Alai

Hjärnan under de två första åren

En del av de mest dramatiska fysiska förändringarna sker under de två första åren av hjärnans utveckling. Vi föds med de flesta av de hjärnceller som vi någonsin kommer att ha, det vill säga cirka 85 miljarder neuroner vars funktion är att lagra och överföra information (Huttenlocher & Dabholkar, 1997). Även om de flesta av hjärnans neuroner finns vid födseln är de inte helt mogna.

Figur 3.4.1. Forskning visar att spädbarn redan vid 4-6 månader använder liknande områden i hjärnan som vuxna för att bearbeta information. Bild från Deen et al., 2017.

Kommunikationen inom det centrala nervsystemet (CNS), som består av hjärnan och ryggmärgen, börjar med nervceller som kallas neuroner. Neuroner ansluter till andra neuroner via nätverk av nervfibrer som kallas axoner och dendriter. Varje neuron har vanligtvis en enda axon och många dendriter som är utspridda som grenar i ett träd (vissa säger att det ser ut som en hand med fingrar). Varje neurons axon sträcker sig mot andra neuroners dendriter i korsningar som kallas synapser, som är viktiga kommunikationslänkar i hjärnan. Axonerna och dendriterna rör inte vid varandra, i stället orsakar elektriska impulser i axonerna frisättning av kemikalier som kallas neurotransmittorer som överför information från den sändande neuronens axon till den mottagande neuronens dendriter.

Figur 3.4.2. Neuron.

Synaptogenes och synaptisk beskärning

Samtidigt som de flesta av hjärnans 100 till 200 miljarder neuroner finns vid födseln är de inte helt mogna. Varje nervbana bildar tusentals nya förbindelser under spädbarns- och småbarnsåren. Synaptogenes, eller bildandet av förbindelser mellan neuroner, fortsätter från den prenatala perioden och bildar tusentals nya förbindelser under spädbarns- och småbarnsåren. Under de kommande åren kommer dendriterna, eller förbindelserna mellan neuronerna, att genomgå en period av tillfällig överflöd eller tillfällig dramatisk tillväxt (överflödig eftersom den är så snabb och tillfällig eftersom en del av den är tillfällig). Det sker en sådan spridning av dessa dendriter under dessa tidiga år att en enda neuron vid två års ålder kan ha tusentals dendriter.

Efter denna dramatiska ökning kommer de neurala banor som inte används att elimineras genom en process som kallas synaptisk beskärning, där neurala kopplingar minskas och därmed gör de som används mycket starkare. Man tror att beskärningen gör att hjärnan fungerar mer effektivt, vilket gör det möjligt att behärska mer komplexa färdigheter (Hutchinson, 2011). Erfarenheten kommer att forma vilka av dessa kopplingar som bibehålls och vilka som går förlorade. I slutändan kommer cirka 40 procent av dessa förbindelser att gå förlorade (Webb, Monk och Nelson, 2001). Övergående överdrifter uppstår under de första levnadsåren, och beskärningen fortsätter under hela barndomen och in i tonåren i olika delar av hjärnan. Denna aktivitet sker främst i hjärnbarken eller det tunna yttre höljet av hjärnan som är involverad i frivillig aktivitet och tänkande.

Video 3.4.1. How Baby Brains Develop förklarar några av de förändringar i hjärnan som förväntas under de första levnadsåren.

Myelinisering

En annan viktig förändring som sker i det centrala nervsystemet är utvecklingen av myelin, en beläggning av fettvävnader runt nervcellens axon (Carlson, 2014). myelin hjälper till att isolera nervcellen och påskynda överföringshastigheten av impulser från en cell till en annan. Denna ökning förbättrar uppbyggnaden av nervbanor och förbättrar koordinationen och kontrollen av rörelser och tankeprocesser. Under spädbarnstiden fortskrider myeliniseringen snabbt och allt fler axoner får myelinskidor. Detta motsvarar utvecklingen av kognitiva och motoriska färdigheter, inklusive språkförståelse, taluppfattning, sensorisk bearbetning, krypning och gång. Myelinisering i hjärnans motoriska områden under den tidiga och mellersta barndomen leder till stora förbättringar av fin- och grovmotoriken. Myeliniseringen fortsätter under tonåren och det tidiga vuxenlivet, och även om den i stort sett är avslutad vid denna tidpunkt kan myelinskidor läggas till i områden med grå substans, t.ex. hjärnbarken, under hela livet.

Hjärnans strukturer

Vid födseln är hjärnan ungefär 25 procent av sin vuxenvikt, och vid två års ålder är den på 75 procent av sin vuxenvikt. Den största delen av den neurala aktiviteten sker i cortex eller det tunna yttre hölje av hjärnan som är involverat i frivillig aktivitet och tänkande. Hjärnbarken är uppdelad i två hemisfärer, och varje hemisfär är uppdelad i fyra lober, som var och en är åtskilda av veck som kallas klyftor. Om vi tittar på hjärnbarken från hjärnans framsida och rör oss över toppen ser vi först frontalloben (bakom pannan), som främst ansvarar för tänkande, planering, minne och omdöme. Efter frontalloben följer parietalloben, som sträcker sig från mitten till baksidan av skallen och som främst ansvarar för att bearbeta information om beröring. Därefter kommer occipitalloben, längst bak i skallen, som behandlar visuell information. Slutligen, framför occipitalloben, mellan öronen, finns temporalloben, som ansvarar för hörsel och språk.

Figur 3.4.3. Hjärnans lober.

Och även om hjärnan växer snabbt under spädbarnstiden mognar inte specifika hjärnområden i samma takt. Primära motoriska områden utvecklas tidigare än primära sensoriska områden, och den prefrontala cortexen, som ligger bakom pannan, är minst utvecklad. När den prefrontala cortexen mognar kan barnet i allt högre grad reglera eller kontrollera känslor, planera aktiviteter, lägga upp strategier och ha ett bättre omdöme. Denna mognad är inte helt genomförd under spädbarns- och småbarnsåren utan fortsätter under hela barndomen, tonåren och in i vuxenlivet.

Lateralisering

Lateralisering är den process där olika funktioner blir lokaliserade främst på den ena sidan av hjärnan. Hos de flesta vuxna är till exempel den vänstra hemisfären mer aktiv än den högra under språkproduktion, medan det omvända mönstret observeras under uppgifter som involverar visuospatiala förmågor (Springer & Deutsch, 1993). Denna process utvecklas med tiden, men strukturella asymmetrier mellan hemisfärerna har rapporterats även hos foster (Chi, Dooling, & Gilles, 1997; Kasprian et al., 2011) och spädbarn (Dubois et al., 2009).

Neuroplasticity

Slutligt hänvisar neuroplasticity till hjärnans förmåga att förändras, både fysiskt och kemiskt, för att öka dess anpassningsförmåga till förändringar i omgivningen och för att kompensera för skador. Neuroplasticitet gör det möjligt för oss att lära oss och komma ihåg nya saker och anpassa oss till nya erfarenheter. Både miljöerfarenheter, t.ex. stimulans, och händelser i en persons kropp, t.ex. hormoner och gener, påverkar hjärnans plasticitet. Det gör även åldern. Våra hjärnor är mest ”plastiska” när vi är små barn, eftersom det är under denna tid som vi lär oss mest om vår omgivning. Vuxna hjärnor uppvisar neuroplasticitet, men de påverkas långsammare och i mindre utsträckning än barns hjärnor (Kolb & Whishaw, 2011).

Video 3.4.2. Långtidspotentiering och synaptisk plasticitet förklarar hur inlärning sker genom synaptiska förbindelser och plasticitet.

Kontrollen av vissa specifika kroppsfunktioner, såsom rörelse, syn och hörsel, utförs i specificerade områden i hjärnbarken. Om dessa områden skadas kommer individen sannolikt att förlora förmågan att utföra motsvarande funktion. Om till exempel ett spädbarn drabbas av skador på områden för ansiktsigenkänning i tinningloben kommer han eller hon sannolikt aldrig att kunna känna igen ansikten (Farah, Rabinowitz, Quinn, & Liu, 2000). Å andra sidan är hjärnan inte uppdelad på ett helt stelbent sätt. Hjärnans neuroner har en anmärkningsvärd förmåga att omorganisera och utvidga sig själva för att utföra särskilda funktioner som svar på organismens behov och för att reparera skador. Som ett resultat av detta skapar hjärnan ständigt nya neurala kommunikationsvägar och omkopplar befintliga.

Hjärnans mognad under barndomen

Hjärnan är ungefär 75 procent av sin vuxenvikt vid tre års ålder. Vid sex års ålder är den på 95 procent av sin vuxenvikt (Lenroot & Giedd, 2006). Myeliniseringen och utvecklingen av dendriter fortsätter att ske i hjärnbarken, och när det sker ser vi en motsvarande förändring i vad barnet är kapabelt att göra. Större utveckling i den prefrontala cortexen, det område i hjärnan bakom pannan som hjälper oss att tänka, lägga upp strategier och kontrollera uppmärksamhet och känslor, gör det alltmer möjligt att hämma känsloutbrott och förstå hur man spelar spel.

Figur 3.4.4.4. Corpus Callosum.

Växt i hjärnhalvorna och Corpus Callosum

Mellan 3 och 6 års ålder växer den vänstra hjärnhalvan dramatiskt. Denna sida av hjärnan eller hemisfären är vanligtvis involverad i språkliga färdigheter. Den högra hemisfären fortsätter att växa under hela den tidiga barndomen och är involverad i uppgifter som kräver rumsliga färdigheter, t.ex. att känna igen former och mönster. Corpus callosum, ett tätt band av fibrer som förbinder de två hjärnhalvorna, innehåller cirka 200 miljoner nervfibrer som förbinder hjärnhalvorna (Kolb & Whishaw, 2011).

Corpus callosum ligger några centimeter nedanför den längsgående klyftan, som löper i hjärnans längd och skiljer de två hjärnhalvorna åt (Garrett, 2015). Eftersom de två hjärnhalvorna utför olika funktioner kommunicerar de med varandra och integrerar sina aktiviteter genom corpus callosum. Eftersom inkommande information är riktad mot den ena hemisfären, t.ex. visuell information från vänster öga som är riktad mot den högra hemisfären, delar corpus callosum dessutom denna information med den andra hemisfären.

Corpus callosum genomgår en tillväxtspurt mellan åldrarna 3 och 6 år, och detta resulterar i förbättrad koordination mellan högra och vänstra hemisfärens uppgifter. I jämförelse med andra individer uppvisar till exempel barn under 6 år svårigheter att samordna en Etch A Sketch-leksak eftersom deras corpus callosum inte är tillräckligt utvecklat för att integrera rörelserna från båda händerna (Kalat, 2016).

Hjärnans utveckling i tonåren

Den mänskliga hjärnan är inte fullt utvecklad när en person når puberteten. Mellan 10 och 25 års ålder genomgår hjärnan förändringar som har viktiga konsekvenser för beteendet. Hjärnan når 90 % av sin vuxenstorlek när en person är sex eller sju år gammal. Hjärnan växer alltså inte särskilt mycket i storlek under tonåren. Men hjärnans veck fortsätter att bli mer komplexa fram till de sena tonåren. De mest betydande förändringarna i hjärnans veck under denna tid sker i de delar av hjärnbarken som bearbetar kognitiv och emotionell information. Förändringar i hjärnan påverkar direkt förändringar i beteende och mentala processer. Vi kommer att diskutera några av dessa frågor.

Figur 3.4.5. Hjärnan når sin största storlek i början av tonåren men fortsätter att mogna långt in i 20-årsåldern.

Hjärnans förändringar

Upp till puberteten fortsätter hjärncellerna att blomma i frontalregionen. Några av de mest utvecklingsmässigt betydelsefulla förändringarna i hjärnan sker i den prefrontala cortexen, som är involverad i beslutsfattande och kognitiv kontroll samt andra högre kognitiva funktioner. Under tonåren ökar myeliniseringen och den synaptiska beskärningen i den prefrontala cortexen, vilket förbättrar effektiviteten i informationsbehandlingen, och de neurala kopplingarna mellan den prefrontala cortexen och andra regioner i hjärnan stärks. Denna tillväxt tar dock tid och tillväxten är ojämn.

Det limbiska systemet

Det limbiska systemet utvecklas flera år före den prefrontala cortexen. Utvecklingen i det limbiska systemet spelar en viktig roll när det gäller att bestämma belöningar och bestraffningar och bearbeta känslomässiga upplevelser och social information. Pubertetshormoner riktar sig direkt mot amygdala och kraftfulla förnimmelser blir tvingande (Romeo, 2013). Hjärnskanningar bekräftar att kognitiv kontroll, som avslöjas av fMRI-studier, inte är fullt utvecklad förrän i vuxen ålder eftersom den prefrontala cortexen är begränsad i anslutningar och engagemang (Hartley & Somerville, 2015). Minns att detta område är ansvarigt för omdöme, impulskontroll och planering och att det fortfarande mognar i tidig vuxen ålder (Casey, Tottenham, Liston, & Durston, 2005).

Figur 3.4.6. Det limbiska systemet.

Också förändringar i både nivåerna av neurotransmittorerna dopamin och serotonin i det limbiska systemet gör ungdomar mer emotionella och mer mottagliga för belöningar och stress. Dopamin är en neurotransmittor i hjärnan som förknippas med njutning och anpassning till omgivningen vid beslutsfattande. Under tonåren ökar dopaminnivåerna i det limbiska systemet och inflödet av dopamin till den prefrontala cortexen ökar. Den ökade dopaminaktiviteten i tonåren kan ha betydelse för ungdomars risktagande och sårbarhet för tristess. Serotonin är involverat i regleringen av humör och beteende. Det påverkar hjärnan på olika sätt. Serotonin är känt som den ”lugnande kemikalien” och lindrar spänningar och stress. Serotonin bromsar också den spänning och ibland hänsynslöshet som dopamin kan ge upphov till. Om det finns en defekt i serotoninbearbetningen i hjärnan kan impulsivt eller våldsamt beteende uppstå.

Den prefrontala cortex

Den prefrontala cortexen, den del av frontalloberna som ligger precis bakom pannan, kallas ofta för ”hjärnans VD”, det kognitiva kontrollcentret. Denna hjärnregion är ansvarig för kognitiv analys, abstrakt tänkande, moderering av ”korrekt” beteende i sociala situationer, förmågan att utöva gott omdöme, självreglering och framtidsorientering. Den prefrontala hjärnbarken tar in information från alla sinnen och iscensätter tankar och handlingar för att uppnå specifika mål (Casey, Jones, & Hare, 2008; Walsh, 2004). Runt 11 års ålder börjar denna region i hjärnan en utdragen process av beskärning och myelinisering och är inte färdig förrän nära 25 års ålder. Denna del av hjärnan är en av de sista som når mognad. Denna försening kan bidra till att förklara varför vissa ungdomar beter sig som de gör. De så kallade ”exekutiva funktionerna” i människans prefrontala cortex omfattar bland annat följande:

• Fokusera uppmärksamheten
• Organisera tankar och problemlösning
• Förutse och väga möjliga konsekvenser av ett beteende
• Konsidera framtiden och göra förutsägelser
• Förmåla strategier och planera
• Förmåga att balansera kort-belöningar på kort sikt med långsiktiga mål
• Förändra/justera beteende när situationer förändras
• Impulskontroll och fördröjning av tillfredsställelse
• Modulering av intensiva känslor
• Inhibitering av känslor
• Incitament. olämpligt beteende och initiera lämpligt beteende
• Simultant beaktande av flera informationsflöden när man ställs inför komplex och utmanande information

Figur 3.4.7. Hjärnans utveckling fortsätter i början av 20-talet. Särskilt frontallobens utveckling är viktig under detta skede.

Den olika tidpunkten för utvecklingen av det limbiska systemet och den prefrontala cortexen bidrar till ett större risktagande under tonåren. Eftersom ungdomar är motiverade att söka spänning som ibland kommer från riskfyllt beteende är de mer benägna att ägna sig åt vårdslös körning, rökning eller drickande, och de har ännu inte utvecklat den kognitiva kontrollen för att motstå impulser eller fokusera lika mycket på de potentiella riskerna (Steinberg, 2008). En av världens ledande experter på ungdomars utveckling, Laurence Steinberg, jämför detta med att sätta igång en kraftfull motor innan bromssystemet är på plats. Resultatet är att ungdomar är mer benägna till riskbeteenden än vad barn eller vuxna är.

Hjärnregionernas integration

MRI-studier av hjärnan visar att utvecklingsprocesser tenderar att ske i hjärnan i ett bakåt-till-framåt-mönster, vilket förklarar varför den prefrontala cortexen utvecklas sist. Dessa studier har också visat att tonåringar har mindre vit substans (myelin) i hjärnans frontallober jämfört med vuxna, men att denna mängd ökar när tonåringen blir äldre. Med mer myelin ökar tillväxten av viktiga hjärnförbindelser, vilket möjliggör ett bättre informationsflöde mellan hjärnans regioner. MRI-undersökningar har också visat att under tonåren ökar den vita substansen i corpus callosum, det knippe av nervfibrer som förbinder den högra och vänstra hjärnhalvan. Denna utveckling möjliggör en förbättrad kommunikation mellan hjärnhalvorna, vilket gör det möjligt att använda en hel rad analytiska och kreativa strategier för att bemöta de komplexa dilemman som kan uppstå i en ung människas liv (Giedd, 2004).

Sammanfattningsvis är ungdomsåren en tid av djupgående förändringar i hjärnan. Intressant nog utvecklas två av de primära hjärnfunktionerna i olika takt. Hjärnforskningen visar att den del av hjärnan som uppfattar belöningar från risker, det limbiska systemet, kommer igång i hög växel i de tidiga tonåren. Den del av hjärnan som kontrollerar impulser och har ett mer långsiktigt perspektiv, frontalloberna, mognar senare. Denna fördröjning kan förklara varför tonåringar i mitten av tonåren tar större risker än äldre tonåringar.

När frontalloberna blir mer utvecklade händer två saker. För det första utvecklas självkontrollen eftersom tonåringarna bättre kan bedöma orsak och verkan. För det andra blir fler områden i hjärnan involverade i bearbetningen av känslor, och tonåringar blir bättre på att korrekt tolka andras känslor.

Video 3.4.4.4. Brain Changes in Adolescence beskriver några av de fysiska förändringar som sker under tonåren.

Utbildningsneurovetenskap

Utbildningsneurovetenskap (eller neuropedagogik) är ett framväxande vetenskapligt område som sammanför forskare inom neurovetenskap, psykologi, pedagogik och till och med teknik för att utforska samspelet mellan biologiska processer och utbildning. Forskare inom pedagogisk neurovetenskap undersöker de neurala mekanismerna för processer som inlärning, minne, uppmärksamhet, intelligens och motivation. Deras forskning handlar också om svårigheter som dyslexi, dyskalkyli och ADHD i samband med utbildning. Forskare inom detta område kan koppla samman grundläggande rön inom kognitiv neurovetenskap med utbildningsteknik för att hjälpa till med genomförandet av läroplaner för specifika akademiska områden, t.ex. matematik och läsinlärning. Pedagogisk neurovetenskap syftar till att generera grundforskning och tillämpad forskning som kommer att ge en ny tvärvetenskaplig redogörelse för inlärning och undervisning, som kan informera utbildningen.

Video 3.4.5. Introduktion till pedagogisk neurovetenskap diskuterar hur neurovetenskap kan informera utbildningen och avlivar flera vanliga myter om hjärnans funktion som lärare och elever har.