Bouwen op voorkennis: hoe leert het studenten- brein?

Dagelijks zijn we bezig om de enorme kennisbank in ons brein aan te passen en uit te breiden. Ons brein hunkert naar een zo accuraat mogelijke representatie van de werkelijkheid, zodat het nieuwe informatie zo makkelijk mogelijk kan integreren. In ons dagelijkse leven wordt nieuwe informatie dus vaak zo aangeboden dat we het makkelijk kunnen begrijpen. Op televisie en internet, maar natuurlijk ook in het onderwijs.

Het is extreem belangrijk in het onderwijs dat vakken goed worden opgebouwd. Bijvoorbeeld: als je niet kunt optellen en aftrekken, kun je ook niet vermenigvuldigen en als je niet kunt vermenigvuldigen wordt worteltrekken weer lastig. Natuurlijk is dit principe al lang bekend en wordt het wijdverbreid toegepast in het onderwijs.

Maar wat we niet weten is hoe deze kennis zo zorgvuldig wordt opgebouwd in ons brein en wat dit tot gevolg heeft voor het het leren van nieuwe dingen.

Verschillende manieren om informatie op te slaan

In mijn laatste experiment heb ik deze vraag onderzocht: hoe wordt nieuwe, studie-gerelateerde informatie opgeslagen in ons brein? Hiervoor heb ik twee groepen studenten getest die aan het begin van het tweede jaar van hun studie biologie of pedagogiek stonden. Deze studenten leerden korte zinnetjes met nieuwe informatie terwijl hun hersenactiviteit met een MRI-scanner werd gemeten. Deze zinnetjes bevatten informatie die óf voortbouwden op de studie die ze op dat moment volgden, óf op de andere studie. Een biologiestudent leerde dus ook de informatie voor pedagogiekstudenten en andersom. De volgende dag kregen de studenten een test over de informatie die ze hadden geleerd. Hierdoor wisten we precies welke zinnetjes ze hadden onthouden en welke waren vergeten.

De mediale prefrontale cortex bevindt
zich vooraan en middenin het brein,
achter je voorhoofd.

Wat kwam er nou uit dit experiment? Ten eerste bleken studenten veel beter in het onthouden van informatie die relateert aan hun eigen studie, maar dat is niks nieuws. Daarnaast vonden we dat het onthouden van deze informatie gerelateerd was aan activiteit in een ander hersengebied dan bij de niet studie-gerelateerde informatie. Dit hersengebied, de mediale prefrontale cortex, hadden we al eerder gevonden in ons onderzoek en we denken dat dit gebied nieuwe informatie integreert met oudere informatie. De informatie wordt dan dus niet apart opgeslagen, maar gekoppeld aan eerder opgeslagen informatie. Dit leidt vervolgens tot betere prestaties op de geheugentest.

Relatie met studieprestaties

We vonden daarnaast dat de activiteit in deze mediale prefrontale cortex positief correleerde met hoe de studenten presteerden in het tweede jaar van hun studie ten opzichte van het eerste. De mate waarin ze dit hersengebied gebruikten tijdens het leren van onze studie-gerelateerde zinnetjes was dus voorspellend voor de toekomstige prestaties in hun studie!

Kunnen we toekomstig studiesucces dan voorspellen door studenten in de scanner te leggen? Nee, de effecten in dit experiment zijn erg klein en de meetwaarden heel specifiek. Bovendien weten we bij een simpele correlatie als deze niet wat de leidende factor is en zijn er heel wat andere dingen die een rol kunnen spelen. Wel opent dit onderzoek nieuwe deuren door aan te tonen dat eerdere bevindingen – verschillende hersenprocessen tijdens het onthouden van simpele plaatjes of woorden - ook blijken te gelden voor het leren van ingewikkeldere informatie in de onderwijspraktijk.

Relatie tussen activiteit in de mediale prefrontale cortex (op
de x-as) en verschil tussen tweedejaars en eerstejaars cijfers
(op de y-as).

Toepassingen

Hoe kunnen we deze bevindingen dan wel gebruiken voor leren in het onderwijs? Voorlopig zijn directe toepassingen nog niet echt mogelijk, maar als we meer te weten komen over hoe ons brein voorkennis gebruikt om nieuwe informatie te leren, dan kunnen we proberen deze voorkennis beter en selectiever aan te spreken voordat we nieuwe informatie leren.

We kunnen dan bijvoorbeeld ons leerproces bewust efficiënter maken door ons vaker af te vragen hoe iets nieuws eigenlijk relateert aan iets ouds. Of op basis van de beschikbare voorkennis vaststellen of nieuwe informatie al geleerd kan worden of dat je beter nog even kan wachten. De mogelijkheden zijn eindeloos!

Referenties

Het artikel, nu in early access op de website van Journal of Cognitive Neuroscience.

Over dendrieten en somas: waar ligt de rekenkracht van ons brein?

Als wetenschapper loop je soms tegen nieuwe bevindingen aan die je basisovertuigingen op hun grondvesten doen schudden. Zulke bevindingen overdonderen je eerst, maar beïnvloeden later je kritisch denken en ze herinneren je eraan dat je in de wereld van wetenschap nooit blind van iets moet uitgaan. Nee, nooit!

Het huidige beeld van een atoom, al is
zelfs dit beeld niet onomstreden.
Afbeeldingen van hier.

Atomen versus neuronen

Neem het atoom. Ooit geloofde men dat dit een enkel solide bolletje was, maar we weten nu dat dit kleine bouwsteentje uit verschillende deeltjes bestaat en het lijkt er voorlopig nog niet op alsof natuurkundigen al klaar zijn met tellen. Een vergelijkbare ontdekking, maar dan in de neurowetenschap, is laatst gepubliceerd in het prestigieuze wetenschappelijke tijdschrift Nature. De bevindingen die beschreven worden in dit artikel betwijfelen een wijdverbreide en inmiddels vastgeroeste aanname binnen de neurowetenschap door voor te stellen dat het brein een grotere rekenkracht heeft dan altijd werd aangenomen. Deze rekenkracht bevindt zich voornamelijk in de bouwsteentjes van ons brein: de neuronen.

Als je dit kan lezen, dan ben je zeer waarschijnlijk de eigenaar van een brein dat ongeveer honderd miljard neuronen telt. Elk van deze minuscule neuronen is een rekeneenheid wiens simpele functie het is om continu te berekenen wat voor informatie het zal geven gebaseerd op inkomende informatie van omliggende cellen. Ongeveer net als een computer met een internetconnectie, ontvangen en versturen neuronen continu informatie door gebruik te maken van electrische signalen. Deze signalen komen het cellichaam (of de soma) binnen via de dendrieten, uitlopers die verbindingen vormen met honderden of zelfs duizenden omliggende neuronen en die informatie vanuit deze cellen opvangen. Tot nu toe werd de rekenkracht nodig om deze informatiesignalen te kunnen verwerken puur en alleen toegeschreven aan de soma. Neem elk tekstboek over neurowetenschap en het zal je vertellen dat de magie plaatsvindt in de soma. Logisch, want de dendrieten zijn maar simpele draadjes die passief signalen doorsturen. Toch?

Een neuron met zijn verschillende onderdelen. Informatie van andere
neuronen komt binnen via de dendrieten en wordt getransporteerd via
de soma naar het axon, waar de informatie weer doorgegeven wordt aan
verbonden neuronen. Plaatje van hier. 

In dit plaatje zie je een dendriet die gemeten wordt door
middel van two-photon microscoop. Plaatje komt uit het
artikel.

Sterke microscoop

Neurowetenschappers van verschillende Britse en Amerikaanse universiteiten hebben besloten dit wijdverbreide feit verder te onderzoeken door beter te gaan kijken naar hoe deze electrische signalen zich precies door de dendrieten voortbewegen, zelfs al dacht iedereen dat dit niet de moeite waard was. De wetenschappers hebben hiervoor een heel erg sterke microscoop (een "two-photon microscoop") gebruikt om electrische signalen te kunnen meten die zich door deze dendrieten verplaatsen. Geen makkelijke taak, omdat het met deze techniek onmogelijk is te zien waar in de cel je eigenlijk aan het meten bent, totdat je de signalen hebt geanalyseerd, het goede oude naald in een hooiberg probleem dus. Desondanks waren de wetenschappers succesvol en vonden ze dat de simpele draadjes hypothese voorbarig was. Volgens hun metingen leken dendrieten juist in staat om berekeningen uit te voeren en "beslissingen" te kunnen maken op basis van de informatie die ze voortdragen. Zo kunnen ze waarschijnlijk de soma helpen om deze informatie beter te begrijpen en te integreren met informatie uit andere dendrieten.

Cogito ergo sum?

In dit experiment werd deze rekenkracht specifiek gevonden in dendrieten van neuronen in de visuele hersengebieden van muizen, maar volgens de onderzoekers is het heel goed mogelijk dat dendrieten in het hele brein dit soort berekeningen uitvoeren, ook in mensen. Deze bevindingen zijn dus niet alleen een hele goede reden om neurowetenschappelijke tekstboeken te herschrijven en uit te breiden, ze suggereren ook dat onze neuronen veel meer berekeningen kunnen uitvoeren dat we altijd dachten. Net als de wereldschokkende vinding dat atomen niet solide bolletjes waren, is deze observatie naar mijn bescheiden mening een revolutionaire wetenschappelijke bevinding die de manier waarop we denken dat we denken voor altijd zal veranderen!

De wiskundeknobbel: fictie of realiteit?

Het idee van de wiskundeknobbel is eeuwenoud, maar bestaat zo'n knobbel ook echt bij wiskunde-bollebozen? En zo ja, hoe ziet zo'n wiskundeknobbel er dan uit? Is het zichtbaar in het brein en kunnen we  informatie over die wiskundeknobbel misschien gebruiken om kinderen die goed zijn in wiskunde te selecteren of kinderen die slecht zijn in wiskunde individuele bijles te geven? Vragen te over, maar hoeveel bewijs is er nu echt voor het daadwerkelijke bestaan van een wiskundeknobbel? Een recent artikel van onderzoekers van de Amerikaanse Stanford Universiteit werd breed uitgemeten in de media (zie nieuwsberichten van nu.nl en de Volkskrant) als hét antwoord op deze vragen. Dit onderzoek geeft echter jammer genoeg (of interessant genoeg) net zoveel antwoorden als dat het nieuwe vragen oproept.

Knobbels in het brein

Een typisch plaatje van een frenologische
indeling van hersenfuncties.  Een soort
wiskundeknobbel (voor "calculation") zit
volgens dit model tussen het oog en het
oor. (plaatje van hier)

Waar komt de term "wiskundeknobbel" eigenlijk vandaan? Aan het einde van de 18e eeuw was er een wetenschapper, Franz Joseph Gall, die beargumenteerde dat bepaalde delen van de hersenen gerelateerd waren aan verschillende persoonlijke karakteristieken. Deze leer werd bekend als frenologie en was erg populair bij psychologen en artsen, die deze leer gebruikten om karakters van mensen te bepalen door hun aan hun schedel te voelen. Verdikkingen van de schedel op bepaalde plekken zouden dan het gevolg zijn van grotere hersendelen die weer verbonden werden aan specifieke functies. Deze mogelijkheid tot lokalisatie van bepaalde hersenfuncties is diep geworteld binnen de neurowetenschap en de algemene perceptie van neurowetenschappelijk onderzoek. Nog steeds spreekt men namelijk over functies zoals taal en emotie die toegeschreven worden aan bepaalde hersendelen. Dit idee wordt daarnaast versterkt door technieken als functionele MRI, waarbij mooie plaatjes van hersenactiviteit in verschillende delen van de hersenen dit lokalisatieprincipe lijken te ondersteunen. Echter, juist door dit soort technieken weten we dat we niet zo makkelijk kunnen spreken over EEN gebied wat EEN bepaalde functie representeert, omdat een gebied meerdere functies blijkt te kunnen hebben en een bepaalde functie op zijn beurt meerdere gebieden tegelijk kan activeren, een conclusie die de onderzoekers in dit artikel ook moesten maken.

Een typisch plaatje van hersenactiviteit
gemeten met een MRI-scanner. Dit soort
plaatjes lijken lokalisatie van hersenfuncties
te ondersteunen, omdat ze activiteit in
specifieke gebieden laten zien. (plaatje van
http://www.autism-community.com/)

De hippocampus, zetel van de wiskundeknobbel?

In het experiment van de Stanford-onderzoekers werden 8 en 9 jarige kinderen gevolgd tijdens een 8 weken durende intensieve wiskundecursus gevolgd. Voor ze deze cursus volgden werden ze intensief getest met vragenlijsten, testjes en hersenscans en tijdens de cursus werd hun voortgang gemeten. Geen van deze psychologische testen, waaronder bijvoorbeeld een IQ-test, was gerelateerd aan de voortgang van de kinderen tijdens de wiskundecursus. Toen de onderzoekers echter keken naar het brein van de kinderen, vonden ze dat de kinderen met een grotere hippocampus betere vooruitgang tijdens de cursus lieten zien. De hippocampus is een gebied diep in het brein (dus onzichtbaar voor frenologen en absoluut niet de plek van de frenologische wiskundeknobbel) en wordt voornamelijke onderzocht in geheugenonderzoek, aangezien patiënten waarbij de hippocampus niet meer goed werkt veel geheugenproblemen laten zien. Daarnaast vonden de onderzoekers dat de hippocampus van de betere scorende kinderen ook sterkere verbindingen liet zien met andere hersengebieden, voornamelijk gebieden vooraan in het brein.

De hippocampus is een gebied diep in
het brein en is vernoemd naar het
zeepaardje (hippocampus in het Latijn),
omdat de vorm van het gebied op de
vorm van een zeepaardje lijkt. (plaatje
van memorylossonline.com)

Wiskundeknobbel of wiskundebrein?

Deze bevindingen roepen nieuwe vragen op: waarom de hippocampus, die was toch al belangrijk voor geheugen? De eerder genoemde patiënten die problemen hebben met hun hippocampus, laten ook geen wiskundige problemen zien. En in hoeverre heeft het puur onthouden van informatie te maken met het leren van wiskundige regels? Daarnaast blijkt de hippocampus met een heleboel andere gebieden in het brein te koppelen, wat gebeurt er in dat netwerk van hersengebieden dat voorspellend is voor het leren van wiskunde? Één ding is duidelijk: de onderzoekers reppen met geen woord over het zoeken naar een wiskundeknobbel en claimen ook niet dat ze deze gevonden hebben met dit experiment. De hippocampus is dus niet de wiskundeknobbel van het brein, net zo min als andere gebieden een specifieke talenknobbel of emotieknobbel zijn. Wat je wel kan concluderen naar aanleiding van dit onderzoek is dat een grotere hippocampus en sterkere verbindingen tussen deze hippocampus en andere gebieden in je brein ervoor kunnen zorgen dat je beter wiskundige vaardigheden kan leren. Dit netwerk, gestuurd door de hippocampus, is dus wel belangrijk voor het leren van wiskunde. Deze bevinding kan, mits verder uitgewerkt, in de toekomst belangrijk kan zijn voor het beter detecteren en begeleiden van kinderen met leerproblemen.
Wiskundeknobbel? Welnee, gewoon een wiskundebrein!

Dus: weg met de wiskundeknobbel, leve het wiskundebrein!

Bronnen

Het bewuste artikel in PNAS (alleen beschikbaar met abonnement)