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最初の2年間の脳

脳の発達のうち、最初の2年間に起こる最も劇的な物理的変化の一部。 すなわち、情報を記憶し伝達する機能を持つ約850億個のニューロンを持って生まれてくる（Huttenlocher & Dabholkar, 1997）。 脳の神経細胞のほとんどは誕生時に存在するが、完全に成熟しているわけではない。

図3.4.1. 研究によると、早ければ4～6カ月で乳児は大人と同じような脳の領域を利用して情報を処理するようになる。 画像はDeenら、2017.9478>

脳と脊髄からなる中枢神経系（CNS）内のコミュニケーションは、ニューロンと呼ばれる神経細胞から始まります。 ニューロンは、軸索と樹状突起と呼ばれる神経線維のネットワークを介して、他のニューロンと接続する。 各ニューロンには通常、1本の軸索と多数の樹状突起があり、木の枝のように広がっている（指のある手のように見えると言う人もいる）。 各ニューロンの軸索は、シナプスと呼ばれる交差点で他のニューロンの樹状突起に向かって伸びており、これは脳内の重要なコミュニケーション・リンクとなっています。 軸索と樹状突起は接触しませんが、軸索の電気的インパルスが神経伝達物質と呼ばれる化学物質を放出させ、情報を送信側ニューロンの軸索から受信側ニューロンの樹状突起に伝達します。 Neuron.

シナプス形成とシナプス刈り込み

脳の1000～2000億個のニューロンのほとんどは誕生時に存在しますが、それらは完全に成熟しているわけではありません。 各神経経路は、乳幼児期に何千もの新しい結合を形成します。 シナプス形成、すなわちニューロン間の結合の形成は出生前から続き、乳幼児期には何千もの新しい結合が形成される。 次の数年の間、樹状突起、つまりニューロン間の接続は、一過性の高揚あるいは一時的な劇的な成長の時期を迎える（非常に急速なので高揚し、一部は一時的なので一過性）。 このような樹状突起の増殖は、2歳までに1つのニューロンで何千もの樹状突起を持つようになる。

このように劇的に増加した後、シナプス刈り込みと呼ばれるプロセスによって、使用されない神経経路が排除されます。 このプルーニングにより、脳はより効率的に機能し、より複雑なスキルの習得が可能になると考えられている(Hutchinson, 2011)。 経験によって、どの接続が維持され、どの接続が失われるかが決まります。 最終的には、これらの接続の約40％が失われることになる（Webb, Monk, and Nelson, 2001）。 生後数年間は一過性の高揚が起こり、小児期から青年期にかけて、脳の様々な領域で刈り込みが続く。 この活動は、主に大脳皮質や、随意運動や思考に関わる脳の薄い外被で起こっている。

ビデオ 3.4.1. How Baby Brains Developでは、生後数年間に予想される脳の変化のいくつかを説明しています。

Myelination

中枢神経系で起こるもう一つの重要な変化は、神経細胞の軸索周囲の脂肪組織のコーティングであるミーリンの発達です（カールソン、2014）。ミーリンは神経細胞の絶縁を助け、ある細胞から別の細胞に衝撃が伝わる速度を速めることができます。 この増加により、神経経路の構築が促進され、運動と思考過程の調整と制御が改善されます。 乳幼児期には、髄鞘化が急速に進み、ミエリン鞘を獲得する軸索が増加する。 これは、言語理解、言語習得、感覚処理、ハイハイ、歩行などの認知・運動能力の発達に対応する。 幼児期から中年期にかけては、脳の運動野に髄鞘が形成されるため、手先の運動能力や粗大運動能力が飛躍的に向上する。

脳の構造

脳は、出生時には成人の体重の約25％で、2歳までに75％になる。 神経活動のほとんどは、大脳皮質または随意運動や思考に関わる脳の薄い外被で起こっています。 大脳皮質は2つの半球に分かれており、それぞれの半球は4つの葉に分かれていて、それぞれが裂け目と呼ばれるひだで区切られています。 大脳皮質を脳の前面から順に見ていくと、まず前頭葉（額の裏側）があり、主に思考、計画、記憶、判断を司る。 前頭葉に続く頭頂葉は、頭蓋骨の中央から後方にかけて広がっており、主に触覚に関する情報を処理する役割を担っています。 次に後頭葉は、頭蓋骨の一番奥にあり、視覚情報を処理します。 後頭葉の前、耳の間には側頭葉があり、聴覚と言語をつかさどる。 脳の葉

脳は乳幼児期に急速に成長するが、特定の脳領域が同じ速度で成熟することはない。 一次運動野は一次感覚野よりも早く発達し、額の裏側にある前頭前野は最も発達が遅れている。 前頭前野が成熟するにつれて、子どもは感情をコントロールしたり、活動を計画したり、戦略を立てたり、より良い判断ができるようになります。

側方化

側方化とは、異なる機能が主に脳の片側に局在するようになる過程をいう。 例えば、ほとんどの成人では、言語生成時には左半球が右半球よりも活発であり、一方、視空間能力を伴う課題では逆のパターンが観察される（Springer & Deutsch, 1993）。 このプロセスは時間とともに発達しますが、胎児（Chi, Dooling, & Gilles, 1997; Kasprian et al., 2011）や乳児（Dubois et al., 2009）でも、半球間の構造的非対称性が報告されています。 神経可塑性により、私たちは新しいことを学び、記憶し、新しい経験に適応することができます。 刺激などの環境的な経験も、ホルモンや遺伝子などの体内の出来事も、脳の可塑性に影響を及ぼします。 加齢も同様です。 私たちの脳が最も「可塑的」なのは幼少期であり、この時期に環境について最も多くを学びます。 大人の脳も神経可塑性を示しますが、子どもの脳よりもゆっくりと、またあまり広範囲に影響を受けません（Kolb & Whishaw, 2011）。 長期増強とシナプス可塑性では、シナプス結合と可塑性によって学習がどのように起こるかを説明します。

運動、視覚、聴覚など、いくつかの特定の身体機能の制御は、大脳皮質の特定領域で行われます。 これらの領域が損傷を受けると、対応する機能を実行する能力が失われる可能性が高い。 例えば、乳児が側頭葉の顔認識領域に損傷を受けた場合、おそらく顔を認識できなくなる（Farah, Rabinowitz, Quinn, & Liu, 2000）。 一方、脳は完全に硬直的に分割されているわけではありません。 脳の神経細胞は、生体の必要性に応じて、特定の機能を遂行するために自己を再編成し拡張し、損傷を修復する驚くべき能力を持っている。 その結果、脳は常に新しい神経伝達経路を作り出し、既存の経路を再配線しています。

Brain Maturation During Childhood

脳は3歳までに成人の重量の約75パーセントになります。 6歳までには、成人の体重の95％になる（Lenroot & Giedd, 2006）。 髄鞘形成と樹状突起の発達は大脳皮質で起こり続け、それに伴って、その子のできることが変化していくのがわかる。 前頭前野は、思考、戦略、注意や感情のコントロールを助ける額の後ろの脳の領域で、より大きな発達は、感情の爆発を抑制し、ゲームの遊び方を理解することをますます可能にする

図 3.4.4. 脳梁

半球と脳梁の成長

3～6歳の間に、脳の左半球は劇的に成長します。 この側の脳や半球は、通常、言語能力に関与しています。 右半球は幼児期を通じて成長を続け、形やパターンを認識するなど、空間的なスキルを必要とするタスクに関与しています。 脳梁は、脳の2つの半球をつなぐ繊維の密集した帯で、半球をつなぐ約2億本の神経繊維を含んでいる（Kolb & Whishaw, 2011）。

脳梁は、脳の長さを走る縦裂の数センチ下にあり、二つの大脳半球を分離している（Garrett, 2015）。 2つの大脳半球はそれぞれ異なる機能を担っているため、脳梁を通じて互いにコミュニケーションを取り、活動を統合している。 さらに、左目からの視覚情報が右半球に向けられるなど、入ってきた情報が一方の半球に向けられるため、脳梁はその情報をもう一方の半球と共有する。

脳梁は3～6歳の間に成長スパートを迎え、その結果、右半球と左半球のタスク間の調整が改善されるようになる。 例えば、他の人と比較して、6歳未満の子どもは、両手の動きを統合するために脳梁が十分に発達していないため、Etch A Sketchのおもちゃを調整するのが難しいことを示している（Kalat、2016）

思春期の脳の発達

人間の脳は、人が思春期に達するまでに完全に発達することはない。 10歳から25歳の間に、脳は行動にとって重要な意味を持つ変化を遂げる。 脳は6、7歳までに成人の90％の大きさに達する。 したがって、思春期に脳が大きくなることはあまりない。 しかし、脳の皺は10代後半まで複雑化し続ける。 この時期の脳の襞の最も大きな変化は、認知や感情の情報を処理する大脳皮質の部分で起こります。 脳の変化は、行動や精神過程の変化に直接影響します。 これらの問題のいくつかについて説明します。

図3.4.5. 脳は10代前半で最大の大きさになるが、20代になっても成熟し続ける

脳の変化

思春期まで、脳細胞は前頭部で開花を続けている。 脳の発達上最も重要な変化のいくつかは、意思決定や認知制御などの高次認知機能に関与する前頭前野で起こる。 思春期には、前頭前野の髄鞘形成とシナプスの刈り込みが進み、情報処理の効率が向上し、前頭前野と脳の他の領域との神経接続が強化される。 しかし、この成長には時間がかかり、成長にもムラがあります。

大脳辺縁系

大脳辺縁系は、前頭前野よりも何年も先に発達します。 大脳辺縁系の発達は、報酬と罰の決定、感情的な経験や社会的な情報の処理に不可欠な役割を担っている。 思春期ホルモンは扁桃体を直接標的とし、強力な感覚は説得力を持つようになる（Romeo, 2013）。 脳スキャンでは、前頭前野の接続と関与が限られているため、fMRI研究によって明らかになった認知制御が成人するまで十分に発達しないことが確認されています（Hartley & Somerville, 2015）。 この領域は判断、衝動制御、計画を担当し、成人期初期にまだ成熟していることを思い出してください（Casey, Tottenham, Liston, & Durston, 2005）

図3.4.6． 大脳辺縁系。

さらに、大脳辺縁系における神経伝達物質のドーパミンとセロトニンの両方のレベルの変化により、青年はより感情的になり、報酬やストレスに対してより敏感に反応するようになる。 ドーパミンは、快楽と意思決定時の環境への同調に関連する脳内の神経伝達物質である。 思春期には、大脳辺縁系のドーパミンレベルが上昇し、前頭前野へのドーパミンの入力が増加する。 思春期におけるドーパミンの活動の増加は、思春期のリスクテイキングや退屈に対する脆弱性に関係している可能性がある。 セロトニンは、気分と行動の調節に関与している。 セロトニンの脳への作用は様々である。 セロトニンは、「心を落ち着かせる化学物質」として知られ、緊張やストレスを和らげます。 また、セロトニンは、ドーパミンが生み出す興奮や、時には無謀な行動にブレーキをかけます。

前頭前野

前頭前野は、額のすぐ後ろにある前頭葉の一部で、しばしば「脳のCEO」、認知制御中枢と呼ばれる。 この脳領域は、認知分析、抽象的思考、社会的状況における「正しい」行動の抑制、適切な判断力、自己調整、未来志向を司っている。 前頭前野は、あらゆる感覚から情報を取り込み、特定の目標を達成するために思考と行動を組織化する（Casey, Jones, & Hare, 2008; Walsh, 2004）。 この領域は、11歳ごろから刈り込みと髄鞘形成のプロセスを開始し、25歳近くまで完成しない。 この脳の領域は、最後に成熟する領域の一つである。 この遅れが、思春期の子どもたちの行動を説明するのに役立っているかもしれません。 人間の前頭前野のいわゆる「実行機能」には次のようなものがある。

• 注意の集中
• 思考の整理と問題解決
• 行動の起こりうる結果を予測し評価する
• 将来を考慮し予測する
• 戦略の策定と計画
• 短期間のバランスを図る能力
• 状況の変化に応じて行動を変える/調整する
• 衝動制御と欲求充足の遅延
• 激しい感情の調節
• 抑制する 不適切な行動と適切な行動の開始
• 複雑で困難な情報に直面したとき、複数の情報の流れを同時に考慮する

図3.A.B.A.B.B.B.B.B.B.B.B.B.4.7. 脳の発達は20代前半まで続く。 特に前頭葉の発達はこの段階で重要である。

大脳辺縁系と前頭前野の発達時期の違いは、思春期にリスクを取ることが多くなる一因である。 青年期は、時に危険な行動から得られるスリルを求める動機づけがあるため、無謀な運転、喫煙、飲酒に手を染めやすく、衝動に抵抗したり潜在的なリスクに平等に注目したりする認知制御がまだ発達していない(Steinberg, 2008)。 思春期の発達に関する世界的な専門家の一人であるローレンス・スタインバーグは、このことを、ブレーキシステムが整備される前に強力なエンジンをかけてしまうことにたとえている。

脳領域の統合

MRI による脳の研究では、発達プロセスは脳内で背面から前面のパターンで起こる傾向があり、前頭前野が最後に発達する理由を説明している。 また、10代の若者は大人に比べて前頭葉の白質（ミエリン）が少ないのですが、年齢が上がるにつれてその量が増えることもわかっています。 ミエリンが増えることで、脳の重要な連結部が成長し、脳の領域間の情報の流れがよくなるのです。 また、思春期には、脳の右半球と左半球をつなぐ神経線維の束である脳梁で白質が増加することが、MRIの研究により明らかになっています。 この発達により、半球間のコミュニケーションが強化され、若者の人生で起こりうる複雑なジレンマに対応するために、分析的かつ創造的な戦略をフルに活用できるようになる(Giedd, 2004)。

要するに、青年期は脳に大きな変化が起こる時期なのである。 興味深いことに、主要な脳機能のうち2つは異なる速度で発達する。 脳研究によると、リスクからの報酬を認識する脳の部分、大脳辺縁系は、思春期初期にギアが上がる。 一方、衝動を制御し、長期的な視野を持つ前頭葉は、思春期以降に成熟する。 この遅れが、思春期半ばの10代の若者が、それ以上の年齢の若者よりもリスクを取る理由を説明しているのかもしれません。

前頭葉がより発達すると、2つのことが起こります。 第一に、十代の若者が原因と結果をよりよく評価できるようになるため、自制心が発達する。 第二に、脳のより多くの領域が感情の処理に関与するようになり、十代の若者は他人の感情を正確に解釈することが上手になります」

ビデオ 3.4.4. 思春期の脳の変化」では、思春期に起こる身体的な変化について説明しています。

教育神経科学

教育神経科学（または神経教育）は、神経科学、心理学、教育、およびテクノロジーの研究者が集まり、生物学的プロセスと教育の間の相互作用を探求する、新しい科学的分野です。 教育神経科学の研究者は、学習、記憶、注意、知能、動機づけなどのプロセスの神経メカニズムを研究しています。 また、失読症、計算障害、ADHDなど、教育に関連する困難な問題についても研究しています。 この分野の研究者は、認知神経科学の基礎的知見を教育工学と連携させ、数学や読書教育など特定の学問分野のカリキュラム実施に役立てることができます。 教育神経科学は、学習と教育に関する新しい学際的な説明を提供し、教育に情報を提供することができる基礎および応用研究を生み出すことを目的としています。 教育神経科学入門」では、神経科学が教育にどのように役立つかを論じ、教師や生徒が抱いている脳機能に関するいくつかの一般的な神話を払拭します。