśla, jak ważne dla utrwalania wiadomości są regularne powtórki i robienie testów – wyniki eksperymentów sugerują, że można dzięki nim wielokrotnie przedłużyć okres magazynowania informacji w pamięci.

Nie są to może pomysły na tyle oryginalne, by nie wpadł na nie doświadczony nauczyciel, ale zaletą książki Dehaene’a jest to, że skrupulatnie tłumaczy ona, jakie badania naukowe za tymi ideami przemawiają. Najbardziej radykalnie brzmi postulat odejścia od stosowania stopni, które, zdaniem Dehaene’a, nie dają właściwie żadnych korzyści w procesie zdobywania wiedzy i umiejętności. Wprawdzie niezbędnym elementem uczenia się jest dokładne wskazywanie błędów (pozwalają one dostrajać wewnętrzne modele rzeczywistości), ale oceny same w sobie nie mają zbyt wielkiej wartości informacyjnej. Najczęściej to po prostu kary lub nagrody.

Dehaene jest być może jedynym człowiekiem na świecie, który ma wystarczający autorytet, by formułować propozycje godzące w fundamenty systemu oświaty. Wiele badań i odkryć, o których opowiada w książce, dotyczących np. przetwarzania liczb czy nauki czytania, to zasługa jego zespołu badawczego. On sam od wielu lat jest też jednym z liderów Human Brain Project, największego projektu badawczego w neuronauce, a od kilku przewodniczy radzie naukowej przy francuskim ministerstwie oświaty.

Zdaje się więc mieć całkiem poważne plany, by zreformować system edukacji w oparciu o zdobytą w ostatnich dekadach wiedzę. Dlatego warto obserwować działania Dehaene’a i ich konsekwencje, a jego książkę – przeczytać. Nawet jeśli nie pracujecie w szkole albo ministerstwie edukacji i dobrze wspominacie szkolne oceny, to przynajmniej możecie mieć pewność, że podczas lektury wasze neurony zabiorą się z pełną parą za tworzenie nowych połączeń. ©℗

Stanislas Dehaene, JAK SIĘ UCZYMY? DLACZEGO MÓZGI UCZĄ SIĘ LEPIEJ NIŻ KOMPUTERY... JAK DOTĄD Przełożył Dariusz Rossowski, Copernicus Center Press, Kraków 2021