Neurofyziologické základy paměti a učení Neurofyziologické základy paměti a učení ØSchopnost učení a paměti je jednou z nejdůležitějších kognitivních funkcí člověka ØVýsledek interakce biologických a psychosociálních faktorů ØPo dokončení vzniku neuronů z neuroblastů několik měsíců po narození dochází ke vzájemnému propojování nervových buněk – vznik neuronální sítě ØČástečná determinace genetická vrozené způsoby chování Neurofyziologické základy paměti a učení ØPodíl vnějších podnětů zprostředkovaných smysly ØJediný úsek postnatálního ontogenetického vývoje, kdy vnější podněty indukují přímé anatomické změny v mozku ØPrvotní neuronální síť vytváří primární asociační strukturu jedince: oVýrazně determinuje jeho kognitivní a asociační procesy oZáklad utváření jeho paměti oOvlivňuje učební styl jedince oVnitřní obraz vnějšího světa Primární asociační struktura ØOdlišný komplex vnějších podnětů jednotlivých osob individuálně rozdílné cesty budoucího způsobu myšlení a učení jednotlivce ØOvlivňuje: • učební styl žáka učební styl učitele • pokud jsou podobné žák dobře chápe učivo prezentované daným učitelem Procesy zapamatování a učení ØNení dosud přesně objasněno, jakými procesy neuronální změny se realizují: Ø1. teorie o výhradně látkové podstatě paměti (ribonukleové kyseliny a bílkoviny) Ø2. teorie o vytváření nových synaptických spojení mezi neurony – při učení – strukturální změny neuronální sítě (hustší, více propojení) Ø3. teorie o funkčních změnách v existujících neuronálních drahách prostředníctvím krátkodobé posttetanické potenciace nebo dlouhodobé potenciace. Aktivizaci již existujících drah mezi neurony, mechanismus paměti je zprostředkován těmito potenciovanými drahami, Procesy zapamatování a učení ØNejpravděpodobnější – třetí – teorie funkčních změn = synaptická plasticita – závislá na načasování vzruchů- signál na synapsi je veden při frekvenci v pásmu gama a v průběhu 10 milisekund vždy následuje vzruch z neuronu na druhé straně synapse - to vede ke zvýšení vysílání vzruchů neuronem, který je stimulován. Pokud naopak vysílá neuron na druhé straně do 10 milisekund před prvním neuronem, síla synapse mezi těmito neurony klesá. ØNové poznatky ukazují, že relativní načasování vzruchů je stejně důležité jako rychlost vysílání vzruchů ØDůležité synchronizované vysílání vzruchů v mozkové kůře ØK posílení dochází, když vzruch vyslaný z neuronu na jedné straně synapse vede k silnější odezvě na synapse neuronu na druhé straně. Ø vznik primární asociační struktury má zcela zásadní význam v procesu učení – ukládání informací z okolního světa by mohlo probíhat pouze v jejím rámci. ØNové informace a podněty jsou snadněji zapamatovatelné, když vyvolávají asociační vazbu s poznatky již uloženými v paměti. • Procesy zapamatování a učení ØK dlouhodobé potenciaci dochází především v hipokampu a temporálních lalocích koncového mozku. ØBěhem potenciace se mění struktury synaptických spojů jednotlivých neuronů – to usnadňuje pozdější vybavení si uložené informace = také důležitý proces, otázka milisekund, zapojuje se neuronová síť v několika oblastech mozku- možná začíná v hipokampu, končí v neokortexu – ten hýbe končetinami, mluvidly –abychom to byli schopni nějak zformulovat. ØU poruch (Alzheimer): v archivu uloženo, ale nelze z něj vyzvednout nebo obtížně. ØPři vyvolání duel mezi starou a novou vzpomínkou – několik milisekund, až se ustálí paměťový stav, který odpovídá stimulu, který jsme dodali – to je jen začátek, proces pokračuje. Procesy zapamatování a učení ØNelze ale úplně zavrhnout ani první teorii o látkové podstatě paměti – úzká vazba mezi dlouhodobou potenciací a změny v bílkovinách neuronů, což je biochemická podstata dlouhodobé paměti. ØVelký význam má i emocionální prožitek, zda je informace emočně neutrální, či pozitivně nebo negativně zabarvená (zážitková pedagogika) XXX geniální jedinci s Aspergerovým syndromem – obrovská kvanta informací v paměti bez jakéhokoliv emocionálního podkladu. Asociativní model paměti a učení ØKapacita mozku pro zpracování různých informací je obrovská – nelze vyčíslit ØVnitřní či vnější podnět je nejprve v receptorech zakódován do elektrochemického signálu – přes neurotransmitery do mozku. ØLidský mozek přijímá cca 1 miliardu bitů informací za sekundu (1x109 bit.s-1): o1 písmeno = 4 bity inf. o1 str. textu = 25 tis. bitů inf. oZa 1 sec mozek přijme tolik inf., kolik jich je na 40 tis. str. textu! = 150 průměrných knih během 1 sekundy! Asociativní model paměti a učení •jen 101 – 102 bitů za sek je postoupeno k dalšímu zpracování ve vědomí – rozhoduje o tom thalamus •Většina je tedy zpracována podvědomě, některé info vůbec. •Jen ty postoupené mají naději na zapamatování •Info mají elektrochemický charakter •Na vyhodnocení prvotní info se podílí asociační kortex dorsolaterální frontální krajiny, asociační zrakové (occipit. lalok) a sluchové oblasti (tempor. lalok). Asociativní model paměti a učení •Prvotní informace: •nenalézá vhodnou asociační vazbu = není volní složkou vyhodnocena jako důležitá •Je rušena určitými faktory, např. bolest = není kódována ani konsolidována •Nedává smysl, ale je chápána jako důležitá (učení se faktům), použije se asociační proces – jsou přidávána spojení propracovávající význam dané informace a dávají jí smysl, tak aby mohla být konsolidována. Asociativní model paměti a učení ØŠanci zapamatování výrazně zvyšuje: oInformace jsou asociovány s něčím již známým oInformace jsou přinášeny více smysly současně oInformace jsou subjektivně vyhodnoceny jako důležité oInformace jsou doprovázeny libými pocity oInformace jsou emocionálně podbarvené oInformace jsou samostatně objevené Asociativní model paměti a učení •Informace je zakódována v neurální síti ve formě zapamatovaného vzoru aktivity neuronů (= silně vzájemně pospojované uskupení neuronů) •Konsolidace = vytvoření paměťové stopy (engramu) – podporuje ji OPAKOVÁNÍ = zesílení vzájemných vazeb mezi synchronně aktivními neurony. •Vyvolání informace z paměti = vnější stimul aktivuje část uskupení neuronů, šíří se, aktivuje další neurony. Zapamatujte si •ř r č t á t r v n e y é i a Zapamatujte si •T ř i č e r n é v r á n y • Limbický systém •Části limbického systému propojují jednotlivé vjemy •Informace z jednoho smyslu je propojena s již uloženými informacemi zlepšení konsolidace získané informace • •J.A.Komenský: „zlaté pravidlo názornosti“ • •John Locke: „Nic není v rozumu, co před tím nebylo ve smyslech.“ Model paměti determinovaný obsahem uložených informací •Reflexivní paměť (= nedeklarativní, implicitní, procedurální, motorická) •Fylogeneticky starší •Už před narozením •Neokortex, bazální ganglia, mozeček •Její tvorba vyžaduje častější opakování •Osvojování psychomotorických cílů Model paměti determinovaný obsahem uložených informací •Deklarativní paměť •Zprostředkovává osobní a faktické znalosti, které je možné vyjádřit slovně •Epizodická – prožitek vztahující se k určité situaci nebo procesu •Sémantická – poznatky získané v průběhu procesu výchovy a vzdělávání •Fylogeneticky mladší •Aktivizovat lze i jednorázovým pojmenováním nebo konfrontací •Paměťové stopy se ukládají v různých oblastech mozkové kůry. Model paměti determinovaný obsahem uložených informací •Deklarativní paměť •Při ukládání paměťové stopy nejde o reprodukci informací přijatých smyslovými orgány, ale o její zpracování na základě předchozí zkušenosti, o propojení jednotlivých fragmentů za nutné účasti vědomí. •Při vybavování paměťových stop jsou vzpomínky konfrontovány a doplňovány o různé předpoklady a dohady = jsou upravovány – čím častěji jsou vybavovány, tím více se liší od původního zápisu paměťové stopy. Vliv stresu na utváření paměťové stopy •Lepší konsolidace informací je při mírných úrovních stresu (než při velmi nízkých = nuda, únava…) •ACTH (adenokortikotropní hormon hypofýzy) aktivuje vylučování glukokortikoidů (kůra nadledvinek) – dochází k lepší konsolidaci než za normálního fyziologického stavu •Extrémní úrovně stresu = nadměrná produkce kortikoidů = zpomalení a zhoršení konsolidace informací!!! •Snížená produkce ACTH a kortikoidů = zapamatování zbytečného množství informací bez asociací, chaos, nepochopení, nesouvislosti. •Kortizol – eskalace hladiny = změna až narušení komunikace mezi hipokampem a neokortexem = nedochází ke konsolidaci informací (spánek) Vliv stresu na utváření paměťové stopy •Vliv antistresových hormonů – adrenalin a noradrenalin •Noradrenalin neurotransmiter na adrenergních nervových drahách (sympatikus) •Noradrenalin antagonista acetylcholinu (neurotransmiter) – tlumí tyto dráhy (cholinergní) •Váží se na receptory v hipokampu – změny v interakci hipokampu a neokortexu. •Distres a eustres – rozdíl ve fyziologických a behaviorálních reakcích – škola – zkoušení = distres = zhoršená schopnost vybavování uložených poznatků a jejich využívání ve správných souvislostech ! Mozek a stres •Mozek je stimulován na vysokou dávku stresu •Vytváří stres i z banalit ! •Je důležité filtrovat balast – reklamy, informace z médií apod. – uleví se •= MENTÁLNÍ HYGIENA Vliv motivace na utváření paměťové stopy •Amygdalový kindling (roznícení) –Pokud je subjekt učení motivovaný, paměťová stopa se utvoří velmi rychle (i po jediném spojení, především pokud emocionálně významné) •Na utilizaci emocionálních a motivační podnětů se podílí především: amygdala, hipokampus a gyrus parahippocampalis – propojení do dalších oblastí mozku (frontální) •„označuje“ události, které jsou pro jedince vnitřně (emocionálně) důležité •Podílí se na paměťovém uchovávání situací s vysokým individuálně chápaným emocionálním nábojem Vliv motivace na utváření paměťové stopy •Vnitřní X vnější motivace •Vnější motivace – omezené trvání •Ve škole jeden z nejvýznamnějších impulzů pro motivaci a demotivaci je prožívání úspěchu a neúspěchu •Selhání = nelibé pocity = při opakování limbický systém vyhodnotí jako „nebezpečné“ -vznik úzkosti, pochybností – odvádí pozornost od učení a konsolidace, obrací ji na negativní asociace spojené s žákovým nízkým sebehodnocením. •JE TŘEBA, ABY KAŽDÝ JEDINEC MOHL ZAŽÍT ÚSPĚCH Spánek a učení •Dřívější představy: během spánku probíhá translace paměťových informací z dočasných nosičů – molekul RNA, do molekul bílkovin, které jsou základem dlouhodobé paměti. •Dnes víme, že proces složitější •V mozku během spánku probíhá smysluplné paměťové zpracování informací – odrazem jsou sny. •Prvotní, nově vzniklá paměťová stopa je náchylná i interferenci, upevňování je postupné a klíčová konsolidace během spánku. Spánek a učení •Nejen konsolidace, ale i řešení problému vhledem (J. Watson – dvoušroubovicová struktura DNA – uviděl ji ve spánku) •Při hledání komplikovaného, nejasného problému na něm mozek pracuje i ve spánku – náhlé pochopení a nalezení řešení. •Spánek navodí hypothalamus (řídí cirkadiální rytmy) – vzrušivé a tlumivé skupiny neuronů vytvoří dynamický systém, který generuje různé fáze spánku. Fáze spánku •Sekrecí serotoninu se startuje NREM /no rapid eye movements) fáze spánku – 50 – 75 % –NREM 1 = usínání: několik sek – 20 min, částečné vědomí –NREM 2 = až 50 % celk doby spánku, snížení svalového tonu, ztráta vědomí –NREM 3 + 4 = stadia hlubokého spánku, SWS – slow wase sleeping –Podle některých právě v 4. fázi upevňování engramů deklarativní paměti. Fáze spánku •V hluboké fázi spánku se aktivují enzymy odbourávající serotonin, zvýšení sekrece noradrenalinu – fáze paradoxního spánku, REM •Jedna NREM + jedna REM = jeden spánkový cyklus •REM = svalová atonie, paralyzace kosterní svaloviny, rychlé, mihotavé pohyby očních bulbů. Rapidní zvýšení aktivity mozkových neuronů blížící se bdělému stavu. Fáze spánku ØREM fáze: 25 % spánku (starší 15%, novorozenci 50%) o zdají se sny, omozek nepřijímá vnější podněty, jeho činnost není ovládána vůlí, je významná pro upevnění procedurální a prostorové paměti. oSelekce nedůležitých spojení neuronů, upevnění významných – důležité pro utřídění poznatků a jejich zařazování do souvislého systému oCelkem 4 – 5 spánkových cyklů – postupně klesá podíl NREM 3 a 4, stoupá REM – nejdelší nad ránem, po posledním REM probuzení. oSpánkový deficit = únava, ospalost, porucha soustředění, snížená výkonnost, porucha krátkodobé paměti. oKapacita krátkodobé paměti cca 2 hod učení, zbytek jako nadbytečné, rušivé, interferující zapomínáno! = PŘED ZKOUŠKOU SPÁT !!! Zdroje •Škoda, J., Doulík, P. (2011). Psychodidaktika. Metody efektivního a smysluplného učení a vyučování. GRADA, Praha –Kapitola č. 1: Neurofyziologické základy paměti a učení. •Sejnovski, T., Delbruck, T. (2014). Jazyk mozku. Scientific American, české vydání květen 2014, s. 52 – 57. •Silbernagl S., Despopoulos A. (1995). Atlas fyziologie člověka. Grada, Avicenum. •Dr. Karel Ježek (2014): Trénujte paměť, stojí to za to, říká neurofyziolog. Pořad Meteor: http://www.rozhlas.cz/meteor/prispevky/_zprava/trenujte-pamet-stoji-to-za-to-rika-neurofyziolog--14 26987 •Stuchlík A. Neurobiologie chování a paměti. http://industry.biomed.cas.cz/332/www332_cz/dokumenty/Modul1.pdf •