Blakemore și Frith, cercetători la Centrul pentru Neuroștiință Educațională din Londra, descriu neurofiziologia dezvoltării creierului uman și teoriile conexe din neuroștiința educației pe care le-a generat. Unul dintre aspectele care susțin legătura dintre educație și neuroștiințe este capacitatea creierului de a învăța – cu ajutorul științelor ce studiază neuronii, putem înțelege mai bine etapele dezvoltării cerebrale și modul în care schimbările ce survin în cursul acestei dezvoltări se leagă de procesele învățării.

Majoritatea neuronilor sunt formați înainte de naștere, în timpul primului trimestru de sarcină (primele trei luni), creierul unui copil nou-născut având aproximativ același număr de neuroni cu al unui adult. Inițial, numărul neuronilor este mult mai mare decât ar fi nevoie pentru îndeplinirea funcțiilor vieții, doar cei care stabilesc conexiuni cu alți neuroni rămânând viabili. În primul an după naștere, creierul bebelușului trece printr-o etapă de dezvoltare extraordinară, în timpul căreia se formează extrem de multe conexiuni neuronale, multe dintre aceste conexiuni fiind eliminate ulterior printr-un proces ulterior de selecție sinaptică (în engleză, pruning), o etapă la fel de importantă în dezvoltare ca și cea a creșterii numărului de conexiuni neuronale (sinaptogeneză). La nivelul cortexului vizual și auditiv are loc de timpuriu o sinaptogeneză extinsă. Densitatea conexiunilor este de 150% din nivelul creierului adult între 4 și 12 luni, apoi conexiunile sunt selectate. Densitatea sinapselor în cortexul vizual ajunge la nivelul celei din creierul adult la copiii între 2 și 4 ani. În cazul altor arii corticale, cum ar fi cortexul prefrontal, răspunzător de planificare și interpretare, densitatea sinapselor crește mai lent, atingând maximul după vârsta de un an. Reducerea la nivelul celei a creierului adult durează 10 – 20 de ani, deci dezvoltarea cerebrală are loc, evident, și după adolescență. Metabolismul cerebral în primii ani de viață – consumul de glucoză, care este o măsură aproximativă a funcționării sinapselor – are valori peste cele ale adultului. Consumul de glucoză ajunge la 150% din nivelul adultului la vârsta de 4 – 5 ani. Pe la 10 ani, metabolismul cerebral atinge nivelul celui din creierul adult în majoritatea regiunilor corticale. Dezvoltarea cerebrală constă în succesiuni de sinaptogeneză, vârfuri de densitate, apoi rearanjarea sinapselor și stabilizare, etape care au loc în diferite momente, cu diferite viteze în diferite regiuni corticale. Există, deci, perioade diferite pentru dezvoltarea fiecărui tip de cunoaștere. Cercetarea neuroștiințifică a etapelor timpurii din dezvoltarea cerebrală și-a făcut cunoscute rezultatele instituțiilor guvernamentale responsabile de copiii sub trei ani în multe țări, inclusiv SUA și Marea Britanie, astfel că s-au formulat politici pentru îmbogățirea mediului în care cresc copiii din creșe și grădinițe, în scopul expunerii lor la stimuli și experiențe care ar putea să le solicite la maximum potențialul de învățare uriaș al creierului de copil.

Problema rămâne, deocamdată, comunicarea dintre neuroștiință și educație. Daniel Willingham afirmă că „neuroștiința servește, fără îndoială, teoriei și practicii educației” aducând ca argument faptul că cercetarea comportamentului nu a fost suficientă pentru a determina dacă dislexia în dezvoltare era o dereglare de origine vizuală sau fonologică. Cercetarea în imagistică neuronală a evidențiat, la copiii cu dislexie, activarea redusă a regiunilor cerebrale implicate în procesarea fonologică, aducând, astfel, argumente clare pentru susținerea teoriei fonologice a dislexiei.

Usha Goswami afirmă că neuroștiința dezvoltării cognitive a adus, deja, servicii educației, prin descoperirea markerilor neuronali ce pot fi folosiți în evaluarea dezvoltării. Cu ajutorul acestora, s-au sistematizat termenii structurii și funcționării neuronale, prin care se poate stabili și compara nivelul de dezvoltare a unui individ. De exemplu, cercetarea ERP a pus în evidență mai multe semnături neuronale ale procesării limbajului, incluzând markeri ai procesării semantice (cum este N400), ai procesării fonetice (de exemplu, negativitatea de nepotrivire – MMN) și ai procesării sintactice (ca P600).

ERP (event-related potențial = potențial determinat de eveniment), este orice răspuns stereotip electrofiziologic la un stimul extern sau intern. Mai simplu, este un răspuns măsurabil, direct, al creierului la o percepție sau la un gând. ERP se pot măsura cu ajutorul electroencefalografiei (EEG), procedeu care măsoară activitatea electrică a creierului înregistrată prin cutia craniană și scalp. EEG înregistrează un set de linii – undele cerebrale – care descriu activitatea cerebrală. Măsurarea diferențelor dintre undele cerebrale permite studiul activității cerebrale ca răspuns la stimuli.
O anumită parte a semnalului ERP, numită, uneori, componentă a ERP, a fost asociată cu procesarea informației semantice. N400, numită astfel deoarece este o fluctuație negativă de potențial care tinde să atingă maximul după 400 ms de la declanșarea stimulului, a fost observată prima dată ca răspuns la cuvinte care nu se potriveau semantic în context. În 1980, Kutas & Hillyard credeau că aceste cuvinte nepotrivite vor declanșa P300, o componentă pozitivă a ERP, legată de procesarea evenimentelor neașteptate (Duncan – Johnson & Donchin, 1977; Ruchkin, Sutton & Tueting, 1975). În schimb, au observat un potențial negativ de valoare mare. Cuvintele au provocat, într-adevăr, și P300, dar doar când erau neașteptat de mari. În concluzie, creierul face diferența dintre înțelesul cuvintelor. (Sursa: The Psychology of Learning and Motivation, vol. 51, Academic Press, 2009, p. 9)
MMN (mismatch negativity = negativitatea de nepotrivire) este o componentă a ERP la stimuli diferiți dintr-o succesiune de stimuli. Apare în activitatea electrică a creierului și este studiată în cadrul neuroștiinței cognitive și a psihologiei. Poate avea loc în orice sistem senzorial, dar a fost studiată mai ales în cadrul auzului și al văzului. În cazul stimulilor auditivi, MMN are loc după o schimbare ocazională într-o secvență repetitivă de sunete (uneori, întreaga secvență este numită oddball sequence = secvență neconvențională). De exemplu, un sunet deviant rar (d) poate fi strecurat într-o serie de sunete de frecvență standard (s) (tip s s s s s s s d s s s s s d s s s…) Sunetul deviant poate fi diferit de standard în mai multe moduri perceptibile, ca înălțimea, durata, tăria. MMN poate fi provocată indiferent dacă subiectul este sau nu atent – în timpul secvenței auditive, persoana poate să citească sau să urmărească un film subtitrat și să aibe o MMN. În cazul stimulilor vizuali, MMN are loc după o schimbare ocazională într-o secvență repetitivă de imagini.

Goswami arată că acești parametri pot fi acum investigați longitudinal la copii, anumite tipare ale schimbării putând indica anumite tulburări de dezvoltare. În plus, răspunsul acestor markeri neuronali la intervenții educative concentrate poate fi folosit ca măsură a eficienței intervenției. Cercetători ca Goswami afirmă că neuroștiința cognitivă are potențialul de a oferi educației numeroase posibilități extrem de intersante.

Investigația longitudinală este un studiu corelațional ce implică observarea repetată a acelorași variabile de-a lungul unor perioade lungi de timp, chiar decenii. Este un tip de studiu care se bazează pe observație. Conform Neil Carlson et al., Psychology the Science of Behaviour, Pearson Canada, USA, p. 361, investigațiile longitudinale se folosesc adesea în psihologie pentru a studia tendințele de dezvoltare de-a lungul vieții, precum și în sociologie, pentru a examina evenimente ce au loc în cursul unei vieți sau al unei generații. Spre deosebire de investigația transversală, în care sunt comparați indivizi diferiți care au aceleași caracteristici, studiile longitudinale urmăresc aceiași indivizi, diferențele observate la aceștia nefiind, deci, rezultatul diferențelor culturale de-a lungul generațiilor. Astfel, observarea schimbărilor se face cu acuratețe, studiile longitudinale fiind folosite în diferite alte domenii. În medicină, astfel de studii sunt proiectate pentru a depista semnele unei anumite boli. În publicitate, sunt folosite pentru a identifica schimbările pe care le produce o reclamă în comportamentul și în atitudinea publicului-țintă care o urmărește.

O aplicație a neuroimagisticii, evidențiată de Goswami, este posibilitatea de a face diferența dintre dezvoltarea întârziată și dezvoltarea atipică în tulburările de învățare. De exemplu, imagistica neuronală a oferit răspunsul la întrebarea: un copil cu dislexie dezvoltă capacitatea de a citi într-un mod total diferit de cei fără dislexie, sau o dezvoltă la fel, dar într-o perioadă mai lungă de timp? Rezultatele experimentale arată că la copiii cu tulburări de limbaj și cu dislexie dezvoltarea capacitatății lingvistice este doar întârziată, nu diferită în esență. În autism, dezvoltarea creierului poate fi diferită cantitativ – se manifestă lipsa dezvoltării în regiuni cerebrale asociate cu așa-numita teorie a minții.

Teoria minții se referă la capacitatea de a atribui sieși și altora stări mentale – convingeri, intenții, dorințe, cunoaștere – și de a înțelege că și alții au convingeri, dorințe și intenții diferite. Deși abordările par filosofice, teoria minții este diferită de filosofia minții.

Neuroimagistica poate fi folosită pentru a evalua impactul anumitor programe de antrenament cum este Dore, care se bazează pe ipoteza deficitului cerebelar și care a fost conceput pentru a îmbunătăți cititul printr-o serie de exerciții de echilibru. Anumite studii de imagistică au arătat recent că la copiii cu dislexie asupra cărora se intervine cu anumite metode educaționale, tiparele de activare cerebrală încep să semene cu cele ale copiilor fără dificultăți de citire și, în plus, că alte regiuni cerebrale acționează prin mecanisme compensatorii. Studiile EEG au arătat că bebelușii cu risc de dislexie (care au în familie membri dislexici) prezintă răspunsuri neuronale atipice la schimbări care survin în suntelele vorbite înainte de a fi capabili să înțeleagă conținutul semantic al limbajului.

În ultimii ani, a crescut mult interesul pentru cercetarea neuroștiințifică în procesarea limbajului la copii la nivel fonetic, al cuvintelor și propozițiilor. Se pot identifica substraturile neuronale pentru toate nivelele de limbaj în etapele timpurii ale dezvoltării. Au fost elucidate și modalitățile în care creierul își păstrează plasticitatea pentru procesarea limbajului. De asemenea, s-a demonstrat că una dintre cauzele care determină incapacitatea de a înțelege și folosi matematica este discalculia, o maladie genetică ce afectează 4-7% dintre copii. Înțelegerea dezvoltării tipice dar și atipice în domeniul matematicii este esențială pentru a configura un curriculum și pentru a-i susține pe cei care nu pot ține pasul. A fost identificat un sistem cerebral pentru procesarea simplă a numerelor, și s-au făcut câteva studii pentru a elucida etapele dezvoltării cerebrale la copii. Discalculia se datorează, conform rezultatelor experimentale, unui deficit în sistemul de reprezentare a numărului de obiecte într-un set și a modului în care operațiile cu seturi afectează numerele și sistemul neuronal care susține aceste capacități. Acest deficit fundamental afectează capacitatea elevului de a enumera seturi și de a le ordona după mărime, ceea ce face ca înțelegerea aritmeticii să fie extrem de dificilă. Studiile pe gemeni și pe familii arată că discalculia se moștenește iar anomaliile genetice, ca sindromul Turner, indică importanța genelor de pe cromozomul X.

Neuroștiințele contribuie la înțelegerea procesării matematice, permițând avansul pe terenul teoriilor cognitive. Cercetările au arătat că atât animalele și copiii mici cât și adulții au un „simț” înnăscut al numerelor, care permite cunoașterea elementară a numerelor și a relațiilor dintre ele. Zona cerebrală care prelucrează datele furnizate de acest „simț” se află în lobul parietal al fiecărei emisfere. Acest sistem parietal se activează la copii și la adulți atunci când aceștia realizează operații matematice obișnuite dar, în timpul dezvoltării, se specializează. La copiii cu discalculie, această regiune se activează mai puțin. Imagistica neuronală poate oferi, deci, informații vitale pentru studiul legăturii dintre funcțiile cognitive fundamentale și învățarea de nivel superior.

Pe lângă acest „simț” al numerelor, informația despre numere poate fi stocată verbal în sistemul limbajului, sistem care se dovedește a fi diferit calitativ, la nivel cerebral, de cel al simțului numerelor. Acest sistem stochează și informație despre alte secvențe verbale bine învățate – zilele săptămânii, lunile anului, chiar versuri, susținând procesul numărării și învățarea tablei înmulțirii. În timp ce multe probleme de aritmetică sunt atât de mult repetate încât ajung să fie stocate în sistemul verbal, problemele mai complexe necesită o formă de imagistică mentală vizual-spațială.

Interesul pentru abilitățile psihice și pentru rolul acestora în asigurarea succesului în viață a crescut simțitor. Conceptul de Inteligență Emoțională (EI) a devenit tot mai utilizat, ajungându-se chiar la a afirma că EI este mai important decât inteligența cognitivă și că poate fi îmbunătățit mai ușor. Astfel de afirmații încă mai au nevoie de multă susținere științifică, chiar dacă EI pare să influențeze succesul academic sau să conteze destul de mult în cazul grupurilor cu risc de eșec academic sau de excludere socială. În ciuda lipsei bazei științifice, se remarcă o orientare clară pentru promovarea competenței sociale și emoționale, a sănătății mentale și a stării psihologice de bine ale copiilor și tinerilor (cum este SEAL – Social and Emotional Aspects of Learning = aspecte sociale și emoționale ale învățării, proiect britanic derulat în 2005 și 2007).

A fost cercetată baza neuronală a recunoașterii emoționale la copiii obișnuiți, în diverse etape de dezvoltare. Totuși, același tip de cercetare și de neuroimagistică nu a fost întreprins la fel de intens la copiii atipici, care procesează emoțiile diferit. Mulți dintre acești copii atipici sunt băieți, fetele înregistrând rezultate mai bune la măsurarea EI și a modului de procesare a emoțiilor. În cazul interpretării expresiilor faciale, fetele au rezultate mai bune, probabil datorită gradului de maturare a creierului și a socializării. Lezarea zonelor prefrontale ale creierului la copii produce insensibilitate la socializare, la acceptare sau la respingere. Aceste arii corticale procesează emoții ca jena, compasiunea și invidia. Lezarea lor mai produce și afectarea capacității de decizie în lumea reală, susținând teza vâgotskiană conform căreia factorii sociali și culturali sunt esențiali în învățarea cognitivă și în decizii. Este necesar, deci, ca neuroștiințele să dialogheze cu perspectivele construcționiste în examinarea influenței pe care o au emoțiile asupra învățării transferabile. Mai sunt multe necunoscute în procesul dezvoltării conștienței și a empatiei. Conștiența emoțională poate fi măsurată cu ajutorul neuroimagisticii, care evidențiază faptul că diversele nivele de conștiență emoțională sunt asociate cu diferite nivele de activitate ale nucleilor amigdalieni, ale cortexului insular anterior și ale cortexului medial prefrontal. Studierea dezvoltării creierului la copii și la adolescenți arată că aceste zone suferă schimbări structurale foarte mari. Gradul de conștientizare a propriilor emoții la copiii de vârstă școlară și la adolescenți variază mult, ceea ce poate avea o influență majoră asupra comportamentului în colectiv, inclusiv asupra receptivității la stilurile de predare și la programă.

Cercetătorii de la Centrul pentru Neuroștiința Educației din Londra au dezvoltat un proiect de investigare a modului în care se dezvoltă percepția socială la nivel cerebral. De remarcat abordarea cercetătoarei Sarah-Jayne Blakemore, coautor al lucrării The Learning Brain (Creierul care învață), care a publicat rezultate ce sugerează că activitatea cerebrală în regiunile asociate cu procesarea emoțională înregistrează schimbări funcționale semnificative în timpul adolescenței.

Un alt proces examinat de neuroștiințe este atenția – totalitatea mecanimelor cerebrale care ne permit să ne concentrăm asupra unui anumit aspect al mediului senzorial, cu excluderea relativă a celorlalte. Atenția modulează procesarea senzorială într-o manieră numită „în cascadă”. Menținerea atenției selective asupra unui anumit subiect sau a unei anumite persoane pentru o perioadă lungă de timp este o sarcină-cheie în activitatea educațională. Atenția este acea capacitate cognitivă fundamentală afectată în cazul tulburărilor de tip ADHD, care se manifestă prin dificultăți la îndeplinirea unei sarcini sau la remarcarea detaliilor. Din perspectiva neuroștiințelor fundamentale, atenția este, se pare, una dintre funcțiile cerebrale umane care răspund cel mai bine la intervenția și antrenamentul timpurii. Din perspectiva neuroconstructivistă, atenția este un mecanism vital prin care copilul poate selecta anumite aspecte ale mediului pentru a continua învățarea. Funcțiile executive includ mai multe capacități: de a inhiba informațiile sau răspunsurile nedorite, de a planifica o secvență de etape mentale sau acțiuni și de a reține pentru perioade scurte informații variabile și relevante referitoare la sarcina urmărită (memoria de lucru). Ca și atenția, capacitățile funcției executive oferă o platformă absolut necesară pentru achiziția de cunoaștere specifică unui anumit domeniu în context educațional. Studii recente au arătat că antrenarea capacităților de execuție la vârsta preșcolară poate preveni insuccesul în ciclul primar de învățământ. Neuroștiințele fundamentale au indentificat structurile cerebrale primare și circuitele implicate în execuție, printre care se află și cortexul prefrontal la adulți. Mai este, însă, de muncă la descrierea și înțelegerea dezvoltarea acestor circuite, a bazelor genetice și neuronale ale diferențelor individuale în funcția de execuție.