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.

Dromen lezen?

Een recent onderzoek dat erg veel aandacht heeft gekregen binnen en buiten de neurowetenschap is een experiment waarbij wetenschappers uit Japan uit hersenactiviteit gemeten tijdens slaap konden afleiden waarover hun proefpersonen aan het dromen waren. In de media is dit artikel besproken met titels als "Wetenschappers kijken mee in dromen" (nu.nl), "Hersenscanner leest dromen" (visionair.nl) en "Wetenschap maakt dromendiefstal mogelijk" (vief.be). De, iets subtieler liggende, conclusies van dit artikel heb ik eerder al aan verschillende mensen uitgelegd en ik zal hier trachten dit nog een keer te doen.

Hersenactiviteit "lezen"

Als neurowetenschappers praten over het "lezen" of "decoderen" van hersenactiviteit, dan refereren ze aan een computerprogramma dat, gegeven een bepaald patroon in hersenactivatie (meestal gemeten met een MRI-scanner), kan voorspellen op welke van tevoren bepaalde en gemeten categorieën deze activiteit het meeste lijkt. Dit zijn zogenaamde "machine learning" programma's die leren om patronen met elkaar te vergelijken en berekenen hoeveel deze op elkaar lijken. Om dit te kunnen doen moet dit decodeer-programma dus eerst leren hoe deze categorieën, bijvoorbeeld plaatjes van gezichten of objecten, relateren aan hersenactiviteit. Hiervoor krijgen proefpersonen eerst vaak honderden plaatjes uit deze verschillende categorieën voorgeschoteld waarop het computerprogramma vervolgens kan worden getraind. Als dit decodeer-programma vervolgens tijdens een testfase, waarin proefpersonen opnieuw dezelfde of gerelateerde plaatjes te zien krijgen, consequent met meer dan 50% zekerheid kan voorspellen of een bepaald patroon van hersenactiviteit tot de gezichten of objecten-categorie behoort, dan concluderen de onderzoekers hieruit dat deze categorieën "gelezen" kunnen worden uit de hersenen.

Maar let op: meestal is dit programma echter maar in ongeveer 55% tot 60% van de gevallen correct, en dus in zeker 40% van de gevallen incorrect. Daarnaast kan dit programma nooit direct (of "online") worden gebruikt, maar altijd pas achteraf tijdens tijds-intensieve analyses. Onderstaand plaatje, waar een computer direct kan zien waar iemand aan denkt, is dus (vooralsnog) onmogelijk.

De computer in dit plaatje voorspelt op basis van hersenactiviteit waar de proefpersoon aan denkt, een scenario dat op het moment onmogelijk is omdat de analyses pas achteraf gedaan kunnen worden en erg veel tijd en rekenruimte kosten. "Online" berekenen waar een proefpersoon op een bepaald moment aan denkt is dus vooralsnog onmogelijk. (plaatje komt van www.the-scientist.com)

De dromenlezer

Wat deden deze Japanse droomwetenschappers nu? Ze trainden hun decodeer-programma op een periode waarin de proefpersonen naar plaatjes van verschillende categorieën keken (zoals hierboven beschreven) en gebruikten dit programma om vervolgens activiteit tijdens hun slaap te bekijken. Proefpersonen sliepen in de MRI-scanner en werden op gezette tijden wakker gemaakt om hun voorafgaande droom te beschrijven, waaruit de onderzoekers verschillende onderdelen filterden. Als deze onderdelen eerder gezien waren door de proefpersoon en  dus geleerd door het decodeer-programma konden ze de eerder gekoppelde activiteitspatronen voor deze onderdelen terug proberen te vinden in het patroon dat de hersenen tijdens de droom lieten zien. Dit kon het programma voor een aantal categorieën correct voorspellen maar hierbij was het programma nooit veel meer dan 70% correct, met een paar uitschieters tot 80%. Omdat dit experiment laat zien dat een onbewuste staat van het brein ook decodeerbaar is, is dit een geweldige vooruitgang voor de wetenschap van het decoderen van hersenactiviteit, maar het betekent absoluut niet dat we met MRI-scanners direct af kunnen lezen waar iemand over droomt, en al helemaal niet met 100% zekerheid.

De opzet van het droomexperiment. Hersenactiviteit werd gemeten tijden slaap (links) en vergeleken met eerder verkregen activiteitspatronen tijdens het kijken naar verschillende plaatjes (midden). Hierdoor konden ze onderzoekers de droom in stukjes opdelen en voorspellen welke hersenactiviteit ze zouden moeten zien in de slaappatronen. Dit werkte voor een deel van de categorieën (rechts). Plaatje van http://ajw.asahi.com/.

Conclusie

De algemene conclusie uit dit artikel is dus niet: "we kunnen uitlezen waar iemand over droomt" (en dat is trouwens ook niet wat de auteurs zelf claimen). Ook "meekijken" in of "diefstal" van dromen is met deze techniek vooralsnog onmogelijk. Wat we wel kunnen concluderen uit dit artikel is dat de wetenschappers met een bepaalde (significante) zekerheid achteraf konden vaststellen of een bepaald hersenactivatiepatroon aanwezig was tijdens een droom van een proefpersoon, mits er voor deze proefpersoon van tevoren was bepaald welke activatiepatronen gerelateerd zijn aan het waarnemen van bepaalde dingen. Sommige onderdelen van dromen konden dus inderdaad gelezen worden, maar alleen achteraf en niet voor elke categorie met evenveel zekerheid. Om je een beetje een indicatie te geven van wat er daadwerkelijk uit het experiment kwam, zie het filmpje op deze website. Deze limitaties nemen natuurlijk niet weg dat dit een belangrijk en uitermate fascinerend experiment is, ik heb me er in ieder geval erg om verwonderd!

Referenties

Originele artikel in Science (in Engels en alleen verkrijgbaar met abonnement)

Algemeen filmpje over decoderen (in Engels)