Tämä blogiteksti jatkaa Oppimisen, opettamisen ja opiskelutaitojen tukemisen keinoja "Näin aivot oppivat" webinaariin 29.9.2022 syventymällä. Tässä toisessa blogitekstissä Hannu Moilanen johdattaa meidät seikkaperäisemmin aivojen ja oppimisen yhteyteen. Mielenkiintoisia lukuhetkiä informatiivisen blogitekstin parissa!
Oppiminen on silkkaa kemiaa
Tässä blogikirjoituksessa pyrin avaaman varsin tarkasti oppimisen saloja aivojen näkökulmasta. Oppiminen on nykytietämyksen mukaan silkkaa kemiaa. Erilaiset ulkoiset ärsykkeet ja sisäiset tunteet ja kokemukset vaikuttavat aivojen välittäjäaineisiin ja eri aivoalueiden aktivoitumiseen ja sitä kautta tarkkaavaisuuteen, keskittymiskykyyn ja muistiin tallentumiseen.
Voiko opettaja vaikuttaa työtavoilla tai muilla tekijöillä virittää oppilaan aivokemiaa suuntaan, jolloin oppiminen tehostuisi? Miksi sanotaan, että oppiminen on kokonaisvaltaisen hyvinvoinnin sivutuote? Miten Liikunta, uni, stressi ja ravinto vaikuttavat aivojen toimintaan viimeisimpien tutkimusten valossa ja miksi on syytä olla huolissaan, kun esim. oppilaiden unen ja liikunnan määrä on vähentynyt ja syöminen huonontunut?
Blogitekstini tyyli on varsin tieteellinen. Fyysikkona haluan ymmärtää oppimisen mekanismeja mahdollisimman syvällisellä tasolla, ja mielestäni nykyinen kognitiivis-neurotieteellinen tutkimus tarjoaa siihen parhaan näkökulman. Toivottavasti jaksat lukea pitkän tekstini tästä huolimatta😊
Kognitiivis-neurotieteellinen näkökulma oppimiseen
Aivot ovat käyttöliittymä oppiseen ja oppimiskokemukseen vaikuttavia tekijöitä voidaan selittää nykyisen tutkimustiedon valossa. Educational neuroscience on vahvasti nousussa oleva monitieteinen ala, jonka tavoitteena on yhdistää neurotieteen, psykologian ja kognitiivisen tieteen perustutkimus koulutusteknogiaan (Tandon & Singh 2016). Se pyrkii tarjoamaan esimerkiksi opettajille tutkittua tietoa aivojen rakenteista ja toiminnasta ja siitä, miten erilaiset prosessit vaikuttavat aivoihin ja oppimiseen (Tandon & Singh 2016). Tämä tieto voi antaa opettajille uusia työkaluja vuorovaikutuksen ja oppimisen edistämiseksi oppitunneilla. Aivojen toimintaa oppimisprosessissa voidaan tutkia neurotieteiden menetelmien avulla eri tasoilla esimerkiksi hermosolujen ja aivoalueiden sekä niiden välisten yhteyksien tasolla tai aivojen toimintaa ohjaavien hermoverkkojen ja niiden säätelyn tasolla (Tandon & Singh 2016). Eri aivoalueiden aktiivisuuksia ja kehon fysiologisia reaktioita tarkastelemalla voidaan nykyään melko luotettavasti päätellä, missä perustunnetilassa henkilö kulloinkin on (Hari 2015). Vastaavasti toisin päin ajateltuna oppilaiden kokemuksia ja tunnetiloja tutkimalla voidaan mahdollisesti tehdä päätelmiä, ovatko oppilaiden aivot virittyneet oppimisen kannalta suotuiseen tilaan oppimistilanteessa. Opettaja pystyy vaikuttamaan vuorovaikutuksellaan ja käyttämillään opetusmenetelmillään oppilaan oppimiskokemuksiin ja tunteisiin ja sitä kautta aivojen mekanismeihin ja eri hermoverkkojen aktivoitumiseen (Phye 2007; Hari 2015).
Oppiminen on nykytiedon mukaan tarkkaavaisuuden, emootioiden, motivaation ja muistin vuorovaikutusta (Ahonen 2019). Aivojen välittäjäaineiden toiminta ja aivoalueiden aktivoituminen eri reaktioreittien välityksellä vaikuttavat tarkkaavaisuuteen, motivaation ja tunteen syntymiseen ja muistin toimintaan. Jos yksikin näistä oppimisen perusteista ei toimi, oppimista ei voi voi tapahtua. Seuraavassa perustellaan kognitio- ja neurotieteellisestä näkökulmasta, miten nämä neljä elementtiä voivat vaikuttaa oppimiseen ja oppimiskokemukseen.
Kuva: Kognitiivis- neurotieteellinen malli oppimiselle
Tarkkaavaisuus - edellytys oppimiselle ja oppimiskokemuksen syntymiselle
Oppimiskokemuksia suunniteltaessa on löydettävä keinoja, joilla saadaan nopeasti, tehokkaasti ja voimakkaasti vangittua oppijan huomio. Lähtökohtana uuden oppimiselle on riittävä aivojen vireystila ja tarkkaavaisuus, joka on huomion suuntaamista ja riittävän pitkäkestoista ylläpitämistä opeteltavaan asiaan. Tarkkaavaisuus on toiminto, joka säätelee kykyämme vastaanottaa ja suodattaa aisti-informaatiota. Koska ihminen ei pysty tietoisesti vastaanottamaan kaikkia aisti-informaatiota, tarkkaavaisuudella on tärkeä tehtävä säädellä, mitä informaatiota kulloinkin käsitellään tietoisesti (Alho ym. 2006). Aivot suuntaavat tarkkaavaisuutta joko valikoivasti tai tahattomasti. Näin ollen olemassa kahdenlaista tarkkaavaisuutta; automaattista ja tahdonalaista. Oppimisessa vaaditaan tarkkaavaisuuden suuntaamista opetettavaan ilmiöön ja ihminen on tietoinen tällöin toimintansa tavoitteista. Automaattisessa tarkkaavaisuuden suuntautumisessa huomio suuntautuu tahattomasti ärsykkeeseen sen ominaisuuksien vuoksi. Tahdonalainen tietoinen prosessointi vaatii enemmän kapasiteettia kuin automaattinen. (Koivisto 2006.)
Tarkkaavaisuuden neurofysiologiset mekanismit perustuvat yhteistoimintaan aivorungon rakenteiden, talamuksen ja aivokuoren välillä (McCormick 1989). Ihmisen aistielimien aistisolut välittävät jatkuvasti tietoa ulkoisista ärsykkeistä ja omista sisäisistä tapahtumista. Talamus suodattaa aisti-informaatiosta pois merkityksettömät signaalit ja valitsee ne ärsykkeet, jotka ovat oppijalle merkityksellisiä kyseissä tilanteessa (Wolfe 1998; Mesulam 1981). Aisti-informaatio kulkeutuu sensomotorisilta aivoalueilta talamukseen, jossa tapahtuu ärsyketulvan tiedostomaton esikäsittely ja tiedon kulun säätelyverkkotumakkeiden toimesta. Talamuksesta on yhteys verkkotumakkeiden välityksellä otsalohkojen kuorikerrokseen, josta on edelleen yhteys aivojen limbiseen järjestelmään ja takaisin talamukseen. Näin ollen otsalohkon alueet saavat tiedon sekä ärsykkeiden tunnemerkityksestä, että tiedollisesta merkityksestä ja voivat suunnata ja virittää tarkkaavaisuutta uuden asian oppimiseen (Mesulam 1981). Tarkkaavaisuuden säätelyyn osallistuvat monien muiden kemiallisten aineiden ohella asetyylikoliini ja noradrenaliini. Ne tehostavat oppimisprosessia virittämällä aivokuoren toimintaa, suodattamalla häiritseviä signaaleja sekä vaikuttamalla vireystilaan. (McCormick 1989.)
Oppimisessa tarkkaavaisuuden ylläpidon kannalta on tärkeää, että vireystila pysyy oppimisen kannalta optimaalisella tasolla. Vireystila (arousal) tarkoittaa toimintavalmiuden tasoa, joka ihmisellä kulloinkin vallitsee. Perusvireystilaan vaikuttavat monet tekijät, kuten uni ja ravinto, mutta vireystilaan voidaan vaikuttaa äkillisillä ulkoisilla ärsykkeillä hetkellisesti. (Fischer ym. 2008.) Vireystilan säätelyssä ovat tärkeitä aivojen asetyylikoliinia, noradrenaliinia, serotoniinia ja dopamiinia välittävät aivoradat. Nämä suhteellisen pienistä neuroniryhmistä alkavat radat aktivoituvat korkeassa vireystilassa ulottavat vaikutuksensa laajalti aivokuoreen ja talamukseen. (McCormick 1989; Mesulam 1990.) Noradrenaliinia erittyy erityisesti aivorungossa ja hypotalamuksessa ja se kasvattaa vireystilaa ja tarkkaavaisuutta (Hall 2015; Purves ym. 2008; Tortora & Derrickson 2008).
Dopamiinilla on havaittu olevan keskeinen rooli tarkkaavaisuuden suuntaamisessa. Dopamiini-porttikontrolliteorian mukaan dopamiini ohjaa oppimista säätelemällä hermoverkostoa, joka valikoi ärsykkeiden tulvasta aiemman kokemuksen valossa tärkeitä poikkeamia (O’Reilly ym. 2002). Se auttaa suodattamaan pois ulkoisten aistiärsykkeiden lisäksi niin kutsuttua ”sisäistä hälyä”. Esimerkiksi keskittymisvaikeudet, kuten ADHD ja ADD liittyvät aivojen dopamiinijärjestelmän toimintahäiriöön (Sonuga-Barke 2002; Volkow ym. 2009) ja ADHD-lääkkeet pyrkivät nostamaan dopamiinitasoa, jolloin keskittymistä häiritsevä sisäinen häly hiljenee (del Campo ym. 2013). Esimerkiksi liikunnalla ja fyysisellä aktiivisuudella on mahdollista vaikuttaa dopamiinitasoja ja noradrenaliinitasoisin positiivisesti (Meuusen & de Meirleir 1995), mikä voi vaikuttaa positiivisesti oppilaiden tarkkaavaisuuteen ja vireystilaan opetustilanteissa (Ma ym. 2014; Hillman ym. 2009; Drollette ym. 2014)
Motivaatio - oppimiskokemuksen liikkeelle laittava ja sitä ylläpitävä voima
Hirsjärven (1983) mukaan motivaatio koostuu tiedostetuista ja tiedostamattomista ulkoisista ja sisäisistä, sosiaalisista ja biologisista tekijöistä, jotka ohjaavat tavoitteellista käyttäytymistä tiettyjä päämääriä kohti. Peltosen ja Ruohotien (1992) mukaan motivaatioon vaikuttavat oppilaan ominaisuuksien lisäksi luokassa vallitseva sosiaalinen ilmapiiri ja vuorovaikutussuhteet, tehtävän sopiva haastetaso, kiinnostavuus, monipuolisuus sekä onnistumisen kokemukset ja ulkopuolinen kannustus.
Ryan & Deci (2000) luokittelevat motivaation kolme eri säätelytapaa seuraavasti: Amotivaatio tarkoittaa motivaation täydellistä puuttumista, jolloin amotivoitunut henkilöltä puuttuu kyky toimia tilanteen vaatimalla tavalla. Ulkoinen motivaatio ajaa henkilö toimimaan toimii ulkoisesta vaatimuksesta tai palkkion/rangaistuksen uhan takia. Sisäinen motivaatio olisi oppimisen kannalta toivottavaa, koska tällöin henkilö ei kaipaa ulkoista palkkiota vaan oppiminen itsessään tuo mielihyvän ja palkkion. Useissa tutkimuksissa sisäisen motivaation on havaittu vaikuttavan oppimistuloksiin ja luovuuteen positiivisesti.
Ball (1977) määrittää motivaatiolle kolme toimintaa virittävää ja ohjaavaa funktiota, jotka vaikuttavat käyttäytymiseen oppimistilanteessa. Ensimmäiseksi vaaditaan virittävä funktio (arousing), jossa oppilaan uteliaisuus herää ja hän ”virittyy ” toimimaan tilanteessa, koska kokee asian merkitykselliseksi. Toinen funktio on suuntaava (directing), jossa oppilas suuntaa toimintaansa kohti tavoitetta ja päämäärää. Kolmanneksi ylläpitävä funktio (sustaining) pitää toimintaa yllä, kunnes päämäärä on saavutettu. Driscoll (2005) kuvaa motivointia on prosessina, joka vaatii aluksi oppilaan tarkkaavaisuuden herättämisen ja sitouttamisen oppimisprosessiin. Toisessa vaiheessa korostetaan opetuksen merkityksellisyyttä, joka saa oppilaan sellaiseen tilaan, joka suuntaa oppimista eteenpäin kohti tavoitteita. Kolmannessa vaiheessa korostetaan myös opettajan roolia motivaation ylläpitäjänä, joka tukee prosessia motivoimalla ja antamalla palautetta siten, että osaamisesta saadut palkkiot vahvistaisivat halua oppia lisää.
Neurotieteiden tutkimuksista
tiedetään, että palkkiojärjestelmä ohjaa tavoitteellista toimintaa ja ylläpitää
motivaatiota oppimisprosessissa. Aivojen dopamiinijärjestelmä palkitsee ihmisen
hyvänolontunteella ohjatakseen meitä toimimaan tietyllä tavalla. Palkitsevat
asiat aktivoivat dopamiinipitoisuutta säätelevien D2-reseptorien toimintaa
mielihyvätumakkeessa ja lisääntynyt dopamiinipitoisuus vaikuttaa motivaatioon
(Wise 2004; Spanagel & Weiss 1999; Gallo ym. 2018). Aivoissa kolmesta
dopamiinireitistä erityisesti erityisesti mesolimbisen dopaaminireitin
aktivoituminen liittyy mielihyvään ja palkkioon. Reitti johtaa keskiaivoista
limbisen järjestelmänalueen läpi mielihyvätumakkeeseen nucleus accumbensiin
asti ja yhdistää nämä aivoalueet, joiden aktivoituminen vaikuttaa motivaatioon
ja palkkion tunteeseen (Xu ym. 2015; Kudo & Fujii 2012; Vallone ym. 2000).
Usein palkitsevien asioiden eteen joutuu näkemään vaivaa ja
dopamiinijärjestelmä tukee oppimista, päätöksentekoa ja positiivisia
tunnetiloja (Schultz 2013). Esimerkiksi
opiskelu itsessään voi antaa dopamiinijärjestelmälle neutraaleja ärsykkeitä ja
palkkio saattaa tulla vasta, kun työ on tehty. Tällöin erilaiset vihjeet
tulevasta palkkiosta voivat vaikuttaa dopamiinin aktiivisuuteen positiivisesti
ja sitä kautta työskentelymotivaatioon (Wise 2004).
Oppimisen näkökulmasta tärkeä mesokortikaalinen dopamiinireitti kulkee keskiaivojen (Ventral striatum) läpi aina aivokuoremme etuosaan asti. Tämä alue etuotsalohkolla on vastuussa suunnittelusta ja päätöksenteosta sekä vaikuttaa muistiin tallentumiseen ja oppimiseen (Vallone ym. 2000) ja yhteistyössä mielihyvätumakkeen kanssa ne toimivat tavoitteellisessa työskentelyssä päämäärän saavuttamiseksi (O´Doherty ym. 2004; Myers ym. 2016; Dang ym. 2012). Dopamiinireittien aktivoituminen vaikuttaa myös tunteiden säätelyyn ja kognitiiviseen joustavuuteen, mikä vaikuttaa kykyyn sopeuttaa tavoitteellista käyttäytymistä muuttuvissa tilanteissa. (Voorn ym. 2016; Höglund ym. 2017). Toisin sanoen, oppimistilanteissa dopamiini voi auttaa valitessa sopivampia vaihtoehtoja päämäärän saavuttamiseksi.
Tunteiden vaikutus oppimiseen
Aikaisemmin tunteita pidettiin toissijaisena oppimisprosessissa, mutta useat tutkimukset osoittavat, että tunteilla on suuri merkitys oppimiselle ja oppimiskokemukselle (Mayer ym.2000). Voidaan ajatella, että oppimiskokemus syntyy tunteista ja oppiminen on neurobiologisesti mahdotonta ilman tunteita (Immordino‐Yang &Damasio 2007). Tunne toimii oppimisprosessin aloittavana impulssina ja polttoaineena, joka mahdollistaa oppimistilanteen läpiviemisen. (Zull 2002). Tunnetta tarvitaan kuitenkin oikea määrä - ei liikaa eikä liian vähän (Zull 2002). Ulkoiset ärsykkeet laukaisevat tunteita, jotka vaikuttavat ihmisen käyttäytymiseen, ilmaisuun, motivaatioon ja kognitioon kussakin tilanteessa (Tyng ym. 2017). Kunkin yksittäisen aistikokemus saapuu (kuulo, kosketus, maku, näkö, haju) aistitietoa käsitteleville aivoalueille, sitä verrataan aikaisemmin tallennettuihin tietoihin samanaikaisesti aktivoituva limbinen järjestelmä voi lisätä tiedolle emotionaalista merkitystä (Tyng ym. 2017). Useat tutkimukset osoittavat, että tunnevirittyneet tapahtumat muistetaan paremmin tunneneutraaleihin verrattuna (Bechara ym. 1995). Tunneperäiset muistot linkittyvät tehokkaammin aiemmin opittuun, mikä edistää pitkäkestoiseen muistiin tallentumista (Andreasen ym. 1999).
Kleinginnan määritelmän mukaan (1981) tunteet kuvaavat monimutkaista subjektiivisten ja objektiivisten muuttujien välistä vuorovaikutusta, joita välittävät hermostolliset ja hormonaaliset järjestelmät. Erilaiset tunteet voidaan sijoittaa valenssi/virittävyys-jatkumolle, joista valenssi määrittää, kuinka myönteinen tai kielteinen tunnetila on ja virittävyys määrittää, passivoiko vai aktivoiko tunne oppijaa. Tämän lisäksi tunteet tuottavat kognitiivisia prosesseja, aktivoivat kehon ja aivojen psykologisia ja fysiologisia muutoksia sekä motivoivat tavoitteellista ja olosuhteisiin mukautuvaa käyttäytymistä. Pankseppin (1998) määritelmän mukaan jokaisella tunteella on tyypillinen ”tunneääni”, joka aiheuttaa ihmisessä tilannesidonnaisia selviytymistä tai oppimista estäviä tai edistäviä reaktioita. Hänen mukaansa subjektiiviset kokemukset, tunteet, uuden tiedon luominen ja vastaanottaminen sekä päätösten teko syntyvät limbisten aivoalueiden ja muiden aivoalueiden yhteistyössä.
Oppimistilanteessa oppilaan tunteisiin voivat vaikuttaa käytetty luokkahuoneeseen liittyvät tekijät eli käytetty opetusmenetelmä, vuorovaikutus, sisällön kiinnostavuus/haastavuus ja oppimisympäristö. Tämän lisäksi tunteisiin vaikuttavat yksilölliset ero oppilaiden välillä (esim. geneettiset tekijät) ja ulkoiset tekijät, kuten sosiaaliset suhteet ja kotiympäristö (Pekrun & Linnenbrink-Garcia, 2014). Luokkahuoneessa esiintyvät tunteet, kuten ahdistus, stressi, ilo, viha, toivo, ylpeys ja ikävystyminen, voivat vaikuttaa oppilaisiin ja oppimiskokemukseen monella eri tavalla (Pekrun, Goetz, & Perry, 2002).
Lukuisat tutkimukset ovat
osoittaneet, että tunteet vaikuttavat oppimiseen liittyviin kognitiivisiin
prosesseihin, kuten tarkkaavaisuuteen (Vuilleumier, 2005), oppimiseen ja
muistiin (Phelps, 2004; Um ym. 2012), päättelykykyyn (Jung ym. 2014) ja
ongelmanratkaisukykyyn (Isen ym. 1987). On myös havaittu tunteita nostattavat
ärsykkeet saavat oppimistilanteessa osakseen enemmän huomiota kuin
tunneneutraalit ärsykkeet (Schupp ym. 2007). Lisäksi tunteiden läsnäolon oppimistilanteessa
on havaittu lisäävän motivaatiota ja tarkkaavaisuutta, mikä vaikuttaa
oppimiseen ja asian muistamiseen positiivisesti (Pekrun 1992; Seli ym. 2016).
Tunnepitoiset oppimiskokemukset näytetään muistettavan elävästi, tarkasti ja
pitkään (Tyng ym. 2017).
Useat kognitiivisen psykologian ja neurotieteen tutkimukset osoittavat, että aivojen toiminta on rakentunut minimoimaan uhkaa ja maksimoimaan palkkion. Useissa aivotutkimuksissa on osoitettu, että positiivinen tunne vahvistaa oppimiskokemusta ja tehostaa oppimista (Walker ym. 2003; D’Argenbaum ym. 2002). Neurokemiallisesti positiiviset tunteet voivat aktivoida kognition kannalta tärkeitä aivoalueita, dopamiinijärjestelmää ja vireystilaan vaikuttavia välittäjäaineita (Burgdorf & Panksepp 2006; Tyng ym. 2017; Cozolino 2014). Nykyään tiedetään, että positiivisten tunteiden syntymisen ja säätelyn keskiössä ovat aivojen limbisen järjestelmän eri alueet (Damasio ym. 2000; Burgdorf, J. & Panksepp, J. 2006; Liotti & Panksepp 2004; Tyng ym. 2017). Myös korkeamman tason kognitiiviisista prosesseista vastuussa olevat prefrontaalisen alueen neuroverkot aktivoituvat usein positiivisen tunnereaktion seurauksena (Burgdorf & Panksepp 2006) ja positiiviset tunteet voivat vaikuttaa lisääntyneeseen dopamiinitasoon oppisen kannalta tärkeillä aivoalueilla (Wacker 2018). Dopamiinin vaikutuksia nähdään palkitsemisverkkoon kuuluvilla aivoalueilla, mukaan lukien keski-aivot, striatum, hippokampus ja prefrontaalinen kuori (Lui ym. 2017; Tyng ym. 2017) ja dopamiinilla ollaan havaittu olevan positiivisia vaikutuksia muun muassa lisääntyneeseen luovuuteen (Chermahini & Hommel 2010).
Positiivisten tunteiden on havaittu vaikuttavan motivaatioon (Løvoll 2017) ja laajentavan ajattelua (Isen 2000). Sen sijaan kielteisten tunteiden havaitaan vähentävän motivaatiota ja yritystä prosessoida tietoa. (Pekrun ym. 2011.) Kielteisten tunteiden kokeminen saattaa vähentää työmuistin kapasiteettia (Spachtholz ym. 2014) ja kaventaa oppilaiden ajattelua etsittäessä ratkaisumahdollisuuksia (Haager ym. 2014). Negatiivisista tunteista hämmennyksen on havaittu edistävän valmiiksi motivoituneiden oppilaiden kohdalla oppimista. Turhautuneisuus ja ärsyyntyneisyys siitä, että asiaa ei vielä ymmärretä voi motivoida tietyt oppilaat näkemään vaivaa asian selvittämiseksi. (D´Mello ym. 2014.) Rantala (2005) havaitsi väitöstutkimuksessaan, että työtavat, jossa oppilailla on aktiivinen toimijan rooli passiivisen kuuntelijan sijaan, synnyttävät oppilaissa oppimiseen iloon liittyviä tunteita.
Stressi oppimistilanteessa
Oppimiskokemukseen voi liittyy useita tunteita, kuten tylsistyminen, turhautuminen, hämmennys, häpeää, ahdistus, viha, ylpeys, toivo, kiinnostus ja oppimisen ilo/nautintoa. Esiintyvien tunteiden objektiivinen mittaaminen on kuitenkin haastavaa, sillä useimmin käytetyt kyselylomakkeet määrittävät tunteen henkilön subjektiivisen kokemuksen kautta (Pekrun ym. 2011). Erilaisiin tunteisiin liittyvät kehon tuottamia fysiologiset reaktiot, joita voidaan mitata objektiivisesti. Esimerkiksi stressihormoniakselin toiminta on yhteydessä tunteiden säätelyyn. Stressi-reaktio aktivoi HPA-akselin (hypotalamus-aivolisäke-lisämunuainen) ja SAM-järjestelmän (sympaattinen lisämunuaisydin) järjestelmä (SAM) sympaattisen-lisämunuaisen (SAM) järjestelmän, mikä nostaa verenpainetta, sykettä (HR) ja kortisolin pitoisuutta veressä, virtsassa ja syljessä ja vähentää sykevälivaihtelua (HRV) (Cohen ym. 1995; Montano ym. 2009)
Stressi ja stressihormonit
vaikuttavat muistin toimintaan ja oppimiseen sekä positiivisesti että negatiivisesti.
Stressireaktio sympaattisen hermoston ja HPA-akselin toimintaa ja
stressireaktio vapauttaa vereen stressihormoneja, kuten kortisolia ja
adrenaliinia, mikä aiheuttaa kehossa vireystilaa ja suorituskykyä lisääviä
fysiologisia muutoksia (Joëls ym. 2006). Stressihormonien pitoisuuden vaikutus
kognitiivisiin toimintoihin näyttää kuitenkin noudattavan ylösalaisin käännetyn
U-muotoisen käyrän muotoa. Tämä tarkoittaa, että muistin ja kognitiivisten
toimintojen toiminta paranee aluksi, mutta tietyn stressitason jälkeen
stressireaktio voi estää oppimisen kannalta tärkeiden prefrontaalisten aivojen
alueiden tehokkaan toimimisen ja vaikuttaa kielteisesti oppimiseen (Salehi ym.
2010). Kun limbinen järjestelmä, emotionaalisen prosessoinnin keskus, hallitsee
stressaavia tilanteita, korkeampiin kognitiivisiin toimintoihin liittyvä
prefrontaalinen kuori voi pysähtyä väliaikaisesti (LeDoux ym. 2006; Dalgleish &
Power 1999). Pitkittyessään stressi voi muuttaa aivojen plastisuutta ja
neurogeneesiä ja sillä on haitallisia vaikutuksia hippokampuksen, amygdalan ja
prefrontaalisen kuoren rakenteisiin, jotka voivat johtaa muistihäiriöihin ja
mielenterveysongelmiin (Sandi & Pinelo-Nava 2007). Pitkittynyt stressi vaikuttaa negatiivisesti
myös unen laatuun, mikä vaikuttaa oleellisesti tunnetilaan, muistiin ja
oppimiseen (Dewald ym. 2010; Potkin & Bunney 2012; Adelantado-Renau 2018).
Liian korkeana pysyvät stressihormonipitoisuudet heikentävät stressin säätelyä
ja elimistö pysyy hälytystilassa, jossa mantelitumakkeen reagointiherkkyys
lisääntyy ja vähäisemmätkin uhkaärsykkeet saattavat merkitä elimistön mielestä
vaaraa. Tällöin yksilön havainnointi- ja toimintakyky kaventuvat ja kokemukset
ympäristön hallinnasta saattavat jäädä vähäisiksi. (Lupien ym. 2009).
Sopiva stressi voi vaikuttaa aivojen positiivisesti dopamiinijärjestelmän toimintaan lisäämällä etuaivojen dopamiinin eritystä, jonka seurauksena mantelitumakkeen aktiivisuus pienenee, mikä voi puolestaan terästää ja selkeyttää havaintoja ja tavoitteita oppimistilanteessa (Davis & Whalen 2001, Winkielman ym. 2007). Dopamiini vaikuttaa myös aivokuoren etuosan toimintaan, joka luo yhteyksiä tunteiden ja odotusten välille, luo kokemukselle merkitystä, osallistuu tunteiden ja stressin säätelyyn (Adolphs 2003, Winkielman ym. 2007). Liiallinen stressi vaikuttaa myös aivoperäisen neurotrofisen tekijän (BDNF) tuotantoon laskevasti. BDNF on oppimisen ja muistin kannalta keskeinen aine, sillä se osallistuu uusien aivosolujen muodostumiseen ja aivosolujen välisten kytkösten vahvistamiseen. (Rothman & Mattson 2013.)
Jos oppimistilanne on oppilaan
näkökulmasta liian stressaava, stressitilassa mantelitumake ottaa vallan ja
sulkee muun muassa etuostalohkon kehittyneimmät aivokeskukset ja antavat vallan
limbiselle järjestelmälle, jotta uhka tunnistettaisiin. Uhkatilanteessa aivot
käyttävät enemmän kapasiteettia tunnistamaan ja suojelemaan yksilöä
mahdollisilta uhilta, mikä ottaa pois resursseja aivoalueilta, jotka
osallistuvat mm. pidemmän aikavälin suunnittelustaja ja itsesäätelyyn (Lupien ym.
2009). Pahimmillaan stressi voi laukaista oppimistilanteessa niin kutsutun
"taistelu-tai pakene" -reaktion (engl. fight-or-flight-response),
joka kehittyi nisäkkäiden eloonjäämismekanismina. Se mahdollistaa ihmisten ja
muiden nisäkkäiden reagoinnin nopeasti hengenvaarallisiin tilanteisiin. Tällöin
aivojen toiminta keskittyy miettimään ulospääsyä tilanteesta tai aivoissa voi
syntyä lamaantumisreaktio, joka häiritsee oppimista (Cannon 1916).
Kuvantamismenetelmien avulla voidaan arvioida, mitkä tekijät oppimisprosessissa stimuloivat tai estävät aivojen eri osien välistä viestintää (Shadmehr & Holcomb 1997; Sowell ym. 2003). Positiivisen oppimiskokemus ja oppimisilmapiiri hillitsevät stressireaktiota ja kun parasympaattinen hermosto aktivoitunut voivat etuotsalohkot, neokorteksi, limbinen järjestelmä ja aivorunko osallistua tiedollisiin ja luoviin toimintoihin, joita syväoppiminen vaatii (Burgdorf& Panksepp 2006; Tyng ym. 2017).
Toinen näkökulma havainnoida stressin vaikutuksiin oppimistilanteissa on tutkia, miten opiskelija itse kokee uuden oppimistilanteen. LaPine ym. (2004) mukaan liian haastava tehtävä voi laukaista niin kutsutun estostressi-reaktion (hindrance-stress), joka vaikuttaa negatiivisesti opiskelijan motivaatioon ja kognitioon tehtävää suorittaessa. Vastaavasti, kun tehtävän haastetaso on sopiva, voidaan puhua haastestressistä (challenge-stress), joka mahdollistaa aivojen tehokkaan toiminnan oppimistilanteessa. Positiivinen haastestressi on yhteydessä lisääntyneeseen motivaatioon oppimistilanteessa ja parantaa tehtävästä suoriutumista (LaPine ym. 2004). Pekrunin (2006) control value-teorian mukaan tunteet, kognitio ja motivaatio vuorovaikuttavat toisiinsa tiiviisti ja tunteet liittyvät oppilaalle merkitykselliseen oppimiskokemukseen. Usein kielteiset tunteet liittyvät pystymisen tai osaamisen tunteen puutteeseen tai siihen, että oppilas ei itse pysty vaikuttamaan lopputulokseen. Myönteisten tunteiden syntymiseen voidaan vaikuttaa lisäämällä oppilaan hallinnan tunnetta ja vahvistamalla käsityksiä heidän omasta minäpystyvyydestään (Pekrun 2006).
Muistiin tallentuminen
Oppitunneilla tapahtuu monenlaisia tapahtumia, joista toiset tallentuvat muistiin paremmin kuin toiset. Mikä vaikuttaa siihen, että tietyt toteutuneet kokemukset jäävät mieleen merkittävinä oppimiskokemuksina, jotka saatetaan muistaa vielä pitkän ajan kuluttua? Opetuksen tehtävä olisi luoda oppimiskokemus, jossa opittu tieto tallentuu pitkäkestoisen muistiin. Kognitiivisten neurotieteiden ja aivojen kuvantamismenetelmien kehitys on paljastanut viime vuosikymmeninä myös oppimisen tutkijoille uutta tietoa aivojen toiminnasta ja prosesseista, jotka vaikuttavat opiskeltavan asian muistiin tallentumiseen. Jotkut kokemuksistamme muuttavat aivosolujen verkostoja siten, että alkuperäisen kokemuksen tuottanut hermostollinen toiminta voidaan toistaa myöhemmin. Näin ollen aivojen solutasolle pelkistettynä oppiminen voidaan määritellä tapahtumana, jossa aivoissa tapahtuu pysyvä muutos eli kahden hermosolun välisen yhteyden eli synapsin toiminnan pitkäaikainen tehostuminen (long-term potentiation, LTP) (Bliss ja Collingridge 1993).
Koulupäivän aikana oppilaan aivot säilövät informaatiota väliaikaiseen työmuistiin, jossa varastoidaan lyhyitä ajanjaksoja hermoverkon oskillaation ylläpitämän soluaktiivisuuden varassa ennen kuin se tallennetaan mahdollisesti pitkäkestoiseen muistiin (Lisman & Idiart 1995; Koivisto 1996). Pitkäkestoinen muisti luo täysin uusia synaptisia yhteyksiä hermosolujen välille, kun taas lyhytaikainen muisti vain lisää synapsien välisiä aktiivisuuksia, erityisesti hippokampuksessa (Kandel 2001). Oppimista voidaan pitää siis tiedon varastoitumisena aivojen ohimolohkon keskialueella sijaitseville säilömuistin alueille (Blumenfeld & Ranganath 2007). Tässä siirtoprosessissa hippokampuksella ja unen eri vaiheilla on tärkeä rooli. REM-unen aikana työmuistista latautuu hippokampukseen päivänaikana kertyneitä merkityksellisiä muistoja, jotka syvän unen aikana vahvistuvat ja siirtyvät aivokuoren säilömuistiin (Buzsaki 1989, Buzsaki ym. 1994). Vastaavasti unen aikana osa hermosolujen välisistä yhteyksistä heikkenee, eli turhat yhteydet ”siivotaan” pois. Oppimisen näkökulmasta on tärkeä tuntea aivojen toiminnan perusmekanismeja ja miettiä keinoja, miten koulupäivän aikana saataisiin synnytettyä mahdollisimman paljon merkityksellisiä oppimiskokemuksia, jotka hippokampus valitsee siirrettäväksi säilömuistiin.
Kuva: Open Clipart-Vectors, Pixabay
Nykyään sanotaan, että puolet oppimisesta tapahtuu yöllä. Viimeaikaiset aivokuvantamistutkimukset ovat osoittaneet, että muistijälki syntyy tehokkaasti, kun mantelitumake, prefrontaalinen aivokuori ja hippokampus osallistuvat yhdessä muistinjäljen synnyttämiseen, tallentamiseen ja konsolidaatioon, joka muuttaa aivokuoren muistisisältöä (Tyng ym. 2017). Muistijäljen syntymisen ja pitkäkestoiseen tallentumisen muistiin näkökulmasta keskeisiä neurokemikaaleja ovat noradrenaliini, dopamiini ja BDNF. Mantelitumake osallistuu noradrenaliinin säätelyyn, mikä lisää vireystilaa ja terästää havaintoja ja sopivan stressireaktion vallitessa noradrenaliini virittää hippokampusta, mikä vaikuttaa positiivisesti muistiin tallentumiseen (Hu ym. 2007; Joëls ym. 2006). Eläinkokeissa on havaittu, että lisääntynyt dopamiinipitoisuus hippokampuksessa vaikuttaa positiivisesti kykyyn tallentaa ja palauttaa mieleen opittuja kokemuksia (McNamara ym. 2014). Dopamiini vaikuttaa myös työmuistin ja episodisen muistin toimintaan positiivisesti (Köhncke ym. 2018). Aivoperäinen hermokasvutekijällä eli BDNF (brain derived neurotrophic factor) on tärkeä rooli muistin perusmekanismien toiminnassa, kuten neuroplastisuudessa, hermosolujen säilymisessä ja hippokampuksen kehittymisessä (Bherer ym. 2013; Huang & Reichardt 2001; Eriksson ym. 2011). Dopamiinia, noradrenaliinia ja BDNF:ää erittyy aivoissa muun muassa liikunnan aikana.
Liike, vuorovaikutus ja oppimisympäristö aivojen virittäjänä oppimistilanteessa
Liike on lääke myös oppimiseen. Esimerkiksi Fyysinen aktiviteetti vaikuttaa positiivisesti aivojen neuroplastisuuteen ja kognitioon (Hötting & Röder 2013) ja liike oppimisen yhteydessä lisää aivojen verenkiertoa ja siten hapen ja glukoosin kulkeutumista oppimisen kannalta keskeisille aivoalueille (van Praag 2009). Lisäksi liike vaikuttaa oppimisen kannalta keskeisiin mekanismeihin, kuten tarkkaavaisuuden ylläpitoon, ja uusien neuroneiden välisten yhteyksien syntymiseen esimerkiksi vapauttamalla aivoissa välittäjäaineita, kuten dopamiinia, noradrenaliinia, serotoniinia ja aivoperäistä hermokasvutekijää (BDNF) (Drollette ym. 2014; Erickson ym. 2011; Hillman ym. 2009; Raichlen & Alexander 2017; Colcombe ym. 2004). Kehon käytön oppimistilanteessa on havaittu useissa tutkimuksissa vaikuttavan muistiin tallentumiseen positiivisesti (mm. Kontra ym. 2015, Faber 2011, Colletta ym 2019, Jaeger ym. 2016, Burke ym. 2009, Cook ym. 2008, Abrahamson & Lindgren 2014, Moilanen 2020).
Sosiaalinen vuorovaikutus virittää aivokemiaa. Esimerkiksi yhteistoiminnallisuuden on havaittu vaikuttavan positiivisesti motivaatioon ja kognitioon oppimistilanteissa (Blumenfeld ym. 2006) ja edistävän oppimista (Sawyer 2004; Sawyer 2006) ja oppimista edesauttavien tunteiden syntymistä (Siegel 1999; Kangas 2010). Sosiaalinen läheisyys ja ryhmässä toimiminen näkyvät myös aivojen virittymisenä ja synkronoitumisessa (Dikker ym. 2017), mikä voi virittää hermoverkkoja ja vaikuttaa oppijan tunteisiin (Siegel 1999). Yhteistoiminnalliset työtavat voivat virittää aivojen vireystilaa ja kognitiota positiivisesti oppimistilanteissa. Sosiaaliset suhteet koetaan yleensä palkitsevina ja aivoja kuvantamalla on nähty, että sosiaaliset vuorovaikutustilanteet voivat aktivoida monipuolisesti tunteisiin liittyviä aivoalueita, palkitsemisreittejä ja dopamiinin tuotantoa sriatumissa ja korkeampaan ajatteluun ja päätökseen tekoon osallistuvia prefrontaalikorteksin alueita (Hari ym. 2015). Näiden aivoalueiden aktivoitumisella on keskeinen rooli oppimisprosessissa.
Tunteet tarttuvat. Vuorovaikutustilanteissa ihmiset usein säätävät tunnetilansa, tarkkaavaisuutensa ja vireytensä suhteessa toisen palautteisiin (Schore 2001) Esimerkiksi toisen oppilaan positiivisuus saattaa virittää myös kanssaoppijan hyvälle tuulelle (Schore 2001; Keysers 2011). Ihmisten väliset kasvokkaiset vuorovaikutustilanteet ovat usein korkeasti aktivoivia ja tunnevaltaisia (Schore 2001) ja di Pellegrino ym. (1992) havaitsi, että aivojen niin kutsuttu peilisolujärjestelmä aktivoituu sosiaalisissa tilanteissa. Keysersin (2011) mukaan peilisolujen virittyminen on kaiken sosiaalisuuden ja empaattisuuden perusta, sillä ne virittyvät tiedostamatta imitoimaan toisten tunnetiloja ja toimintaa. Carr ym. (2003) teorian mukaan, että empatiassa peilisolujärjestelmä toimii vuorovaikutuksessa tunteita säätelevän aivojen limbisen järjestelmän kanssa. Aivojen virittyminen ja peilisolujen toiminta yhteistoiminnallisessa oppimistilanteessa voi myös edistää ymmärrystä, kommunikaatiota ja oppimista (Keysers 2011). Yhteistoiminnalliset työtavat tarjoavat mahdollisuuksia kasvokkain tapahtuviin vuorovaikutustilanteisiin, joista voi parhaimmillaan syntyä positiivia mieleenpainuvia oppimiskokemuksia.
Useiden tutkimusten mukaan luokkahuoneen ulkopuolinen autenttinen oppimisympäristö tukee oppimista (Smeds ym. 2015; McRae 1990; Palmberg & Kuru 2000). Ulkona oppiessa oppilailla on mahdollista saada moniaistisia oppimiskokemuksia ja tällä on havaittu olevan positiivisia vaikutuksia muun muassa kognitioon (Smeds ym. 2015; McRae 1990). Esimerkiksi eläinkokeissa on osoitettu, että oppimisen kannalta suotuisia virikkeitä sisältävä oppimisympäristö lisää oppimista ja tehostaa pitkäaikaiseen muistiin tallentumista (Bruel-Jungerman ym. 2005). Uudelle oppimisympäristölle altistaminen vaikutti dopamiinijärjestelmän ja hippokampuksen aktivisuuteen ja sitä kautta positiivisesti oppimiseen eläinkokeissa jopa 30 minuuttia uutuuden kokemuksen jälkeen (Li ym. 2003). Ulkona oppimiseen liittyy usein lisääntynyt fyysinen aktiivisuus, jonka aikana uusien aivosolujen syntymisnopeus vilkastuu hippokampuksessa ja positiivisesti oppimiseen vaikuttavia neurokemikaaleja vapautuu. Kun tähän yhdistyy virikkeellinen oppimisympäristö ja uuden oppiminen, vastasyntyneet aivosolut jäävät todennäköisemmin henkiin. (Nokia ym. 2016.) Liikkuva oppiminen ulkona virittää aivot myös luovemmiksi uusia ideoita mietittäessä (Oppezzo&Schwartz 2014) ja vaikuttaa esimerkiksi aivojen GABA-pitoisuuteen lisäämällä aivojen neuroplastisuutta (Voss ym. 2010).
Uni, liikunta ja ravinto - Oppimisen kulmakivet
Useat tutkimukset osoittavat (mm. THL 2019&2021; Kokko & Martin 2019), että oppilaiden kokonaisvaltaiseen hyvinvointiin ja oppimiseen vaikuttavat tekijät, kuten uni, fyysinen aktiivisuus ovat vähentymässä ja vastaavasti koulu-uupumus ja mielenterveyteen liittyvät ongelmat lisääntyvät. Usein tavoitteellista koulunkäyntiä ja esimerkiksi haastavaa urheiluharrastusta yritetään sovittaa yhteen, jolloin koulunkäynti voi muuttua suorittamiseksi. Koululaisen koulupäivät ovat pitkiä ja kiire arjessa voi pakottaa oppilaan pintaoppimaan, jolloin ahdistuksen ja stressin alaisena päntätään kokeeseen ja kokeen jälkeen työmuisti voidaan tyhjentää jonkin muun asian opiskelua varten. Erityisesti lukiokurssit sisältävät liikaa asiaa, jolloin asian syvälliseen käsittelyyn ja reflektioon ei jää aikaa. Arvioinnin uudistuksista huolimatta uusien opetussuunnitelmien mukaiset kurssitkin testaavat ja korostavat numeroiden merkitystä ja tällöin syväoppiminen voi kärsiä.
Nykyään on vahva tutkimusnäyttö liikunnan positiivisista vaikutuksista aivoille ja oppimiselle. Olen tehnyt oppilaille yli 500 Firstbeatin hyvinvointianalyysiä, jotka mittaavat muun muassa fyysistä aktiivisuutta, unen määrää/laatua ja stressiä/palautumista. Oppilaiden hyvinvointianalyysejä tutkittaessa herää huoli oppilaiden nukkumisesta. Uni on tunnetilan, vireystilan perusta ja oppimisen perusta ja laajojen selvitysten mukaan suomalaiset aikuiset ja nuoret nukkuvat entistä vähemmän. Pitäisikö hallituksen seuraavan koulua koskevan kärkihankkeen olla nimeltään ”nukkuva koulu”-hanke?
Nykyään voidaan ajatella lisääntyneen tutkimustiedon valossa, että uni on kaiken hyvinvoinnin ja oppimisen perusta. Vasta sen jälkeen tulee liikunta ja ravinto. (Walker 2017). Unen lisäksi myös syöminen vaikuttaa aivokemikaalien syntymiseen, yleiseen olotilaan ja keskittymiseen. Uusi mielenkiintoinen tutkimushaara on suolistobakteerien vaikutus aivoihin ja oppimiseen. Moni oppimisen ja aivojen näkökulmasta tärkeä välittäjäaine, kuten serotoniini syntyy suolistossa ja dopamiini syntyy tyroksiini nimisestä aminohaposta. Uusimman kouluterveyskyselyn (THL 2019) mukaan entistä harvempi lukion ja peruskoulun oppilaista syö arkiaamuisin aamupalaa tai kouluruokaa. Onkin huolestuttavaa, jos oppilas ei saa tarvittavia ravinnostaan aminohappoja tärkeiden neurokemikaalien (mm. serotoniini, dopamiini) raaka-aineita tai jos suoloistobakteerikanta on sellainen, että bakteerit, eivät pysty imemään ravinnosta aivojen rakastamia ravintoaineita.
Valitettavasti omien havaintojeni
mukainen unen puutteen ja mahdollisesti ravintoköyhän ruokavalion aiheuttama
”aivosumu” näkyy nykyään koulussa oppilaiden keskuudessa. ”Ei kiinnosta”, ” Ei
oo motia”-kommentteja kuuluu yleistyvässä määrin. Toki esim. liikunnan avulla voidaan
pumpata keskittymiseen vaikuttavia välittäjäaineita aivoihin hetkellisesti,
mutta iso osa oppimisesta on edelleenkin ”tylsää” keskittynyttä työtä, joka
vaatii hyvää vireystilaa ja tunnetilaa. Näiden perusta luodaan nukkumisella, ravinnolla
ja liikunnalla.
Blogitekstin kirjoittaja on Ope oppii -koulutuskokonaisuuden kouluttaja
aineenopettaja, opettajankouluttaja, toiminnallisen oppimisen asiantuntija ja tietokirjailija
Kommentit
Lähetä kommentti