Inleiding tot het boek Educational Neuroscience - Chapter 1

Onderwijskundige neurowetenschappen

Het doel van dit boek is om drie afzonderlijke disciplines (onderwijs, psychologie en neurowetenschappen) samen te brengen tot één discipline: onderwijskundige neurowetenschappen. Deze nieuwe discipline richt zich op het bevorderen van beter leren. De reden voor het ontwikkelen van deze discipline is dat er nu inzicht is in de manier waarop leren het brein (re)organiseert, maar dat er nog weinig onderzoek is gedaan dat een invloed heeft gehad op het onderwijs.

Drie disciplines

Het doel van de onderwijskundige neurowetenschappen is om te ontdekken hoe leerlingen geholpen kunnen worden bij het verwerkelijken van hun leerpotentie en om leren effectiever te maken. In de praktijk wordt antwoord gezocht op de volgende twee vragen:

• Wat zijn de bronnen van individuele verschillen in leren?
• Wat zijn de optimale contexten voor de leerling?

De ontwikkeling van de onderwijskundige neurowetenschappen bestaat uit drie fasen.

Fase 1: Onderwijs en psychologie

In de eerste fase werken de onderwijskunde en psychologie samen. De psychologie wees op twee belangrijke bronnen van individuele verschillen in leren:

• Verschillen in intrinsieke cognitieve capaciteit
• Ervaring, zoals verschillen in de thuisomgeving

Fase 2: Psychologie en neurowetenschappen

De tweede fase wordt gekenmerkt door de samenwerking tussen de neurowetenschappen en de cognitieve, affectieve en ontwikkelingstakken van de psychologie. Een belangrijke impuls voor het meest relevante aspect van de neurowetenschappen voor het onderwijs, de cognitieve neurowetenschappen, kwam met de beschikbaarheid van in vivo imaging van neurale processen. Neuroimaging heeft belangrijke aspecten van domeinalgemene cognitieve processen onthuld, zoals de neurale basis van het werkgeheugen. Ook andere domeinalgemene capaciteiten die bijdragen aan individuele verschillen, zoals aandacht en doelgericht gedrag, worden beter begrepen door neuroimaging onderzoek. Er is ook vooruitgang geboekt op het gebied van curriculumrelevante cognitieve capaciteiten. Zo heeft neuroimaging geholpen bij het ontdekken van het leesnetwerk in het brein.

Fase 3: Het ontstaan van de onderwijskundige neurowetenschappen

We bevinden ons momenteel in fase 3: het zoeken naar manieren om informatie vanuit de neurowetenschappen toe te passen in het onderwijs om het leren te verbeteren. Iedere discipline heeft eigen methodes, waardoor de disciplines niet gemakkelijk met elkaar verenigd kunnen worden. Desondanks is het mogelijk en noodzakelijk dat iedere discipline de bevindingen van de andere disciplines test. Dit wordt ook wel methodologische interoperabiliteit genoemd.

Wat is neuroimaging en welke technieken hiervoor bestaan er? - Chapter 2

Inleiding

In de afgelopen tien jaar is er een aanzienlijke toename geweest in het gebruik van neuroimaging bij het bestuderen van de ontwikkeling van de hersenstructuur en hersenfuncties bij normaal en afwijkend ontwikkelende populaties, vanaf de babytijd tot en met de adolescentie. In dit hoofdstuk worden de drie neuroimaging technieken besproken, die momenteel het meest worden gebruikt bij kinderen.

EEG en ERP

Elektro-encefalografie (EEG) en event-related potential (ERP) worden gebruikt bij het bestuderen van hersenactiviteit gerelateerd aan sensorische, cognitieve en aandachtsprocessen. EEG’s en ERP’s zijn relatief goedkoop. Het is momenteel de meest praktische neuroimaging techniek voor het onderzoeken van ontwikkelingsveranderingen in hersenactiviteit bij jonge kinderen, die niet gemakkelijk onderzocht kunnen worden met andere neuroimaging methoden.

Principes van EEG en ERP

Hersengebieden communiceren met elkaar door signalen tussen neuronen te zenden. Als grote groepen neuronen tegelijkertijd afvuren, zorgen ze voor elektrische activiteit. Deze activiteit kan worden gemeten door electroden (kleine metalen sensoren) op verschillende plekken op de schedel te plaatsen. EEG wordt vaak gekenmerkt als een functie van frequentie, gemeten in cycli per seconde of hertz (Hz). De meeste hersenactiviteit van volwassenen ligt tussen 1 en 100 Hz. Tragere hersengolffrequenties (1-13 Hz) zijn gerelateerd aan slaap of ontspanning, terwijl frequenties tussen 13 en 100 Hz worden geassocieerd met alertheid en mentale functies, zoals aandacht of probleemoplossing. Terwijl EEG voortdurende hersenactiviteit meet, meten ERP’s de gemiddelde hersenactiviteit in reactie op specifieke stimuli. ERP’s worden gekenmerkt door een aantal positieve en negatieve golfvormen.

De plaatsing van elektroden

Het 10-20 internationale systeem voor het standaardiseren van elektrodeplaatsing is eind jaren 1950 ontwikkeld. Dit systeem was gebaseerd op relatieve metingen tussen elektrodeplekken en bepaalde punten op het hoofd (de neusbrug en het uitstekende stuk aan de achterkant van het hoofd). De hoeveelheid tijd die nodig is voor het plaatsen van de electroden hangt af van het aantal elektroden en het type systeem. Het ideale aantal elektroden hangt af van de onderzoeksvragen. De meeste huidige systemen gebruiken een elastische muts. Gel of saline-oplossing wordt gebruikt voor het maken van de verbinding tussen de elektroden en de schedel.

EEG

EEG wordt gemeten als het verschil in voltage tussen twee elektroden. Omdat de signalen die door hersenactiviteit gegenereerd worden zeer klein zijn, moeten ze 10.000 tot 50.000 keer versterkt worden om gemeten te kunnen worden. De voltageverschillen worden gemeten op regelmatige intervallen. De meeste moderne systemen kunnen de hersenactiviteit iedere 0.5-2 milliseconden) meten. Om elektrisch lawaai te elimineren dat niet gerelateerd is aan hersenactiviteit, worden tijdens het meten ook vaak hoge en lage filters toegepast. Filters worden beschreven op basis van de frequenties ze toelaten bij de meting: hoge filters worden gebruikt om besmetting van het signaal door lage-frequentie bijproducten te elimineren, zoals beweging. Lage filters elimineren hoge-frequentie lawaai, veroorzaakt door externe factoren, zoals elektrische apparatuur. ‘Bandpass’ filters combineren de werking van hoge en lage filters. Het is belangrijk om op te merken dat filteren bepaalde frequenties permanent elimineert. Filteren kan de EEG en ERP’s verstoren. Daarom wordt aanbevolen om te meten met een zo breed mogelijke ‘bandpass’ instelling.

ERP signaal gemiddelde

In tegenstelling tot EEG’s reflecteren ERP’s veranderingen in hersenactiviteit in een bepaalde periode van activiteit die is opgewekt door specifieke stimuli, zoals plaatjes van bekende versus onbekende gezichten. ERP’s worden gecreëerd door het berekenen van het gemiddelde van perioden van EEG. Hierbij worden de EEG data opgedeeld in tijdsperioden, die gekoppeld worden aan de aanbieding van bepaalde soorten stimuli en experimentele condities. De lengte van de periode omvat een prestimulus interval voor een baseline en een specifieke hoeveelheid tijd na de aanbieding van de stimulus. Het bepalen van de duur van de periode hangt af van het cognitieve proces dat wordt gemeten en de leeftijd van de participant. Sensorische processen vinden eerder plaats dan hogere cognitieve processen en jonge kinderen hebben tragere hersenreacties dan volwassenen. Een beperking van deze techniek voor het gebruik bij kinderen, is dat het gevoelig is voor beweging. Door het gemiddelde te berekenen van een groot aantal EEG perioden, kan de invloed van bijproducten worden verkleind. Echter, ERP’s kunnen verstoord worden door grote bijproducten en vooral door bijproducten die samenhangen met de stimulus, bijvoorbeeld wanneer de participant iedere keer met zijn/haar ogen knippert bij het horen van een geluid. Er zijn meerdere manieren om bijproducten te elimineren. Een traditionele methode is het elimineren van alle trials die besmet zijn met het bijproduct. Een andere manier is het modelleren van het bijproduct en het corrigeren van het gemiddelde door het gemodelleerde signaal ervan af te trekken.

ERP componenten

Hieronder wordt beschreven hoe ERP wetenschappers hersengolven tonen, meten en interpreteren. ERP’s worden geïllustreerd als een reeks positieve en negatieve afbuigingen in voltage over de tijd heen. De Y-as toont de sterkte in microvolt en de X-as toont de tijd in ms. Negatieve voltages kunnen zowel onder als boven de X-as worden geplaatst. Fluctuaties in voltage die gerelateerd zijn aan sensorische en psychologische processen worden ERP componenten genoemd. ERP componenten worden vernoemd naar hun polariteit (P voor positief; N voor negatief) en pieklatency (de tijd waarop een component het hoogste of laagste punt bereikt). Een negatieve component die rond 400 ms zijn piek bereikt, wordt bijvoorbeeld N400 genoemd. Daarnaast worden componenten vaak vernoemd naar de volgorde waarin ze voorkomen in de golfvorm. De eerste positieve component wordt dan bijvoorbeeld P1 genoemd. Metingen van ERP componenten reflecteren vaak het volgende:

• Latency: de tijd in ms waarin de maximum activiteit voorkomt

• Piek of gemiddelde sterkte: de maximale of gemiddelde activiteit in microvolt in een bepaald tijdsbestek

• Verdeling van de activiteit over de schedel: de plaats waar de activiteit wordt geobserveerd

Latency

ERP latencies geven informatie over de timing van verschillende cognitieve processen. Langere latencies reflecteren een tragere verwerking. Als vuistregel geldt dat sensorische processen worden geassocieerd met pieken binnen de eerste 200 ms na aanvang van de stimulus, terwijl hogere cognitieve processen samenhangen met langere latencies. Vergelijkingen tussen ERP’s van verschillende experimentele condities kunnen informatie geven over het tijdsverloop van verschillende cognitieve gebeurtenissen.

Sterkte

ERP sterkte geeft informatie over de relatieve hoeveelheid neurale activiteit die wordt opgewekt door verschillende experimentele condities. Over het algemeen reflecteren grotere sterktes meer neurale activiteit.

Verdeling

Verdeling verwijst naar het gebied waar een ERP component geobserveerd wordt of het grootst is. In bepaalde mate reflecteert de verdeling van ERP componenten de fysiologische bron. Cognitieve gebeurtenissen die ERPS opwekken, die verschillen in latency en verdeling, worden vaak geïnterpreteerd als reflectie van niet-identieke hersensystemen. Het is zeer belangrijk om patronen van ERP verdeling niet te verwarren met de locatie van generatoren in het brein. Een linker anterieure verdeling betekent bijvoorbeed dat de ERP sterkteverschillen worden geobserveerd op elektrodeplekken op het linker frontale gebied. Dit betekent niet dat de bron van deze activiteit zich bevindt in het linker frontale hersengebied. De verdeling van ERP componenten kan zelfs aanzienlijk verschillen van de onderliggende bron.

ERP’s en ontwikkeling

De afgelopen dertig jaar zijn elektrofysiologische methoden veel populairder geworden voor het bestuderen van ontwikkelingsvragen. Vroege ERP studies richtten zich vaak op de ERP componenten en of ERP componenten bij volwassenen ook opgewekt konden worden bij kinderen. Recentelijk wordt ERP ook ingezet voor het beantwoorden van gedetailleerde vragen over het brein en de cognitieve ontwikkeling. ERP wordt gebruikt voor het bestuderen van verschillende aspecten van ontwikkeling op verschillende gebieden. Het is belangrijk om in het achterhoofd te houden dat er grote veranderingen zijn in de timing en morfologie van ERP’s in de babyperiode, jeugd, adolescentie en zelfs volwassenheid. Er is voorzichtigheid geboden bij de interpretatie van de functionele betekenis van een ERP effect op verschillende momenten in de ontwikkeling. Het is onbekend of ERP componenten bij baby’s en volwassenen functioneel gelijkwaardig zijn. Daarnaast is het onduidelijk of bepaalde componenten in de babyperiode samenhangen met componenten bij kinderen en volwassenen.

Sterke en zwakke punten van ERP bij ontwikkelingsgroepen

ERP heeft in vergelijking met gedragsbenaderingen een aantal voordelen voor het bestuderen van ontwikkelingsvragen:

• Voor ERP is geen openlijke respons nodig. Bij gedragsstudies moet het kind vaak een handeling uitvoeren, zoals een plaatje aanwijzen. De bereidheid van een kind om dit te doen, kan worden beïnvloed door factoren die niet gerelateerd zijn aan taakcompetentie. ERP meet hersenactiviteit die gekoppeld is aan specifieke cognitieve processen, zonder dat het kind iets hoeft te doen.

• ERP is geschikt voor het bestuderen van begrip, onafhankelijk van productie. Kinderen begrijpen vaak meer dan ze kunnen produceren.

• ERP biedt een online meting van cognitieve verwerking, terwijl gedragsmetingen vaak het eindresultaat van cognitieve verwerking meten.

• ERP kan gebruikt worden voor het vergelijken van veranderingen in hersenactiviteit gedurende de levensloop door middel van dezelfde afhankelijke metingen. Gedragsmetingen om cognitie bij kinderen te testen, kunnen voor een beperkte periode bruikbaar zijn.

• ERP heeft een goede tijdsresolutie. Huidige ERP systemen kunnen hersenactiviteit in een fractie van een milliseconde meten. Het vergelijken van latencies van ERP componenten die opgewekt worden door verschillende experimentele condities biedt precieze informatie voer de timing van verschillende cognitieve gebeurtenissen.

• ERP kan informatie geven over het brein die niet gemeten kan worden door gedrag of andere cognitieve neurowetenschappelijke technieken.

ERP heeft echter ook enkele beperkingen:

• ERP kent een beperkte ruimtelijke resolutie. Door volumegeleiding kan neurale activiteit door hersenweefsel reizen en op verschillende plekken worden gemeten. Er zijn computerprogramma’s voor het lokaliseren van de bron van ERP componenten, maar deze techniek kan controversieel zijn.

• Het precieze verband tussen de fysiologische bron van de hersenactiviteit en de resulterende oppervlaktepotentialen wordt niet volledig begrepen. De functionele betekenis van verschillen in ERP sterkte, latency en verdeling is niet transparant en kan verkeerd worden geïnterpreteerd.

NIRS

Near-infrared spectroscopy (NIRS) wordt gebruikt voor het in kaart brengen van hemodynamische reacties, zoals veranderingen in doorbloeding en volume, die samenhangen met neurale activiteit. NIRS is geschikt voor het gebruik bij baby’s, omdat het niet noodzakelijk is dat het kind stil ligt.

Principes van NIRS

Als neuronen vuren, leidt dit tot veranderingen in zuurstof- en glucoseconsumptie, de lokale cerebrale doorbloeding en bloedvolume. Een typische hemodynamische reactie op corticale neuronale activering bij volwassenen leidt tot een toename in hemoglobine (de proteïne in rode bloedcellen die zuurstof vervoert en ijzer bevat). Deze verandering in lokale hemoglobineconcentraties is de basis van NIRS. Biologisch weefsel is relatief transparant voor licht nabij het infrarode deel van het spectrum, waardoor een aantal centimeters van het weefsel verlicht kan worden.

Bij een basaal NIRS experiment zorgt een stimulus voor neuronale activering, wat leidt tot een toename van hemoglobine. De sterkte en timing van deze reactie wordt de hemodynamische responsfunctie (HRF) genoemd. De vorm van dit signaal kan variëren op basis van de stimuli en de onderliggende neurale activiteit. Een groot voordeel van functionele NIRS (fNIRS) in vergelijking met EEG is dat het minder gevoelig is voor dataverstoring door bewegingsartefacten. De ruimtelijke resolutie is beter. In vergelijking met fMRI heeft fNIRS een veel betere tijdelijke resolutie. Echter, de tijdelijke resolutie van fNIRS is lager dan die van EEG. De diepteresolutie is bovendien afhankelijk van de leeftijd van het kind. Daarnaast is de ruimtelijke resolutie lager da die van MRI en biedt de techniek geen gedetailleerde beelden van de anatomische structuur. Het is mogelijk om fNIRS en MRI te combineren voor het verkrijgen van meer inzicht in structuur-functie verbanden.

Ontwikkelingsstudies met NIRS

NIRS wordt in toenemende mate gebruikt voor het onderzoeken van functionele hersenactiviteit bij baby’s. In vroege fNIRS studies was het hoofddoel om de neurale reactie op basale stimuli in primaire corticale gebieden te detecteren, zoals de reactie op akoestische tonen in de auditieve cortex. Meer recentelijk ligt de focus echter op de activiteit in meerdere corticale gebieden in reactie op meer complexe stimuli. Er is vooruitgang geboekt in de implementatie van NIRS. Huidige richtingen voor de ontwikkeling van fNIRS technieken zijn:

• De verfijning van het hoofddeksel om beweging te verminderen.

• Nieuwe experimentele ontwerpen in verband met effecten van verveling, anticipatie en de synchronisatie van systemische/bioritmische reacties.

• Een betere karakterisering en interpretatie van hemodynamische reacties bij baby’s.

• Co-registratie tussen de hemodynamische reactie die gemeten wordt op de oppervlakte van het hoofd en de onderliggende corticale anatomie.

MRI

Magnetic Resonance Imaging (MRI) is tegenwoordig de dominante medische imaging techniek. MRI heeft een aantal grote voordelen in vergelijking met andere imaging technieken:

• MRI is een non-invasieve en veilige techniek, waarbij sterke magnetische velden en non-ioniserende radiofrequentie energie worden gebruikt om een lichaamssignaal te genereren. Bij bijvoorbeeld CT of PET wordt gebruik gemaakt van ioniserende straling, wat schadelijk kan zijn voor de gezondheid.

• MRI is een flexibele en snelle imaging techniek.

MRI scanners bestaan uit vier basale componenten:

• De magneet.

• Drie magnetische gradiëntspoelen.

• De radiofrequentie zendspoel.

• De radiofrequentie ontvangerspoel.

MRI maakt gebruik van het feit dat de kern van het meest overvloedige element in het lichaam (waterstof) fungeert als een kleine magneet met een noord- en zuidpool. Door innovaties van Mansfield en Lauterbur in de jaren ’70 werd het mogelijk om magnetische resonantietechnieken te gebruiken om tweedimensionale beelden van objecten als het menselijk lichaam te maken. MRI kan verschillende eigenschappen van weefsel tonen. Er zijn drie soorten MR beelden die vaak worden gebruikt in neurowetenschappelijk en klinisch onderzoek: structurele MRI, functionele MRI en Diffusion Tensor Imaging (DTI).

Structurele MRI

Een structurele MRI scan geeft een beeld van het brein op één moment. Structurele MRI kan worden gebruikt om het volume, de vorm en de plaats van weefsel te meten. Het type structurele MRI bepaalt of een bepaald weefsel er donker of licht uit ziet. Bij bijvoorbeeld een T₁ MRI scan ziet grijze stof er grijs uit, witte stof wit en hersenvocht donker. Bij een T₂ MRI scan ziet witte stof er daarentegen donker uit, grijze stof grijs en hersenvocht licht.

Functionele MRI

Een functionele MRI (fMRI) scan reflecteert veranderingen in neuronale activiteit. fMRI kan worden gebruikt voor het meten en vergelijken van het patroon van functionele activering van hersengebieden bij bepaalde cognitieve taken. De meest gebruikte fMRI methode is gebaseerd op het ‘blood oxygenation level dependent (BOLD) signaal. Deze techniek gebruikt de verandering in de ratio van hemoglobine met en zonder zuurstof in het bloed als een indirecte meting van veranderingen in de locatie van neuronale activiteit.

Diffusion Tensor Imaging

Diffusion Tensor Imaging (DTI) wordt gebruikt om de locatie en oriëntatie van witte stof, zoals het corpus callosum, te achterhalen. DTI technieken maken gebruik van het feit dat watermoleculen willekeurig bewegen en dat water zich anders om witte en grijze stof heen verspreidt. Water kronkelt traag en in verschillende richtingen door grijze stof, maar beweegt zich sneller en meer in dezelfde richting in witte stof. MRI kan worden gebruikt om de verspreiding van watermoleculen te meten, en daarmee de locatie en oriëntatie van witte stof.

Uitdagingen bij MRI studies bij kinderen

MRI kent een aantal praktische problemen. Zo zijn er veel resources voor nodig, zowel in termen van kosten als in termen van de tijd en ervaring die nodig is bij het verwerken en analyseren van MRI data. Daarnaast kunnen sommige kinderen niet worden gescand, bijvoorbeeld omdat ze metaal in hun lichaam hebben (zoals een beugel), of omdat ze een afkeer hebben tegen de scanomgeving door bijvoorbeeld claustrofobie. Bovendien moeten kinderen in een MRI scanner vijf tot tien minuten stil liggen. Tevens moeten kinderen bij fMRI hun aandacht lang vasthouden. Leeftijdsverschillen in aandachtsniveau kunnen dan invloed hebben op patronen van hersenactiviteit.

Ontwikkelingsstudies met MRI

In de eerste levensjaren vinden er voortdurend structurele veranderingen in het brein plaats. In de eerste studies naar de hersenontwikkeling werd MRI gebruikt om de kwalitatieve veranderingen van grijze en witte stof in de eerste twee levensjaren te beschrijven. Meer recentelijk wordt MRI ook gebruikt voor kwantitatieve cross-sectionele en longitudinale studies naar de hersenontwikkeling. Deze veranderingen worden vaak gekwantificeerd in termen van hersengrootte, corticale dikte en volume van grijze en witte stof. Naarmate de grootte van het brein toeneemt, neemt de hoeveelheid grijze stof af en de hoeveelheid witte stof toe. Dit is het gevolg van myelineproliferatie: een proces dat de snelheid en efficiëntie van communicatie tussen hersengebieden bevordert.

Andere neuroimaging technieken

Een andere non-invasieve neuroimaging techniek die in toenemende mate wordt gebruikt bij ontwikkelingsstudies is MEG. Een invasieve neuroimaging techniek die wordt gebruikt bij volwassenen is PET.

Welke computermodellen met betrekking tot leren kunnen worden gebruikt binnen onderwijs? - Chapter 3

Inleiding

Dit hoofdstuk richt zich op de manier waarop computermodellen worden gebruikt om meer inzicht te krijgen in leren binnen het onderwijs. Het begrip ‘model’ verwijst naar een gesimplificeerde representatie en implementatie van een fenomeen, dat de centrale theoretische principes van de werking omvat. In het geval van computermodellen vindt de implementatie van het model plaats in de vorm van een computerprogramma. In de onderwijskundige neurowetenschappen worden computers op twee verschillende, maar aan elkaar gerelateerde manieren gebruikt als modelsystemen:

• Computers worden gebruikt om inzicht te krijgen in de cognitieve mechanismen die aan het leerproces ten grondslag liggen.

• Computers worden gebruikt als onderwijsmiddelen, die de leerkracht-leerling interactie modelleert. Deze middelen kunnen de vorm aannemen van intelligente tutorsystemen of adaptieve microwerelden.

Cognitieve modellen en computer onderwijsmiddelen zijn gerelateerd in de zin dat ze beide inzicht vereisen in de leerling en de manier waarop bepaalde ervaringen en soorten feedback kunnen bijdragen aan de kennis van de leerling. De twee gebruiken verschillen in het mikpunt: cognitieve modellen richten zich op het leerproces dat plaatsvindt in de leerling, terwijl onderwijsmiddelen zich richten op het gedrag van de leerkracht en op leerkracht-leerling interacties.

Computermodellen van cognitie

Cognitieve computermodellen hebben als doel om inzicht te krijgen in de cognitieve processen die ten grondslag liggen aan leren. Zulke modellen volgen de veranderingen in de informatieverwerking die plaatsvinden als een gedraging of vaardigheid wordt verworven. Modellen worden vaak geïmplementeerd als psychologisch beperkte computersimulaties, met leertaken als redeneren en taalvaardigheden. Tot nu toe richten modellen zich met name op hoe overgangen van het ene competentieniveau naar het volgende worden bereikt via ervaring en/of rijping. Modellen zijn bijvoorbeeld gebruikt om te onderzoeken in hoeverre baby’s beschikken over aangeboren kennis. Er kan onderscheid worden gemaakt tussen cognitieve ontwikkeling en onderwijs. Terwijl ontwikkeling reflecteert wat de leerling ontdekt door middel van interactie met zijn/haar natuurlijke fysieke en sociale omgeving, verwijst formeel onderwijs naar de verwerving van kennis en vaardigheden die gedurende vele generaties zijn opgedaan door een cultuur. Onderwijs biedt een uitgebreide, gestructureerde leeromgeving, die bijvoorbeeld kan leiden tot geletterdheid.

Algemene principes en doelen van computermodellen van leren

Een cognitief computermodel van het leerproces omvat meestal vier elementen:

• Computersysteem: een mechanisme dat informatie verwerft, opslaat en manipuleert.

• Representaties van informatie.

• Een leeralgoritme: een proces waardoor het systeem interne structuren aanpast om de prestatie op het probleem te verbeteren. Deze aanpassingen worden gebaseerd op feedback op de huidige prestatie.

• Een training set: correspondeert met het probleemdomein dat het model moet leren. Trainingsets kunnen extern verschaft worden door de modelbouwer. De modelbouwer kan echter ook een kunstmatige microwereld construeren, waarin het model een eigen trainingset genereert door eigen gedrag en daaropvolgende ervaringen in de kunstmatige microwereld. Modelbouwers testen het leersysteem soms op een generalisatie set, dat correspondeert met nieuwe problemen binnen het probleemdomein. Succes op een generalisatie set verzekert de modelbouwer ervan dat het model de algemene principes van het probleemdomein heeft geleerd in plaats van dat het slechts de individuele items in de trainingset heeft gememoriseerd.

Er zijn veel verschillende mogelijke computersystemen die gebruikt kunnen worden als modellen voor leren in het cognitieve systeem. Er kan onderscheid worden gemaakt tussen symbolische en subsymbolische modellen. Onderzoekers die gebruik maken van symbolische modellen stellen dat cognitie het best gekarakteriseerd kan worden als een op regels gebaseerd fysiek symboolsysteem. Volgens dit perspectief bestaat cognitieve ontwikkeling uit de constructie en aanpassing van mentale regels. Wetenschappers die subsymbolische modellen gebruiken, beschouwen cognitie daarentegen als een interactief dynamisch systeem. Symbolische systemen hebben een transparante werkwijze, maar het is vaak moeilijk om te achterhalen hoe systemen die volgens bepaalde regels werken nieuwe regels leren. Subsymbolische systemen zijn daarentegen goed in leren, maar hebben een minder transparante werkwijze. Hoe weet een onderzoeker of hij/zij een goed model van een bepaald cognitief proces heeft geconstrueerd? Het model moet gedragingen van mensen reproduceren. Een leermodel moet in staat zijn om de vaardigheden te leren die mensen kunnen leren en mag niet in staat zijn om de vaardigheden te leren die mensen niet kunnen leren. Daarnaast moet het model hetzelfde leertraject volgen, inclusief dezelfde soorten fouten die mensen tijdens het leerproces maken. De beoordeling van een model kan echter meer genuanceerd worden. Een model moet onderbouwd zijn door empirisch psychologisch bewijs. Het model mag geen onrealistische componenten of processen bevatten. Daarnaast moet het model blootgesteld worden aan dezelfde soorten leerervaringen waaraan kinderen worden blootgesteld. Tevens moet het model een leermechanisme bevatten, waarvan we denken dat het in het brein werkzaam zou kunnen zijn. Echter, een model moet noodzakelijkerwijs gesimplificeerd zijn. Een model is immers bedoeld om de centrale principes van het proces te omvatten in plaats van het systeem in ieder opzicht te kopiëren. Een cognitief model moet op basis van de volgende criteria worden beoordeeld:

1. Simuleert het model menselijk gedrag in het doeldomein?

2. Helpt het model verklaren waarom het menselijk gedrag plaatsvindt?

3. Is het model succesvol in het simuleren van het doelgedrag door centrale ontwerpprincipes (de onderliggende theorie) of door ontwerpsimplificaties? Als het model doelgedrag simuleert door middel van ontwerpprincipes, kan dit worden beschouwd als levensvatbaarheid van de theorie.

4. Verklaart het model een aantal gedragingen in plaats van slechts één gedraging?

5. Kan het model nieuwe gedragingen onder verschillende omstandigheden genereren?

Voorbeelden van symbolische en subsymbolische cognitieve modellen

Een veelgebruikt symbolisch model van cognitieve verwerking is ACT-R, dat staat voor ‘Adaptive Control of Thought – Rational’. Het systeem is bedoeld als overkoepelende cognitieve architectuur, die omvat hoe de gehele geest werkt. De centrale componenten van ACT-R zijn gebaseerd op verwerkingsverschillen in het brein, met name het verschil tussen het declaratieve geheugen (voor expliciete feiten en kennis) en het procedurele geheugen (voor impliciete kennis en vaardigheden). Aan ACT-R ligt het ‘als … dan’ principe ten grondslag. Als er sprake is van bepaalde omstandigheden, dan wordt een bepaalde gedraging geproduceerd. ACT-R wordt gebruikt om verschillende cognitieve processen te modelleren, waaronder het geheugen, aandacht en probleemoplossing. Een veelgebruikt subsymbolisch model van cognitieve verwerking is het kunstmatige neurale netwerk. Een belangrijke eigenschap van neurale systemen is dat ze adaptief zijn Veel van de kunstmatige neurale netwerk leeralgoritmes zijn gebaseerd op het Hebbiaanse leren: het principe dat ‘units that fire together should wire together’. Als twee eenheden op hetzelfde moment vuren, zijn ze waarschijnlijk beide betrokken bij dezelfde handeling. Daarom zou de verbinding tussen beide versterkt moeten worden, zodat ze elkaar aanmoedigen om te vuren als de eenheden gelijkwaardige input ontvangen. Kunstmatige neurale netwerken worden gebruikt om verschillende ontwikkelingsfenomenen te representeren, waaronder de redeneer- en taalontwikkeling bij kinderen. Daarnaast vergroten deze modellen het inzicht in de reden waarom kinderen van dezelfde leeftijd kunnen verschillen in vermogen, en de rol van genetische en omgevingsvariatie bij het veroorzaken van deze verschillen.

Neuroconstructivisme en onderwijs

Het neuroconstructivisme is een theoretische benadering die voortbouwt op het Piagetiaanse perspectief dat ontwikkeling correspondeert met de progressieve uitbreiding van de complexiteit van mentale representaties via ervaringsafhankelijke processen. Hierdoor wordt het mogelijk om nieuwe competenties te ontwikkelen op basis van eerdere, meer simpele competenties (constructivisme). Het neuroconstructivisme omvat ook theorieën van de functionele hersenontwikkeling. Deze benadering stelt dat de toename in representationele complexiteit in het brein gerealiseerd wordt door een progressieve uitbreiding van functionele corticale structuren. De vorming van een cognitieve theorie wordt door vijf principes van hersenfuncties beïnvloed:

1. Het brein gebruikt gedeeltelijke representaties van kennis. Gehele concepten worden zelden gebruikt. Er wordt enkel gebruik gemaakt van de dimensies van kennis die vereist zijn om bepaalde gedragingen mogelijk te maken die relevant zijn voor de huidige context.

2. Contextualisering: mechanismen handelen altijd in een context. Neuronen werken bijvoorbeeld in de context van een neuraal netwerk, het brein in de context van het lichaam, enzovoorts.

3. Timing: de timing van ontwikkelingsgebeurtenissen kan cruciaal zijn. Dezelfde gebeurtenis kan op verschillende momenten in de ontwikkeling verschillende gevolgen hebben.

4. Opkomende specialisatie: systemen worden met de ontwikkeling meer gespecialiseerd. De functie wordt afgestemd op ervaring.

5. Ontwikkelingsgebeurtenissen in het brein moeten worden geconstrueerd binnen het bredere raamwerk van evolutionaire ontwikkelingsbiologie.

De toekomst van cognitieve modellen in het onderwijs

Hoewel cognitieve modellen een belangrijke rol kan spelen bij het bevorderen van leer- en ontwikkelingstheorieën, zijn er een aantal redenen waarom deze benadering nog wat beperkt is met betrekking tot het onderwijs. Veel centrale fenomenen in het onderwijs zijn psychologisch zeer complex en hebben betrekking op onder andere de sociale context van de klas en de combinatie van kennis en motivatie. Huidige modellen zijn om meerdere redenen beperkt. Zo zijn modellen niet complex genoeg. Daarnaast richten ze zich op individuele cognitieve systemen, waardoor het moeilijk wordt om de dynamische leerkracht-leerling interactie te vangen. Toch kan men een beeld schetsen van de manier waarop cognitieve modellen in de toekomst zouden kunnen bijdragen aan het onderwijs. Het uiteindelijke doel is het optimaliseren van de timing, regimes en contexten van leren door middel van inzicht in mechanistische principes van de manier waarop het brein kennis verwerft, bestendigt en abstraheert. Daarnaast kunnen cognitieve modellen leiden tot een vergroting van het inzicht in de cognitieve mechanismen bij leerkrachten. Tot slot kunnen ze bijdragen aan meer inzicht in individuele verschillen in cognitieve processen.

Computers als onderwijssystemen

Iedere onderwijs-leeromgeving wordt gekenmerkt door een aantal eigenschappen die aanwezig moeten zijn om de leerling in de gelegenheid te stellen om te leren. Deze eigenschappen hebben tegenhangers in neurowetenschappelijke computermodellen, die in de volgende beschrijving tussen haakjes staan. Een onderwijs-leeromgeving moet een leeruitkomst (doelgedrag) specificeren, een assessmentmethode om te beoordelen of de leeruitkomst behaald is (generalisatie set = de test dat leren heeft plaatsgevonden) en een set van taakactiviteiten (trainingset), die de leerling moet uitvoeren om de uitkomst te bereiken. Iedere activiteit bestaat uit handelingen van de leerling (outputresponsen) om een doel (doelprobleem) te bereiken en betekenisvolle feedback (feedback) op de handelingen. De onderwijs-leeromgeving kan leerlingen ook toegang geven tot peer leerlingen (‘agents’). Deze eigenschappen spelen dus een rol bij zowel menselijke als digital leeromgevingen. Een voordeel van het construeren van een digitale onderwijs-leeromgeving is dat het proces vereist dat gespecificeerd wordt waaruit het model van leren bestaat. Het is mogelijk om een ‘conversationeel raamwerk’ te construeren. Dit is een expliciet model voor het beschrijven van het onderwijs-leerproces in het onderwijs. Figuur 3.5 op bladzijde 65 illustreert de verbanden tussen leerkracht, leerling en peer en met de omgeving (echt of virtueel). De iteraties tussen de conceptuele kennis van de leerkracht en leerling worden gemedieerd door representatievormen als taal, symbolen, diagrammen en dergelijke door middel van lezen, luisteren, kijken, discussiëren, enzovoorts. De leerkracht creëert een modelomgeving die de wereld representeert, zoals oefeningen en laboratoria, waarin de leerling zijn/haar praktijkrepertoire kan oefenen in de vorm van doelgerichte handelingen, feedback en herziene handelingen. Peer leren wordt gerepresenteerd in termen van discussies met peers over hun concepten en uitwisselingen van praktijkoutputs.

Intelligente tutorsystemen

Intelligente tutorsystemen gebruiken een symbolisch model en zijn afgeleid van theorieën van menselijke informatieverwerking. Een computermodel van cognitieve verwerking, zoals ACT-R, stelt een intelligent tutorsysteem in staat om conclusies te trekken over wat en hoe leerlingen leren. Het intelligente tutorsysteem bestaat uit drie componenten:

• Het leermodel: het netwerk van verklarende brokken en productieregels, dat reacties op het probleem genereert. Dit is de equivalent van het computersysteem in de neurowetenschappen en van het leerkrachtmodel van leren in het onderwijs.

• De diagnostiek van de behoeften van de leerling wordt uitgevoerd door het systeem dat het gedrag (leerlinghandelingen of outputreacties) van de leerling monitort en vergelijkt met het gedrag dat het model voorspelde, om af te leiden welke verklarende kennisbrokken en productieregels worden gebruikt.

• Leerkrachtfeedback voor het oplossen van de discrepanties tussen het daadwerkelijke en voorspelde gedrag.

Adaptieve microwereld

Een adaptieve microwereld heeft geen expliciet leermodel en is een meer subsymbolisch leermodel. Een microwereld is een interactief computermodel van een aspect van de wereld, met dezelfde beperkingen en aannames, waarin leerlingen de relevante concepten kunnen ervaren door het programma te gebruiken. Het is adaptief als het reageert op de leerling door het resultaat van hun handelingen in die wereld te tonen. Daarnaast is het adaptief als het ontworpen is om de moeilijkheidsgraad van de taak aan te passen aan de huidige prestatie van de leerling.

Het computermodel van pedagogiek

Een simpele modelomgeving is adaptief voor de handelingen van leerlingen, maar niet voor hun prestatieniveau. Een adaptieve microwereld combineert het taakmodel met regels voor het monitoren van de prestatie van de leerling en past de moeilijkheidsgraad van de volgende taak aan op de behoeften van de leerling. Zie figuur 3.6 op bladzijde 68 voor een illustratie van het verschil tussen een intelligent tutorsysteem en een adaptieve microwereld in het conversationele raamwerk. Het doel van aanpassing aan de prestatie van de leerling is om de leersituatie uitdagend te maken en om de leerling in de ‘zone van proximale ontwikkeling’ te houden.

Contrasterende perspectieven op feedback

Computermodellen in de neurowetenschappen en het onderwijs gebruiken soms dezelfde termen, maar de concepten achter deze termen zijn niet altijd gelijk. De term ‘feedback’ is hiervan een voorbeeld. In het onderwijs biedt de leerkracht twee vormen van feedback:

• Extrinsiek: de leerkracht interpreteert wat de leerling verteld moet worden om zijn/haar prestatie te verbeteren.

• Intrinsiek: de omgeving geeft informatie over het resultaat van hun handeling in relatie met hun doel.

Intelligente tutorsystemen trachten de rol van de leerkracht te automatiseren in het bieden van de juiste extrinsieke feedback, op basis van de handelingen van de leerling. Adaptieve microwerelden creëren een praktijkomgeving, die intrinsieke feedback geeft op de handelingen van de leerling. Vervolgens selecteert het systeem nieuwe taken op basis van het niveau van de leerling, waardoor de leerling in staat wordt gesteld om zijn/haar prestatie te verbeteren. Wat betreft kunstmatige neurale netwerken wordt onderscheid gemaakt tussen drie soorten feedback:

• Zelfgeorganiseerd leren: er wordt geen feedback gegeven.

• Gecontroleerd leren: er wordt zeer gedetailleerde feedback aan het leermechanisme gegeven om de prestatie te verbeteren. Voor een bepaalde input moet het mechanisme leren om een bepaalde reactie te geven. Door middel van herhaaldelijke blootstelling aan voorbeelden en gedetailleerde feedback verwerft het netwerk geleidelijk de vereiste kennis.

• Bekrachtiging leren: er wordt meer vage feedback gegeven. Dit type leermechanisme is minder geschikt voor het leren van gedetailleerde kennis. Omdat dit type leren gebeurt door middel van pogingen om het verschil tussen de verwachte en daadwerkelijke beloning te verkleinen, wordt het soms ‘voorspelling error leren’ genoemd.

Hoe heeft individuele genetische variatie invloed op de effectiviteit van onderwijs? - Chapter 4

Inleiding

Onderwijs is een duidelijk voorbeeld van een omgevingsinvloed op de ontwikkeling van een individu. Echter, gedragsgenetisch onderzoek toont aan dat omgevingsinvloeden interacteren met het unieke genetische profiel van een individu, wat leidt tot grote individuele verschillen in motivatie, leren, vermogen en prestaties. In dit hoofdstuk worden de methoden besproken die worden gebruikt in gedragsgenetisch onderzoek. Cognitieve, motivationele en gedragsmatige trekken worden fenotypen genoemd. Fenotypen zijn observeerbare, kwantificeerbare uitingen van onderliggende gen-omgeving processen. De grootste uitdaging van een moderne samenleving is het bieden van gelijkwaardige onderwijskansen aan iedereen. Als gevolg van universele beschikbaarheid van onderwijs wordt een groot deel van de individuele verschillen in onderwijsuitkomsten verklaard door genetische variatie. Verschillende mensen hebben verschillende benaderingen en hoeveelheden tijd nog om bepaalde resultaten te bereiken. Daarom wordt tegenwoordig geprobeerd om onderwijs te individualiseren. Echter, ondanks deze pogingen blijft er aanzienlijke variatie in alle aspecten van motivatie, vermogen en prestaties. Gedragsgenetisch onderzoek heeft aangetoond dat deze variatie het gevolg is van complexe interactie processen tussen variatie in DNA en variatie in omgeving.

Genetica

Ieder individu heeft een uniek genetisch profiel, dat bijdraagt aan het unieke fenotypische profiel. Het unieke genetische profiel omvat de unieke volgorde van de DNA code, het unieke patroon van genetische uiting en een uniek product van de gen-omgeving interactie. Evenals omgevingseffecten zijn genetische effecten niet deterministisch. Genen dragen bij aan uitkomsten door middel van complexe patronen van gen-omgeving interactie. Dezelfde genen kunnen in verschillende omgevingen verschillende effecten hebben. Een gen kan actief of inactief zijn en dit hangt af van meerdere factoren. Genetische factoren kunnen door omgevingen gemodereerd worden en vormen daardoor niet op zichzelf staand een verklaring voor complex gedrag. Dezelfde trek kan in de ene cultuur zeer erfelijk zijn en in de andere cultuur vooral afhangen van de omgeving. Genetische informatie over complexe trekken is probabilistisch. Met vooruitgangen in gedragsgenomisch onderzoek kan deze probabilistische informatie meer precies en nuttig worden. Genetische effecten zijn dynamisch: dezelfde genen kunnen in verschillende omgevingen en op verschillende momenten in de ontwikkeling op een andere manier tot uiting komen. Genen dragen bij aan zowel stabiliteit als verandering in vermogen en prestaties. Genetische effecten op vermogen nemen met de leeftijd toe. Het inzicht dat genetische effecten niet statisch zijn is van fundamenteel belang voor het onderwijs. Zie box 4.2 op bladzijde 79 tot en met 82 voor een begrippenlijst.

Genetica voor het onderwijs

Gedragsgenetica bestaan uit twee takken:

• Kwantitatieve genetica: tweeling-, adoptie- en andere familiestudies worden gebruikt om de relatieve bijdrage van genen en omgeving aan de variantie in treken en aan het verband tussen trekken te kwantificeren. Dergelijk onderzoek omvat grote representatieve steekproeven en gebruikt de nieuwste analytische en statistische methodologie.

• Moleculaire genetica: gericht op het identificeren van de daadwerkelijke genen die betrokken zijn bij variatie in trekken.

De kwantitatieve en moleculaire genetica leiden tot gedragsgenomisch onderzoek, wat gericht is op het verduidelijken van de complexe paden van ieder gen naar gedrag, inclusief de complexe interactie met omgevingsinvloeden.

Kwantitatieve genetica voor het onderwijs

Tweelingen worden beschreven als het ideale natuurlijke experiment. Het gebruik van zowel eeneiige (monozygote) als twee-eiige (dizygote) tweelingen maakt het mogelijk om de relatieve bijdrage van genetische en omgevingsfactoren aan trekken te bepalen. Het tweelingdesign kan eveneens worden gebruikt voor het volgende:

• Schattingen maken van genetische invloed (erfelijkheid) en onderscheid maken tussen gedeelde en unieke omgevingsinvloeden.

• Een perfect gecontroleerde broers/zussen-studie bieden voor moleculair genetisch onderzoek.

• Onderzoeken van omgevingsinvloeden, terwijl gecontroleerd wordt voor genetica.

• Onderzoeken van epgenetische verschillen, terwijl gecontroleerd wordt voor genetica. Epigenetische verschillen zijn verschillen in de manier waarop genen tot uiting komen, waarschijnlijk onder invloed van de omgeving.

• Onderzoeken van de interactie tussen genen en omgeving.

• Inzicht geven in de bijdrage van genetische en omgevingsfactoren aan heterogeniteit en comorbiditeit.

• Het volgen van genetische en omgevingsinvloeden gedurende de levensloop.

De relatieve bijdrage van genen en omgeving aan onderwijskundig relevante trekken

Tweelingonderzoek richt zich op de oorsprong van individuele verschillen door een schatting te maken van het deel van de variantie dat toegeschreven kan worden aan: genetische factoren, gedeelde omgevingsfactoren en unieke omgevingsfactoren.

Genetische factoren

Complexe trekken worden waarschijnlijk beïnvloed door meerdere factoren. In dat geval verwijst de genetische component van variantie (erfelijkheid) naar de invloed van allelen (genvariaties) op alle genloci (posities in de DNA volgorde), die invloed hebben op de trek. Genetische invloed kan worden geschat door het vergelijken van de correlaties voor monozygote en dizygote tweelingen. De fenotypische variantie van een trek kan worden toegeschreven aan genetische variantie in de mate dat de correlatie voor monozygote tweelingen groter is dan voor dizygote tweelingen. Erfelijkheid kan worden geschat als twee keer het verschil tussen de correlaties voor monozygote en dizygote tweelingen.

Gedeelde omgevingsfactoren

Gedeelde omgevingsfactoren zijn omgevingsinvloeden die in de populatie variëren, maar op dezelfde manier worden ervaren door tweelingen. Tweelingen hebben bijvoorbeeld dezelfde sociaal-economische status. Aangenomen wordt dat de correlatie voor gedeelde omgevingsinvloeden 1.0 is voor zowel monozygote als dizygote tweelingen die in hetzelfde gezin opgroeien, omdat zij dezelfde omgeving ervaren. Een gedeelde omgevingsinvloed wordt aangetoond wanneer de correlatie voor dizygote tweelingen significant meer is dan de helft van de monozygote correlatie.

Unieke omgevingsfactoren

Unieke omgevingsfactoren zijn aspecten van de omgevingsinvloeden die op een andere manier worden ervaren door de twee helften van een tweeling en die bijdragen aan fenotypische verschillen tussen hen. Het gaat hierbij bijvoorbeeld om trauma’s, andere vrienden of een andersoortige benadering door ouders en leerkrachten. Ook verschillende percepties van ervaringen behoren tot unieke omgevingsfactoren. De invloed van de unieke omgeving wordt geschat door de correlatie voor monozygote tweelingen af te trekken van de totale variantie.

Structural equation model fitting

‘Structural equation model fitting’ is een manier om een schatting te maken van de variantiecomponenten van een bepaalde trek of de covariantie tussen trekken op basis van de principes van de tweelingmethode. Het fundamentele kwantitatieve genetische model is het ACE-model. Dit model verdeelt de fenotypische variantie in genetische componenten (A), gedeelde omgevingscomponenten (C) en unieke omgevingscomponenten (E). De ACE parameters kunnen worden geschat door de modellen met behulp van het model-fitting programma Mx te passen op variantie/covariantie matrices.

Etiologie van sekseverschillen

Er zijn drie mogelijke oorzaken van sekseverschillen:

• Verschillende genetische en omgevingsfactoren zijn verantwoordelijk voor individuele verschillen in een trek bij jongens en meisjes. Dit worden kwalitatieve verschillen genoemd. Zulke sekse-specifieke effecten kunnen worden geassocieerd met de geslachtschromosomen. Sekseverschillen kunnen ook het gevolg zijn van genen op de autosomale chromosomen die jongens en meisjes op een andere manier beïnvloeden, bijvoorbeeld omdat de genen interacteren met geslachtshormonen.

• Dezelfde etiologische invloeden dragen bij aan individuele verschillen in jongens en meisjes, maar doen dat in een andere mate. Dit worden kwantitatieve verschillen genoemd. Bovengenoemde en deze mogelijke oorzaak van sekseverschillen sluiten elkaar niet uit.

• Er zijn geen verschillen in de etiologie van individuele verschillen voor jongens en meisjes: dezelfde genen en omgevingen hebben dezelfde invloed op zowel jongens als meisjes, zelfs als er verschillen zijn in gemiddeldes tussen jongens en meisjes.

Deze drie mogelijke oorzaken kunnen worden bestudeerd met behulp van ‘sex-limitation structural equation modeling’. Iedere mogelijkheid wordt geassocieerd met een set parameters in de sex-limitation modellen. Kwalitatieve verschillen worden aangetoond in de genetische verwantschap tussen dizygote tweelingen, bestaande uit een jongen en een meisje. Aangenomen wordt dat dizygote tweelingen van hetzelfde geslacht (tweelingen met twee jongens dan wel twee meisjes) gemiddeld 50% van hun DNA delen (genetische verwantschap van 0.5). De drie mogelijke oorzaken worden dan als volgt aangetoond:

• Als er sprake is van kwalitatieve verschillen, is de genetische verwantschap bij dizygote tweelingen met een jongen en een meisje minder dan 0.5.

• Als er sprake is van kwantitatieve verschillen, is de genetische verwantschap voor dizygote tweelingen met een jongen en een meisje 0.5, maar verschillen de parameterschattingen voor de A, C en E componenten significant tussen tweelingen met twee jongens en tweelingen met twee meisjes.

• Als er geen sprake is van kwalitatieve en kwantitatieve verschillen, is de genetische verwantschap voor dizygote tweelingen met een jongen en een meisje 0.5 en zijn de A, C en E schattingen hetzelfde voor tweelingen met twee jongens en met twee meisjes.

De meeste studies die deze methode hebben toegepast, hebben geen kwantitatieve of kwalitatieve verschillen gevonden in de etiologie van individuele verschillen in onderwijskundig relevante trekken voor jongens en meisjes, ondanks kleine gemiddelde verschillen.

De bijdrage van de leerkracht en de klas aan individuele variatie

Er is onderzoek gedaan naar de vraag of de leerkracht en de klas een bijdrage leveren aan individuele verschillen tussen leerlingen. Deze studies hebben scores op verschillende trekken vergeleken tussen tweelingen in dezelfde en in een andere klas. Uit het patroon van correlaties blijkt dat de scores bij tweelingen in dezelfde klas niet dichterbij elkaar liggen dan de scores van tweelingen die in een andere klas zitten. De conclusie die vaak uit deze bevindingen getrokken wordt, is at leerkrachten onbelangrijk zijn. Echter, de resultaten kunnen ook op een andere manier worden geïnterpreteerd. In een moderne samenleving hebben alle kinderen toegang tot kwalitatief goed onderwijs, dat wordt gekenmerkt door goede onderwijsmethoden en programma’s. Hierdoor worden de meeste kinderen in staat gesteld een bepaald niveau te bereiken, waarop verschillen grotendeels verklaard worden door genetische verschillen en unieke ervaringen. In een minder moderne samenleving is de invloed van de gedeelde onderwijsomgeving op motivatie en prestaties waarschijnlijk veel groter.

Conceptualisering van leerbeperkingen

Tweelingonderzoek wordt ook gebruikt om te bestuderen of leerbeperkingen categorisch anders zijn, of dat ze etiologisch gerelateerd zijn aan normale individuele variatie. Proband-concordantie (proband = een individu dat onder of boven de norm presteert) representeert het risico dat de andere helft van een tweeling ook beperkt is. Wanneer de concordantie groter is voor monozygote dan dizygote tweelingen duidt dit op genetische invloeden. Een andere statische methode die gebruikt kan worden, is de DF extremen analyse. Hierbij wordt gebruik gemaakt van een groepstweelingcorrelatie, omdat het zich richt op de gemiddelde kwantitatieve score op een trek van een tweeling in plaats van op individuele verschillen. Er zijn aanwijzingen voor genetische invloeden als de groepstweelingcorrelaties groter zijn voor monozygote dan voor dizygote tweelingen (als de gemiddelde gestandaardiseerde score voor tweelingen lager is voor monozygote dan dizygote tweelingen). De genetische bijdrage aan het gemiddelde fenotypische verschil tussen de probanden en de populatie kan worden geschat door het verschil tussen de groepstweelingcorrelaties voor monozygote en dizygote tweelingen te verdubbelen. De ratio tussen deze schatting en het fenotypische verschil tussen de probanden en de populatie wordt groepserfelijkheid genoemd. Groepserfelijkheid verwijst niet naar individuele verschillen tussen probanden. De vraag is niet waarom de ene proband beperkter is dan de andere, maar waarom de probanden als groep lagere scores hebben dan de rest van de populatie. Het concept groepserfelijkheid is gebaseerd op twee aannames:

• Beperking en vermogen zijn beide erfelijk.

• Er zijn genetische verbanden tussen een beperking en de normale variatie in het vermogen.

In de mate waarin dezelfde genen bijdragen aan leerbeperking en normale variatie in leervermogen, is er sprake van groepserfelijkheid. De grootte van de groepserfelijkheid hangt af van de individuele erfelijkheid voor normale variatie en de erfelijkheid van de beperking. Onderzoek dat gebruik heeft gemaakt van deze methode suggereert dat leerbeperkingen op hetzelfde etiologische continuüm liggen als vermogen.

Etiologie van de verbanden tussen vermogens en leeftijden

Multivariate genetische analyses onderzoeken genetische en omgevingsfactoren die verantwoordelijk zijn voor de fenotypische correlatie tussen twee trekken. Als dezelfde genen bijvoorbeeld invloed hebben op verschillende trekken (pleiotropie), is er sprake van genetische correlatie tussen de trekken. In tweelingonderzoek zijn multivariate genetische analyses gebaseerd op cross-trek tweelingcorrelaties: de score van de ene helft van de tweeling op variabele X wordt niet vergeleken met de score van de andere helft op variabele X, maar op variabele Y. De fenotypische covariantie tussen twee trekken wordt geheel of gedeeltelijk toegeschreven aan genetische overlap in de mate dat de cross-trek tweelingcorrelatie voor monozygote tweelingen groter is dan voor dizygote tweelingen. Er is bewijs voor gedeelde omgevingsinvloeden wanneer de correlatie voor dizygote tweelingen meer dan de helft is van de correlatie voor monozygote tweelingen.

Cholesky decompositiemodel

Evenals bij univariate analyses wordt structural equation modeling gebruikt om de proportie van covariantie te schatten. Het Cholesky decompositiemodel wordt veel gebruikt om onderzoek te doen naar gemeenschappelijke en onafhankelijke genetische en omgevingseffecten op variantie in twee verschillende trekken. De Cholesky procedure is hetzelfde als de hiërarchische regressieanalyse bij niet-genetisch onderzoek. In het geval van een bivariate analyse beoordeelt de eerste factor genetische, gedeelde en unieke omgevingsinvloeden op trek 1. Sommige van deze invloeden kunnen ook invloed hebben op trek 2. De tweede factor schat genetische, gedeelde en unieke omgevingsinvloeden die uniek zijn voor trek 2. Dezelfde procedure geldt voor analyses met meer dan twee factoren. Er zijn twee belangrijke statistieken die afgeleid kunnen worden van Cholesky analyses:

• Bivariate erfelijkheid: de mate waarin de samenhang tussen twee trekken (of dezelfde trek op twee leeftijden) verklaard kan worden door genetische covariantie. De rest van de fenotypische correlatie wordt verklaard door bivariate gedeelde en unieke omgevingsfactoren.

• Genetische correlaties: de mate waarin genetische invloeden op de ene trek samenhangen met genetische invloeden op de andere trek.

DF extremenanalyse

De DF extremenanalyse kan worden uitgebreid om multivariate vragen te bestuderen. Groepserfelijkheid kan bijvoorbeeld indiceren in welke mate het gemiddelde verschil tussen een leesbeperking en een normaal rekenniveau toegeschreven kunnen worden aan genetische factoren. In dit geval is de groepserfelijkheid de mate waarin genetische effecten de fenotypische covariantie tussen leesbeperking en rekenvermogen mediëren. Een dergelijke covariantie zou zichtbaar zijn als de ene helft van de tweeling een laag leesniveau heeft en de andere helft van de tweeling een laag rekenniveau heeft. Multivariate genetische designs zijn gebruikt om de etiologie te bestuderen van de bijdrage van decodeer- en taalvaardigheden aan begrijpend lezen. Onderzoekresultaten suggereren dat genetische invloeden op decodeer- en taalvaardigheden overlappen, maar ook onafhankelijke genetische variantie tonen. Omgevingsinvloeden zijn daarentegen bijna geheel overlappend. Met andere woorden: het onderscheid tussen decodeer- en taalvaardigheden komt door onafhankelijke genetische factoren in plaats van door onafhankelijke bronnen van variantie die gerelateerd zijn aan de thuis- of onderwijsomgeving. Al met al suggereren multivariate genetische onderzoeksdesigns dat de omgeving belangrijk is voor de verbanden tussen verschillende onderwijskundig relevante trekken. Daarnaast wijzen de studies erop dat genetische invloeden helpen bij het verklaren van de verbanden tussen vaardigheden als lezen en redenen, en bij het verklaren van de ontwikkeling van deze vaardigheden. Om volledig te begrijpen hoe onderwijsuitkomsten ontstaan, is het dus noodzakelijk om inzicht te hebben in de genetische factoren die een rol spelen bij de ontwikkeling van deze vaardigheden en de verbanden tussen de vaardigheden.

De rol van de omgeving

Drie van de belangrijkste ontdekkingen over omgevingsmechanismen zijn afkomstig van tweelingonderzoek. Deze bevindingen zullen hieronder worden besproken.

1. Gezinsomgeving maakt kinderen niet gelijk

Omgevingsinvloeden zijn grotendeels uniek. De thuisomgeving zorgt er dus niet voor dat kinderen die opgroeien in hetzelfde gezin meer op elkaar lijken dan kinderen die in verschillende gezinnen opgroeien.

2. Omgevingen zijn deels erfelijk

Uit tweelingonderzoek is naar voren gekomen dat omgevingen deels erfelijk zijn. Dit fenomeen wordt de ‘nature of nurture’ genoemd. Psychologische omgevingen kunnen worden beschouwd als uitgebreide fenotypes van het individu. Het selecteren, aanpassen en construeren van omgevingen door individuen reflecteert genetische verschillen.

Kinderen nemen actief deel aan het accepteren en creëren van leerervaringen. Om gen-omgeving correlaties in het onderwijs te onderzoeken, moeten leeromgevingen in genetisch gevoelige designs worden bestudeerd. De meeste metingen van de onderwijsomgeving zijn passief gerelateerd aan het kind, zoals de kwaliteit van de leerkracht en de klassengrootte. Wel kunnen deze metingen passieve gen-omgeving correlaties omvatten, omdat kinderen op basis van genetisch beïnvloede kenmerken van hun ouders naar scholen gaan die verschillen in leerkrachtkwaliteit en klassengrootte. Echter, om volledig inzicht te krijgen in de interactie tussen de onderwijsomgeving en het genetische profiel van de leerling is het van belang om metingen te ontwikkelen die betrekking hebben op de actieve rol van leerlingen in het selecteren, aanpassen en creëren van hun onderwijsomgeving.

3. De verbanden tussen omgevingen en uitkomsten zijn deels genetisch

Als zowel omgevingen als uitkomsten beïnvloed worden door genen, is het mogelijk dat ook verbanden tussen beide deels genetisch worden gemedieerd. Om dit te bestuderen, kan gebruik worden gemaakt van multivariate genetische designs. Meestal blijkt uit dergelijk onderzoek dat genetische factoren ongeveer de helft van het verband tussen de gezinsomgeving en gedragsuitkomsten van het kind mediëren. Een vereiste voor dergelijke analyses is dat er fenotypische covariantie is tussen de omgevingsmeting en de uitkomstmeting, wat vaak niet het geval is. Genetische mediatie van correlaties tussen omgeving en uitkomsten wordt verklaard door het proces van gen-omgeving correlatie. Hierbij hangen de genetische eigenschappen van het kind samen met hun ervaringen. Er kan onderscheid worden gemaakt tussen twee soorten gen-omgeving correlatie:

• Evocatieve gen-omgeving correlatie: kinderen lokken door genetische factoren bepaalde reacties van ouders uit.

• Actieve gen-omgeving correlatie: kinderen creëren actief omgevingen die hun genetische eigenschappen versterken.

Een effectieve methode om omgevingsinvloeden te bestuderen, is het monozygote verschillen design. Deze methode maakt het mogelijk om unieke omgevingsfactoren te identificeren, terwijl gecontroleerd wordt voor genetische invloeden. De enige invloeden waardoor monozygote tweelingen van elkaar verschillen, zijn hun unieke omgevingservaringen.

Een nieuwe tak in het genetische onderzoek betreft het onderzoek naar DNA methylatie. Dit is een mechanismen waardoor genen onder invloed van de omgeving tot uiting komen of inactief blijven. In tegenstelling tot de structuur van DNA is methylatie dynamisch en responsie voor omgevingsinterventies. Recentelijk onderzoek heeft aangetoond dat monozygote tweelingen verschillen in hun mate van methylatie, wat suggereert dat epigenetische processen worden beïnvloed door unieke omgevingen. Inzicht in epigenetische mechanismen kan leiden tot gepersonaliseerde interventies.

Moleculaire genetica voor het onderwijs: Het QTL perspectief

Genetisch onderzoek heeft bewijs gevonden voor de polygenetische conceptualisering van de erfelijkheid van complexe trekken: veel DNA markers dragen bij aan variatie in een complexe trek. Het effect van iedere marker op de uitkomst is zeer klein. Deze genetische markers worden ‘quantitative trait loci’ (QTL’s) genoemd. Het QTL perspectief heeft vergaande implicaties voor de diagnostiek, behandeling en preventie van leerbeperkingen en motivatieproblemen. Echter, QTL analyses vereisen zeer grote, representatieve steekproeven, waarbij kwalitatieve analyses bestudeerd kunnen worden in de context van kwantitatieve trekverdelingen.

Genome-wide association studies

Het menselijke genoom is grotendeels invariant: iedereen deelt grotendeels dezelfde volgorde van DNA. Echter, tijdens het kopiëren van deze volgorde kunnen fouten ontstaan. Onze individuele genomen bevatten miljoenen fouten (varianten of polymorfismen). Sommige polymorfismen komen veel voor, terwijl andere zeldzaam zijn en bij bijvoorbeeld slechts één persoon voorkomen. Sommige polymorfismen zijn bijna niet merkbaar, bijvoorbeeld als één letter (nucleotide) vervangen is. Dit worden ‘single-nucleotide’ polymorfismen genoemd. Andere polymorfismen kunnen daarentegen ernstige gevolgen hebben. Functionele varianten zijn polymorfismen die effect hebben op een fenotype. Iedere functionele variant heeft slechts een zeer klein effect op iedere trek. Wat gedaan moet worden, is het leggen van verbanden tussen iedere variant en de bijbehorende variatie in het gedrag. ‘Genome-wide association’ studies zijn begonnen met het identificeren van DNA polymorfismen die gerelateerd zijn aan trekken die voor het onderwijs relevant zijn, zoals lezen.

Cross-cultureel gedragsgenetisch onderzoek

Onderzoek naar de mate waarin dezelfde genen in verschillende culturen tot uiting komen, geeft inzicht in de mechanismen van gen-omgeving interactie. Veel onderzoeksbevindingen suggereren dat de patronen van genetische en omgevingsinvloeden op veel trekken hetzelfde zijn voor culturen. Desondanks zijn er ook etiologische verschillen gevonden. Cross-culturele verschillen zouden het gevolg kunnen zijn van gemiddelde verschillen in de frequentie van bepaalde genetische polymorfismen tussen populaties en gemiddelde verschillen in de omgevingen. Het is onwaarschijnlijk dat veel van de verschillen tussen populaties in onderwijsuitkomsten het gevolg zijn van genetische verschillen.

Welke onderzoeksmethoden bestaan er binnen de onderwijskundige psychologie? - Chapter 5

Benaderingen van onderwijskundig onderzoek

Er kan onderscheid worden gemaakt tussen twee soorten onderwijskundig onderzoek:

• Puur onderwijskundig onderzoek: richt zich op specifieke onderwijssystemen en

-structuren en de uitkomsten die hiervan het gevolg zijn.

• Psychologisch onderwijskundig onderzoek: richt zich op de processen waardoor leren plaatsvindt en de factoren die deze processen vormen.

Dit hoofdstuk zal met name de onderzoeksmethoden bespreken die binnen de onderwijskundige psychologie worden gehanteerd.

De afhankelijke variabele

Psychologisch onderwijskundig onderzoek meet vaak twee soorten variabelen: leeruitkomsten en de factoren die deze uitkomsten voorspellen of beperken. Het doel hiervan is het trekken van conclusies over de processen die beide variabelen met elkaar verbinden. Vanwege een interesse in specifieke leerfenomenen ligt de nadruk vaak op vaardigheden dan op algemene prestatie in termen van curriculaire doelen. Tevens worden vaak proximale factoren benadrukt, zoals het academische zelfbeeld van de leerling, in plaats van structurele voorspellers, zoals sociaal-economische status.

Gedragsmetingen

Er kan onderscheid worden gemaakt tussen twee soorten gedragsmetingen:

• Prestatie: wat individuen daadwerkelijk doen onder typische omstandigheden.

• Competentie: wat individuen in staat zijn om te doen onder gecontroleerde omstandigheden.

Beide soorten gedragsmetingen hebben voor- en nadelen. Prestatiemetingen hebben een grotere authenticiteit, maar het risico bestaat dat het prestatieniveau verborgen blijft tenzij bepaalde omstandigheden ervoor zorgen dat het tot uiting komt. Competentiemetingen vermijden dit probleem, maar reflecteren enkel de prestatie van een individu onder testomstandigheden.

Metingen van geobserveerde prestatie

Observationele metingen kunnen verschillende vormen aannemen, maar de standaardbenadering is de systematische observatie. Hierbij wordt gebruik gemaakt van vooraf gedefinieerde categorieën van theoretisch belang, om subjectiviteit te voorkomen. Voorafgaand aan de observatie worden gedragsaspecten van interesse geoperationaliseerd in precieze variabelen. Observaties worden vaak gemaakt op vaste intervallen en met een vaste duur, om te zorgen voor een gemeenschappelijke baseline om individuen met elkaar te kunnen vergelijken. Bij systematische observatie in de klas wordt het optreden van bepaald gedrag gerapporteerd met behulp van event-sampling of time-sampling technieken. Bij event-sampling worden de gedragscategorieën beperkt in aantal en type. Het optreden van deze gedragingen tijdens de observatieperiode wordt gerapporteerd. Bij time-sampling wordt de observatieperiode opgedeeld in vaste tijdsintervallen. De observator rapporteert welke gedragingen in ieder interval voorkomen.

Systematische observatie kent enkele problemen. Het is duur en observatoren moeten goed getraind zijn. Daarnaast zijn er beperkingen met betrekking tot de validiteit van de metingen, gezien de mogelijke invloed van de aanwezigheid van de observator op het gedrag. Er kan gebruik worden gemaakt van video-opnames, maar kinderen ervaren de aanwezigheid van een camera vaak als vreemder dan de aanwezigheid van een observator die aantekeningen maakt. Video-opnames zijn alleen beter als het moeilijk is om het gedrag op het moment zelf te coderen, in andere settings dan de klas of bij volwassen leerlingen. Bij systematische observaties is het nodig om een betrouwbaarheidscontrole te doen om aan te tonen dat de observaties niet observatorafhankelijk zijn. Betrouwbaarheidscontroles worden vaak uitgevoerd door twee onderzoekers. Beiden rapporteren hetzelfde gedrag voor een deel van de leerlingen (10% is voldoende) en vergelijken hun coderingen. De mate van overeenstemming moet minstens 70% zijn.

Competentiemetingen: Tests en psychometrische metingen

Tests in de onderwijskundige psychologie steunen op drie basale psychometrische principes:

• Het gebruik van een aantal items die verschillende contexten omvatten.

• Het gebruik van schema’s voor het scoren van antwoorden.

• Het controleren van antwoordprofielen om ervoor te zorgen dat ieder item onderscheidende kracht toevoegt.

Als er een geschikte index is geconstrueerd, kan deze worden gebruikt om de mate van leren worden beoordeeld. Hoewel de psychometrische benadering van competentiemetingen dominant is geworden, is Piaget’s ‘kritische methode’ gebaseerd op beschrijvende, niet-kwantitatieve methoden. Bij deze benaderingen krijgen kinderen een specifiek probleem voorgelegd. Vervolgens moeten ze vragen beantwoorden over hun gedachten over het fenomeen. Deze methode kent echter twee beperkingen. Allereerst zijn vergelijkingen niet mogelijk, omdat aan verschillende kinderen verschillende vragen worden gesteld. Daarnaast is een gecoördineerd beeld enkel toepasbaar op het niveau van de steekproef en niet op de individuele leerling.

Een mogelijk meer nuttige uitbreiding van de psychometrische benadering, die rekening houdt met individuele variatie, is dynamische assessment. Deze methode is gebaseerd op het idee van Vygotsky’s zone van proximale ontwikkeling: het verschil tussen wat een leerling zelfstandig en met hulp kan. Vygotsky ontdekte dat het kan lijken alsof kinderen zich op hetzelfde competentieniveau bevinden, terwijl zij met hulp anders presteren. Hij stelde dat metingen die aandacht dienen te besteden aan de ontwikkelingscapaciteit van het kind: het vermogen om te leren en te veranderen. Dynamische assessment is op dit principe gebaseerd. Hierbij wordt gedrag gemeten tijdens een ‘preteaching’, ‘teaching’ en ‘post-teaching’ fase. In de onderwijskundige psychologie wordt regelmatig gebruik gemaakt van gestandaardiseerde tests. Standaardiseerde metingen worden echter door twee problemen gekenmerkt:

• Het ontwikkelen van gestandaardiseerde metingen is arbeidsintensief. Er moet veel aandacht worden besteed aan itemontwerp en –selectie, omdat de uiteindelijke meting herhaaldelijk over een langere periode en onder verschillende omstandigheden gebruikt moet worden. Variabiliteit in de prestatie van individuele items moet tot een minimum worden gebracht. Om dit te bereiken, is het vaak nodig om een aantal cycli van ontwerpen, testen en selecteren te doorlopen. Vervolgens dienen data van een grote en representatieve steekproef te worden verzameld, om de normen te bepalen waarmee toekomstige participanten worden vergeleken.

• Het hierboven beschreven proces leidt onvermijdelijk tot een algemene meting, die slecht aangepast is aan de specifieke vereisten van een individueel stuk onderzoek. Daarom worden gestandaardiseerde metingen zelden gebruikt als uitkomstmetingen of als de enige voorspellers van leren.

Gestandaardiseerde metingen worden vaak gebruikt als:

• Baseline metingen om de vergelijkbaarheid van verschillende groepen te bepalen.

• Covariaten, waardoor variantie als gevolg van basale individuele verschillen gecontroleerd kan worden, terwijl specifieke effecten worden bestudeerd.

• Mediërende of modererende variabelen, die het verband tussen meer specifieke metingen helpen verklaren.

Rapportage metingen

Rapportage metingen, zoals zelfrapportage, worden vaak niet gebruikt om leren zelf te meten, maar om factoren te meten die invloed hebben op het leren. Zelfrapportage wordt soms gebruikt als directe aanvulling op gedragsmetingen. Een voorbeeld hiervan is het gebruik van vertrouwensmetingen bij competentietests. Hierbij moeten leerlingen de vragen beantwoorden, maar ook aangeven hoe zeker ze ervan zijn dat hun antwoord juist is. Zelfrapportage wordt echter vaker gebruikt als losstaand van gedragsdata. Vragenlijsten worden toegepast binnen veel gebieden in onderwijskundig psychologisch onderzoek. Ze worden echter het meest gebruikt voor het bestuderen van affectieve invloeden op onderwijskundige betrokkenheid en onderwijsuitkomsten. Daarnaast wordt in onderwijskundig psychologisch onderzoek regelmatig gebruik gemaakt van derde persoonsrapportage. Deze nemen vaak de vorm aan van rapportage door de ouders of leerkracht over individuele kinderen. Interviews lenen zichzelf voor de verzameling van diepgaande reacties, die niet direct kwantificeerbaar zijn. De algemene voorkeur gaat uit naar structureerde of semigestructureerde interviews, waarbij van tevoren vaste vragen zijn bepaald, die aan iedere geïnterviewde wordt gesteld. Het gebruik van interviews beperkt echter de steekproefgrootte. Vaak worden interviews gebruikt als aanvulling op kwantitatieve metingen, of als aanvankelijke fase van dataverzameling gericht op het produceren van meer gegronde vragenlijsten.

Steekproeftrekking

Onderwijskundig psychologisch onderzoek heeft vaak als doel om data met betrekking tot algemene leerprocessen te verzamelen. Hiervoor zijn representatieve steekproeven nodig, wat in het onderwijs vaak lastig is. Een oplossing is het gebruik van gerandomiseerde hiërarchische steekproeftrekking. Hierbij worden quota’s bepaald voor bepaalde types scholen. Vervolgens worden willekeurige steekproeven getrokken om de quota’s te vullen. De groepering van leerlingen in klassen of scholen zorgt echter voor problemen bij het vergelijken van scholen, omdat naar dezelfde school gaan zorgt voor een bepaalde mate van overeenkomst, wat niet willekeurig is. Deze problemen kunnen echter worden beperkt met statistische procedures, zoals multilevel modeling, waarbij wordt gecontroleerd in hoeverre verschillende steekproefeenheden dezelfde effecten vertonen. Hiërarchische steekproeftrekking is echter alleen haalbaar in grootschalige studies met veel resources, wat niet geldt voor de meeste onderwijskundige psychologische studies. Kleinschalige onderzoeken zijn vaak afhankelijk van lokale steekproeftrekking, wat afhangt van de bereidheid van scholen en ouders om kinderen te laten deelnemen aan het onderzoek.

Quasi-experimenteel onderzoeksdesign

Quasi-experimentele onderzoeksdesigns vergelijken de effecten van uitkomsten op vairabelen die niet controleerbaar zijn, zoals leeftijd en sekse. Een groot voordeel van dit type onderzoek is de mogelijkheid om te profiteren van natuurlijke variatie, wanneer willekeurige toewijzing aan verschillende onderzoeksgroepen onmogelijk of onethisch is. Voorbeelden van dergelijke variabelen zijn leeftijd, sekse, etniciteit, sociaal-economische status en de aan- of afwezigheid van een ziekte. Deze variabelen worden soms bestudeerd in combinatie met een onafhankelijke variabele waarbij willekeurige toewijzing wel mogelijk is. De beperking van een quasi-experimenteel onderzoeksdesign is dat een effect van een quasi-onafhankelijke variabele mogelijk een reflectie is van de werking van een andere variabele waarmee het samenhangt. Dit geldt met name voor cross-sectioneel onderzoek waarbij de prestaties van verschillende leeftijdsgroepen met elkaar worden vergeleken: zelfs als er leeftijdsverschillen worden gevonden, is het onwaarschijnlijk dat deze toe te schrijven zijn aan leeftijd.

Hoewel de effecten die gevonden worden met quasi-experimenteel onderzoek voorzichtig geïnterpreteerd moeten worden, kunnen ze waardevol zijn in het aantonen van onderliggende oorzaken van variatie die nader onderzocht moeten worden. Dit is vaak het geval bij case-control onderzoek. Hierbij worden geschikte casussen (mensen met een bepaalde gespecificeerde conditie) geïdentificeerd en wordt hun status op hypothetisch belangrijke afhankelijke variabelen gemeten. Dezelfde variabelen worden ook gemeten bij een controlesteekproef, die in vergelijking met de casussen overeenkomen in algemene kenmerken, maar niet in termen van definiërende kenmerken. Als de casus- en controlesteekproef verschillen op de variabelen van interesse, kan worden geconcludeerd dat er een verband bestaat tussen deze variabelen en de case-status van de individuen. Case-control onderzoek kan worden versterkt door het vinden van een daadwerkelijke match voor ieder casus. Een match is een individu die dezelfde kenmerken heeft in termen van andere invloedrijke variabelen, zoals leeftijd, sekse en sociaal-economische status. Het resultaat is de creatie van gematchte steekproeven. Gematchte steekproeven worden vaak gebruikt bij onderzoek naar leerproblemen.

Experimenteel onderzoeksdesign

Experimentele onderzoeksdesigns zijn bedoeld om oorzaak-gevolg verbanden te identificeren. Dit wordt gedaan door middel van willekeurige toewijzing van onderzoeksparticipanten aan experimentele condities. Het vaststellen van causale invloeden hangt echter af van meer dan alleen willekeurige toewijzing. Het is ook noodzakelijk om ervoor te zorgen dat de onafhankelijke variabele niet verstoord wordt door andere variabelen die er systematisch mee covariëren. Verstorende variabelen vormen een bedreiging voor experimenteel onderzoek in de onderwijskundige psychologie, omdat strakke controle zoals in laboratoriumonderzoek vaak onmogelijk is. Daarom richt experimenteel onderzoek zich vaak op enkelvoudige competentiemetingen of korte observaties, die worden uitgevoerd in settings buiten de klas, waar enige mate van standaardisering mogelijk is. Als meer dan één element aan data wordt verzameld (bijvoorbeeld de prestatie op meerdere taken), wordt de volgorde van de taken willekeurig gevarieerd. Hierdoor kan de taakvolgorde geen systematisch effect op de uitkomsten hebben. Er zijn verschillende andere soorten verstorende variabelen die vooral invloed hebben op onderzoek met meerdere meetmomenten:

• Externe, maar gerelateerde gebeurtenissen in de onderzoeksperiode, zoals een verandering in de schoolroutines.

• De invloed van het verstrijken van de tijd. Bij interventiestudies maakt dit het gebruik van een controleconditie noodzakelijk, om te beoordelen welke verandering sowieso plaatsgevonden zou hebben tijdens de onderzoeksperiode.

• Verschillend verlies van participanten in verschillende condities, wat een nauwkeurige meting verstoort.

• Leereffecten als gevolg van herhaaldelijke metingen met identieke instrumenten. Hiertegen kan worden beschermd met het gebruik van gelijkwaardige versies van de metingen.

Gerandomiseerde onderzoeksdesigns zijn de meest basale vorm van experimentele designs. Hierbij worden een aantal experimentele condities gedefinieerd door verschillende niveaus van één onafhankelijke variabele. Participanten worden willekeurig toegewezen aan één van de experimentele condities. Factoriële onderzoeksdesigns zijn een simpele uitbreiding van het basisprincipe van het gerandomiseerde design. Hierbij worden tegelijkertijd twee of meer onafhankelijke variabelen gemanipuleerd. Hierdoor wordt het mogelijk om onderzoek te doen naar zowel de hoofdeffecten van iedere variabele als de interactie-effecten. Herhaaldelijke metingendesigns bieden bescherming tegen het feit dat groepsverschillen (bijvoorbeeld tussen kinderen in verschillende klassen) kunnen leiden tot verstoringen. Hierbij worden dezelfde participanten in iedere conditie gebruikt, waardoor ze als hun eigen controle dienen. Het probleem bij deze benadering is echter dat zelf voor variatie kunnen zorgen, door het effect van het herhaaldelijk testen van participanten. Prestaties kunnen bijvoorbeeld verbeteren door leereffecten of verslechterend oor verveling.

Microgenetische onderzoeksdesigns bieden een meer gespecialiseerde vorm van herhaaldelijke metingendesigns. Dit design profiteert van het feit dat het herhaaldelijk uitvoeren van een taak leidt tot veranderingen in de prestatie om te onderzoeken op welke manier deze veranderingen plaatsvinden. Het belangrijkste kenmerk van microgenetische onderzoeksdesigns is het gebruik van vele herhaaldelijke observaties, die over de tijd heen verspreid worden (bijvoorbeeld iedere twee à drie dagen). Een veelvoorkomende uitbreiding van deze benadering is om het te gebruiken in combinatie met verschillende interventievormen. Herhaaldelijk testen zonder deze interventies worden dan gebruikt als controleconditie. Dit maakt het mogelijk om te onderzoeken hoe leren plaatsvindt als gevolg van alleen ervaring en als gevolg van ervaring in combinatie met externe begeleiding. Een kenmerk van dit type design is het gebruik van relatief kleine steekproeven, en data-analyse op individueel in plaats van groepsniveau.

Gerandomiseerde controletrials (randomized control trials; RCT’s) zijn een vorm van interventieonderzoek waarbij gebruik wordt gemaakt van gerandomiseerde designs. Bij een RCT wordt er geen voormeting gebruikt om een baseline te bepalen, omdat de steekproef wordt getrokken uit een populatie waarvan bekend is dat deze homogeen is in de zin van het vermogen om van de interventie te profiteren. Participanten worden willekeurig aan een conditie toegewezen. RCT’s bieden veel bescherming tegen verstorende factoren. De onderzoekers die de uitkomsten beoordelen, weten vaak niet wie aan welke conditie is toegewezen. Bij dubbelblinde procedures weten ook de participanten niet aan welke conditie ze zijn toegewezen.

Hoewel RCT’s worden beschouwd als de gouden standaard in medisch of gezondheidsgerelateerd onderzoek, zijn ze extreem moeilijk te implementeren in onderwijskundig onderzoek. Zo is willekeurige toewijzing op individueel niveau zelden mogelijk. Gerandomiseerde clustertrials komen in onderwijskundig onderzoek het meest nabij het RCT format. Dit design gebruikt hiërarchische steekproeftrekking, waarbij scholen in een regio willekeurig worden toegewezen aan onderzoekscondities. Zelfs dit onderzoeksdesign is vanwege een aantal redenen moeilijk uit te voeren:

• De representativiteit van de steekproef is beperkt.

• Blindeerprocedures zijn vaak onmogelijk.

• Scholen weigeren toegewezen te worden aan de controleconditie.

Non-experimenteel onderzoeksdesign

Bij non-experimenteel onderzoek is het onderscheid tussen onafhankelijke en afhankelijke variabelen van groot belang. Er zijn bepaalde criteria waaraan variabelen moeten voldoen om als onafhankelijk of afhankelijk geclassificeerd te worden. Deze criteria zijn gerelateerd aan de logische mogelijkheid van de ene variabele als invloed op een andere variabele. Oorzaken of invloeden moeten voorafgaan aan hetgeen ze beïnvloeden. Tijdsordening (het plaatsen van de werking van variabelen in een tijdsvolgorde) is daarom een minimale vereiste om te kunnen spreken van mogelijke causaliteit. Als variabelen op één moment zijn gemeten, is de mogelijkheid van tijdsordening verzwakt. Om causale verbanden te ontdekken, is het daarom beter om gebruik te maken van een prospectief onderzoeksdesign, waarbij hypothetisch onafhankelijke variabelen op een eerder moment worden gemeten dan afhankelijke variabelen. Echter, zelfs met tijdsordening blijft het mogelijk dat effecten niet echt zijn. Daarom heeft non-experimenteel onderzoek een aantal kenmerken ontwikkeld. Allereerst worden data vaak verzameld voor meerdere variabelen, zodat meer complexe verbanden tussen variabelen onderzocht kunnen worden. Voorbeelden hiervan zijn gezamenlijke afhankelijkheid van een gemeenschappelijke oorzaak, mediatie (de invloed van de ene variabele op de andere variabele vindt plaats via een derde variabele) en moderatie (de invloed van de ene variabele op de andere variabele wordt aangepast door de werking van een derde variabele). Daarnaast is er een groeiende voorkeur voor longitudinale onderzoeksdesigns. Hierbij worden dezelfde kenmerken bij één steekproef herhaaldelijk gemeten op geselecteerde tijdsintervallen over een langere tijdsperiode. Het voordeel hiervan is dat veranderingen in de afhankelijke variabelen toegeschreven kunnen worden aan daadwerkelijke veranderingen bij de participanten. Bovendien is het bij drie of meer meetmomenten mogelijk om het traject van de veranderingen in kaart te brengen. Hierdoor kan bepaald worden of het traject lineair, exponentieel, asymptotisch, onderbroken of U-vormig is.

Herhaaldelijk gebruik van dezelfde meetinstrumenten leidt echter vaak tot leereffecten. De dataverzameling kan met lange intervallen plaatsvinden, maar het risico hiervan is dat de kans op uitval groter wordt. Dit heeft bovendien een negatief effect op de representativiteit van de steekproef. Deze problemen zijn het meest ernstig in longitudinale onderzoeksdesigns met één steekproef en kunnen deels worden opgelost met behulp van longitudinale cohort sequentiële designs. Bij deze benadering wordt een aantal cohorten verworven, die na elkaar aan het onderzoek worden toegevoegd. Een meer simpele en goedkopere benadering is het gebruik van een prospectief survey design. Hierbij worden data verzameld met een aanvankelijke survey. De follow-up wordt beperkt tot een survey die zich richt op een klein aantal variabelen. Het derde kenmerk van non-experimenteel onderwijskundig psychologisch onderzoek is het gebruik van statistische modeling, gericht op het testen van de fit van geobserveerde data van veronderstelde verbanden tussen variabelen. Voorbeelden van analyses zijn multipele regressie, hiërarchische methoden, multilevel modeling en structural equation modeling.

Hoe verloopt de taalontwikkeling bij kinderen? - Chapter 6

Het doel van de onderwijskundige neurowetenschappen is het gebruiken van kennis over het ontwikkelende brein voor het maximaliseren van leeruitkomsten door de onderwijsomgeving te optimaliseren. Taal speelt een belangrijke rol bij de verwerkelijking van dit doel, omdat de taalontwikkeling kinderen in staat stelt om te leren. Problemen in de ontwikkeling van taal en communicatie kunnen daarom een ernstig negatief effect hebben op de onderwijsuitkomsten van kinderen. De onderwijsomgeving heeft twee belangrijke rollen met betrekking tot het leren van taal:

• Compenseren voor de effecten van vroege linguïstische omgevingen met input van lage kwantiteit of kwaliteit.

• Kinderen met aangeboren taalproblemen helpen.

Zowel omgevingsfactoren, zoals sociaal-economische status, als genetische factoren hebben een grote invloed op de taalontwikkeling. Dit hoofdstuk beschrijft het ontogenetische proces van taalverwerving: vanaf het moment dat baby’s voor het eerst worden blootgesteld aan hun moedertaal tot de adolescentie, waarin taalvaardigheden worden geconsolideerd, maar de woordenschat zich blijft ontwikkelen. Hierbij wordt aandacht besteed aan de progressieve rijping van het taalsysteem op neuraal niveau en de geleidelijke ontwikkeling van talig gedrag over de tijd heen.

Taalontwikkeling in de babytijd en vroege kindertijd (0-5 jaar)

De invloed van intrinsieke factoren

Er is onderzoek gedaan naar de vraag welke aspecten van het taalsysteem in de babytijd de taaluitkomsten in de voorschoolse en schoolse periode het best voorspellen. Eén van deze voorspellers is de ontwikkeling van categorische representaties van fonemen: de kleinste betekenisvolle spraakeenheid. Het vermogen om te bepalen welke contrasten tussen fonemen linguïstisch relevant zijn, hangt af van twee fundamentele eigenschappen van auditieve verwerking:

• Gevoeligheid voor de snelle auditieve overgangen, die belangrijke contrasten tussen fonemen definiëren.

• Het vermogen om input gedetailleerd te categoriseren.

Fonologische ontwikkeling

Aanvankelijk zijn baby’s in staat om fonemen van iedere taal van elkaar te onderscheiden. In het eerste levensjaar specialiseert dit tot het vermogen om alleen onderscheid te kunnen maken tussen fonemen die relevant zijn in de moedertaal. Elektrofysiologische metingen, zoals ‘event-related potentials’ (ERP’s), worden veel gebruikt in onderzoek naar baby’s, omdat ze niet-invasief, zijn, minder gevoelig zijn voor artefacten door beweging en geen reactie van de baby vereisen. Ee veelgebruikte ERP meting bij baby’s is de ‘mismatch respons’ (MMR), waarbij het verschil in hersenrespons op een vaak herhaalde stimulus (standaard) versus een zelden herhaalde stimulus (afwijkend) wordt gemeten. De grootte van het verschil wijst op de mate waarin de afwijkende stimulus onderscheiden wordt van de standaardstimulus. Onderzoek heeft steun gevonden voor het idee van ‘neurale betrokkenheid’: de ontwikkeling van representaties die betrokken zijn tot een specifieke set van contrasten die voor de omgeving relevant zijn. Dit is bevorderlijk voor de ontwikkeling van vroege taalvaardigheden. Als het idee van ‘neurale betrokkenheid’ klopt, kan de snelheid waarmee voldoende betrokkenheid wordt bereikt, worden bepaald door intrinsieke factoren dan wel omgevingsfactoren. Het onderscheid tussen deze mogelijkheden is een belangrijke volgende stap voor onderzoek, omdat beide duiden op een andere interventiestrategie voor het begeleiden van kinderen met een vroege ontwikkelingsvertraging.

Neurobiologische rijping

In de eerste levensjaren gaan de gedragsmatige vooruitgangen in de taalverwerving gepaard met neurobiologische veranderingen in de verwerkingscapaciteit, verwerkingssnelheid en de verbondenheid. Er kan onderscheid worden gemaakt tussen neurobiologische veranderingen met betrekking tot grijze stof (voornamelijk neuronale cellichamen) en met betrekking tot witte stof (neuronale axonen). Grijze stof verandert door het proces van synaptogenese en pruning: de geleidelijke proliferatie van synapsen (chemische verbindingen tussen neuronen), gevolgd door de eliminatie van synapsen die niet functioneel zijn. Tussen hersengebieden zijn er verschillen in de aanvang en snelheid van deze processen. Veranderingen in witte stof, waaronder myelinisatie (een vettig laagje dat de overdracht van signalen bevordert), vindt vanaf de babytijd plaats op regiospecifieke wijze, met lineaire toenames in totale witte stof vanaf de vroege kindertijd. Met name één verandering wordt genoemd als potentiële basis voor de ontwikkeling van omgevingsrelevante fonemische categorieën, namelijk de rijping van verbondenheid in de temporale cortex, rond ongeveer zes maanden na de geboorte. Neurobiologische veranderingen gaan echter niet altijd vooraf aan gedragsmatige veranderingen. Zo stelt de interactieve specialisatietheorie dat hersengebieden zich specialiseren als gevolg van ervaring met relevante input. Dit perspectief wordt ondersteund door onderzoek, dat bijvoorbeeld heeft aangetoond dat functionele lateralisatie sterker samenhangt met woordenschat dan leeftijd. Dit heeft belangrijke implicaties voor het onderwijs. Als ervaring bevorderlijk is voor het vermogen om te leren, kunnen vroege verschillen in ervaring, waaronder de kwaliteit of kwantiteit van taalinput, afwijkingen tijdens de ontwikkeling versterken.

De invloed van sociaal-economische status

De taalontwikkeling lijkt ook te worden beïnvloed door de kwaliteit en kwantiteit van linguïstische input. Dergelijke input wordt geassocieerd met sociaal-economische status (SES). SES is een multidimensionaal construct, dat vaak wordt gemeten door een combinatie van ouderlijke opleiding, beroep en inkomen. Kinderen met een lagere SES hebben vanwege redenen in de omgeving een vertraagde taalontwikkeling hebben. Zij zijn met name kwetsbaar voor gedragsmatige taaltekorten. SES voorspelt ongeveer 30% van de variantie in globale taalvaardigheid op zesjarige leeftijd. Waarschijnlijk wordt deze invloed van SES verklaard door verschillen in linguïstische input. Hoe deze invloed precies wordt uitgeoefend en hoe het over de tijd heen verandert, is onduidelijk. Wel lijken omgevingsinvloeden causaal te zijn in plaats van dat ze gemedieerd worden door genetische effecten. Zo heeft onderzoek aangetoond dat de complexiteit van zinnen die gebruikt worden door leerkrachten een voorspeller is van het taalbegrip van kinderen.

De invloed van SES op taal is niet hetzelfde voor verschillende aspecten van taal. SES verklaart meer variantie in fonologisch bewustzijn en receptieve woordenschat dan variantie in receptieve grammatica. Dit suggereert dat verschillende aspecten van de taalontwikkeling in meer of mindere mate afhankelijk zijn voor de kwaliteit van de linguïstische input. Variabiliteit in intrinsieke factoren heeft waarschijnlijk meer invloed op de taalontwikkeling van kinderen met een hoge dan een lage SES. Dit idee is afgeleid van onderzoek naar cognitief vermogen. De erfelijkheid (relatieve invloed van genetische factoren) van cognitief vermogen wordt gemodereerd door SES, waarbij erfelijkheid hoger is bij een hoge SES. Dit duidt erop dat een cognitief rijke omgeving het mogelijk maakt dat aangeboren individuele verschillen tot uiting komt. Als de omgeving daarentegen minder verrijkend is, is de ontwikkeling vooral afhankelijk van de input. Er zijn onderzoeksbevindingen die suggereren dat er bij de ontwikkeling van taal sprake is van eenzelfde effect. Er zijn meerdere routes waardoor zulke SES effecten invloed uit kunnen oefenen. Eén van de mogelijkheden is de invloed van SES op hemisferische lateralisatie. Onderzoeksresultaten suggereren dat verschillen in taalontwikkeling als gevolg van SES op neuraal niveau samenhangen met verminderde specialisatie van taalsystemen. Een andere mogelijkheid is dat variatie in taalverwerving het gevolg is van een interactie tussen ontwikkelende systemen en input. Zo blijkt uit onderzoek dat kinderen met een lage SES minder goed in staat zijn om selectief op auditieve stimuli te letten dan kinderen met een hoge SES. Dit wijst op aan SES gerelateerde verschillen in het vermogen van kinderen om irrelevante informatie te filteren.

Het verminderen van ongelijkheid

Er zijn meerdere pogingen gedaan om programma’s te implementeren, gericht op cognitieve ongelijkheid aan het begin van de schoolloopbaan als gevolg van verschillen in SES. De uitkomsten hiervan zijn veelbelovend, maar inconsistent. Onderzoek heeft aangetoond dat kinderen met een lage SES het meest profiteren van interventies die hun cognitieve omgeving verrijken. Echter, deze positieve effecten doven na het einde van het programma snel uit.

Taalontwikkeling in de basisschoolperiode (5-12 jaar)

De specialisatie van neurale systemen voor taal

Er is onderzoek gedaan naar het statistisch leren van herhaaldelijke patronen binnen continue spraak van nieuwe geluiden. Zesjarigen, tienjarigen, dertienjarigen en volwassenen vertonen toenemende activering van de temporale cortex, inclusief de superieure temporale gyrus. De lateralisatie van deze activering verschilt echter per leeftijd. Bij zesjarigen is de toename in activering vooral rechts gelateraliseerd, bij kinderen van tien en dertien jaar is er sprake van een bilaterale activiteitstoename en bij volwassenen is sprake van linker lateralisatie. Hieruit komt naar voren dat de lateralisatie van systemen die responsief zijn voor statistische regelmaat in spraak tijdens de kindertijd en puberteit aanzienlijke veranderingen ondergaat.

Kinderen met specifieke taalstoornissen

Een specifieke taalstoornis (‘specific language impairment’; SLI) is een ontwikkelingsstoornis, waarbij sprake is van significante tekorten in expressieve of receptieve taal. Deze tekorten zijn niet het gevolg van sensorische of omgevingsdeprivatie. De non-verbale intelligentie ligt op gemiddeld niveau. Deze combinatie (beperkte taalontwikkeling en een schijnbaar gemiddelde intelligentie) rechtvaardigt het gebruik van de term ‘specifiek’. De manieren waarop de taalproblemen tot uiting komen, varieert tussen individuen en binnen individuen over de tijd heen. Er kan sprake zijn van problemen met het produceren of begrijpen van zinnen, met grammatica, met woordenschat of met taalgebruik in de context. Hoewel veel onderzoeken zich richten op taaltekorten en kinderen met spraakproblemen uitsluiten, kan het heel moeilijk zijn om onderscheid te maken tussen taal- en spraakproblemen.

Oorzaken van specifieke taalstoornissen

Genetische factoren spelen een belangrijke rol bij het veroorzaken van specifieke taalstoornissen. Het herhalen van non-woorden is een globale meting van de fonologische verwerking en het fonologische geheugen en dient als fenotypische marker voor een aangeboren specifieke taalstoornis. Deze bevinding wijst op een cognitief tekort in de fonologische verwerking (de verwerking van spraakgeluiden) in plaats van een perceptueel tekort in de auditieve verwerking (het opvangen van de akoestische eigenschappen van spraakgeluiden). Tweelingonderzoek is van groot belang geweest bij het vaststellen van de genetische basis van specifieke taalstoornissen. Onderzoek op moleculair niveau begint nu met het bestuderen van de complexe neurobiologische processen die ten grondslag liggen aan de genetische overdracht van specifieke taalstoornissen. Het lijkt onwaarschijnlijk dat één enkel gen de oorzaak is van de taaltekorten bij kinderen met specifieke taalstoornissen. Waarschijnlijk zijn complexe polygenische interacties betrokken bij de veroorzaking hiervan. Mogelijk is er sprake van combinaties van veelvoorkomende genetische varianten in plaats van zeldzame mutaties.

Screening op jonge leeftijd

Het is zeer moeilijk om gedragstests te ontwerpen voor de vroege identificatie van kinderen met een specifieke taalstoornis. Recentelijke inspanningen richten zich op de ontwikkeling van meetinstrumenten voor onderliggende linguïstische en cognitieve processen. Een instrument dat recentelijk is ontwikkeld, bevat taken waarbij non-woorden en zinnen moeten worden herhaald: taken die sterk samenhangen met specifieke taalstoornissen bij oudere kinderen. Uit onderzoek blijkt echter dat dit instrument een lage sensitiviteit heeft in een steekproef van drie- tot zesjarigen: slechts 20% van de kinderen met een specifieke taalstoornis werd door dit instrument geïdentificeerd. Ondanks de obstakels bij het identificeren van specifieke taalstoornissen op jonge leeftijd, dragen clinici de verantwoordelijkheid om de behoeften te beoordelen van jonge kinderen die vanwege spraak-, taal- en communicatieproblemen verwezen zijn. Iedere beslissing vereist de beoordeling van het relatieve risico: het risico van het verkeerd identificeren van een kind wiens taal- en communicatieontwikkeling normaal zou ontwikkelen zonder interventie moet worden afgewogen tegen het risico van het niet interveniëren tijdens een optimale leerperiode. Daarnaast leidt falen om betrouwbaar onderscheid te maken tussen kinderen met specifieke taalstoornissen als gevolg van genetische factoren, omgevingsfactoren of beide soorten factoren tot het risico dat de gekozen interventie niet gepast is.

Interventies voor auditieve verwerkingstekorten bij specifieke taalstoornissen

Theoretisch gezien zijn er twee manieren om ontwikkelingsproblemen op te lossen die toegeschreven kunnen worden aan een atypische perceptuele verwerking door middel van aanpassing van de omgeving:

• Training gericht op het verbeteren van de perceptuele verwerkingscapaciteit van het individu.

• Het aanpassen van de omgevingsinput, zodat de input succesvol verwerkt kan worden.

Het Fast ForWord programma is gebaseerd op de theorie die stelt dat specifieke taalstoornissen het gevolg zijn van tekorten in de snelle auditieve verwerking. Fast ForWord is een commercieel computerprogramma, dat gebruik maakt van akoestisch aangepaste spraak om te compenseren voor het verwerkingstekort. Naarmate de leerling verder komt in het programma worden de aanpassingen geleidelijk verminderd. Hoewel het programma veel gebruikt wordt, blijkt uit een meta-analytische review dat het programma ineffectief is. Het is dus belangrijk dat plausibele interventies wetenschappelijk beoordeeld worden.

Alternatieve ontwikkelingspaden: Casus TZ

Hieronder wordt de casus van een individu (TZ) besproken, die aantoont hoe uitzonderlijk einduitkomsten bereikt kunnen worden ondanks ontwikkelingsproblemen.

Achtergrond

De taalontwikkeling van TZ verliep volgens de typische mijlpalen, totdat ze rond driejarige leeftijd alleen nog maar kon communiceren via enkelvoudige woorden. Tegenwoordig zou onderzocht worden of er bij TZ sprake is van het Landau-Kleffner syndroom: een stoornis waarbij een periode van normale taalontwikkeling gevolgd wordt door een geleidelijk of plotseling verlies van taal. In de jaren ’60 waren deze diagnoses echter zeldzaam. In plaats daarvan ontving TZ spraak- en taaltherapie. Ze volgde aanvankelijk regulier onderwijs, maar toen ze zes jaar en tien maanden was, maakte ze de overstap naar een speciale school voor kinderen met ernstige en specifieke spraak- en taalstoornissen. Ze volgde hier onderwijs tot ze zestien jaar was. Daarna volgde ze de opleiding tot secretaresse.

TZ had een gemiddelde non-verbale intelligentie. Ze vertoonde echter grote tekorten in het fonologische geheugen. Wat betreft haar lexicale kennis was er in de vroege kindertijd sprake van aanzienlijke tekorten in de receptieve woordenschat en het benoemen van plaatjes. De prestatie hierop verbeterde tussen zes- en achtjarige leeftijd, met name wanneer spraak werd ondersteund met visuele methoden (gebarentaal). Desondanks was er nog steeds sprake van grote tekorten. Op middelbare leeftijd was er sprake van een dramatische verbetering. TZ presteerde bovengemiddeld op zowel receptieve woordenschat als het benoemen van plaatjes. Wel was haar woorddefinitie aanzienlijk slechter. In de kindertijd vertoonde TZ grote tekorten in grammaticale vaardigheden en functionele taal. Op acht- à negenjarige leeftijd boekte ze enige vooruitgang, met name als spraak werd ondersteund door gebarentaal. Echter, alsnog was er sprake van tekorten. In de volwassenheid bleven deze tekorten bestaan. Met betrekking tot geletterdheid was het lezen een relatief sterk punt van TZ in de kindertijd. Op zeven- en achtjarige leeftijd waren de scores nét benedengemiddeld. Op middelbare leeftijd was haar leesniveau gemiddeld en haar spellingniveau bovengemiddeld.

De taalvaardigheden van TZ in de volwassenheid waren indrukwekkend, vooral omdat ze vanaf ongeveer driejarige leeftijd niet in staat lijkt te zijn geweest om spraakgeluiden met enige precisie te verwerken. Ze was erg afhankelijk van visuele input en het gespecialiseerde onderwijscurriculum. Twee belangrijke elementen in de benadering waren:

• Het gebruik van een gebarentaalsysteem, dat de lexicale en morfologische elementen van gesproken taal omvat.

• Het aanleren van syntaxis door middel van geschreven taal.

Het proces van hersenontwikkeling bij TZ lijkt afwijkende routes te hebben gevolgd, die afhankelijk waren van afwijkende input. Dit illustreert hoe individuen met afwijkende systemen succes kunnen bereiken, als de afwijkingen worden begrepen en als voldaan wordt aan de omgevings- en onderwijskundige behoeften.

Taalontwikkeling in de adolescentie

Het heersende idee is dat de taalontwikkeling in de adolescentie grotendeels voltooid is in de adolescentie. In dit hoofdstuk wordt dit idee uitgedaagd en wordt benadrukt dat het van belang is om het adolescente brein en taalsysteem te beschouwen als onderdeel van het dynamische proces van taalontwikkeling. Het gebruik van taal verandert aanzienlijk als kinderen in de adolescentie terechtkomen. Linguïstische eisen veranderen niet alleen in de klas, maar ook in relaties met peers en volwassenen, omdat de sociale wereld zich in de adolescentie uitbreid en complexer wordt. Deze academische en sociale veranderingen van taalproductie en taalbegrip worden gereflecteerd in zowel de neurale substraten van deze functies als de taalvaardigheden van kinderen.

Taalgedrag in de adolescentie

Adolescenten krijgen te maken met veranderende linguïstische eisen vanuit de omgeving. Ze voldoen hieraan door middel van veranderingen in de pragmatische taal, waaronder het begrijpen van idiomen, spreekwoorden en figuurlijke taal. Deze veranderingen hangen niet alleen af van de ontwikkeling van vocabulaire kennis, maar ook van ontwikkelingen in het sociale brein met betrekking tot ‘theory of mind’ en het nemen van perspectief. Naast de veranderingen in pragmatische taal is er in de adolescentie sprake van veranderingen in de snelle auditieve verwerking, fonemische categorisatie, motorische controle van spraak en verbale vloeiendheid.

De neurale substraten van taal in de adolescentie

In de adolescentie vinden er veranderingen plaats in de anatomische en functionele structuur van het brein. Opvallend is de ontwikkeling van plaatselijke en lange-afstandspaden van witte stof, wat veranderingen in lokale verbondenheid en verbondenheid tussen gebieden mogelijk maakt. Toenames in de volume witte stof gaan gepaard met voortdurende synaptische en neuronale pruning, wat zichtbaar wordt in een afname van de grijze stof. In de frontale en temporale hersengebieden is de afname in grijze stof het grootst. De laterale temporale kwabben ontwikkelen zich het laatst. In deze gebieden bereikt het volume grijze stof rond zestienjarige leeftijd een piek. Veranderingen in witte stof zijn belangrijk voor de taalontwikkeling, omdat witte stof de interactie en informatieoverdracht tussen systemen representeert. Zo ontwikkelt witte stof zich in de adolescentie in de fasciculus arcuatus, die receptieve taalgebieden in de posterieure temporopariëtale gebieden verbindt met inferieure frontale gebieden, die geassocieerd worden met motorische output. Onderzoek heeft aangetoond dat deze ontwikkeling samenhangt met taalprestatie op deze leeftijd.

Sensitieve perioden in de taalontwikkeling

Een sensitieve periode is een punt in de ontwikkeling, waarop gedrag maximaal beïnvloed kan worden door omgevingsinput. In neurale termen betekent dit dat de functionele plasticiteit op z’n piek is en dat de hersenstructuur en –functies het meest veranderbaar zijn, hoewel dit verandering later in de ontwikkeling niet uitsluit. Sensitieve perioden zorgen ervoor dat neurale verwerkingssystemen optimaal aangepast worden aan de omgeving van het individu. Gedurende de ontwikkeling is er sprake van meerdere sensitieve perioden voor verschillende ontwikkelingsgebieden. De sensitieve periode voor aspecten van de sensorische verwerking, zoals de visuele perceptie van beweging, vindt bijvoorbeeld het vroegst plaats. Men denkt dat veranderingen in de sensitiviteit voor de omgeving corresponderen met het verloop van synaptogenese en pruning. Het tijdsverloop en de flexibiliteit van sensitieve perioden worden bepaald door drie soorten feiten:

• De uitkomst van leren tijdens de normale ontwikkeling

• De invloed van vroege deprivatie

• Herstel van letsel op verschillende punten in de ontwikkeling

In termen van sensitieve perioden voor het leren van taal moet dan rekening worden gehouden met:

• De effecten van leeftijd op de verwerving van een tweede taal

• De invloed van vroege sociale of sensorische deprivatie

• De functionele uitkomsten van letsel aan belangrijke neurale structuren op verschillende punten in de ontwikkeling

Sensitieve perioden voor het leren van een vreemde taal

Er bestaan meerdere sensitieve perioden voor verschillende subdomeinen van taalverwerving. Subdomeinen verwijzen in dit geval naar verschillende taalniveaus, van perceptuele aspecten op het lage niveau (bijvoorbeeld verwerking van tonen) tot aspecten op hogere niveaus (bijvoorbeeld het leren van grammaticale regels). Er is meer bewijs voor sensitieve perioden voor perceptuele processen op lagere niveaus. Het leren van de fonologie van een taal kan dus een aspect van taalverwerving zijn, waarvoor een sensitieve periode bestaat. Dit idee wordt ondersteund door onderzoeksbevindingen waaruit blijkt dat de leeftijd waarop je in een ander land aankomt, samenhangt met het behouden van de fonologie van de moedertaal, zoals gemeten door de sterkte van het accent. Echter, zelfs voor dit aspect van taalverwerving is er geen duidelijk definieerbare sensitieve periode. Onder de juiste leeromstandigheden blijft het fonologische systeem gedurende het gehele leven veranderbaar.

De invloed van vroege deprivatie

Perioden waarin de mogelijkheid tot leren bestaat, zijn ook perioden van kwetsbaarheid. Linguïstische deprivatie ontstaat vaak als gevolg van een sensorisch tekort, zoals aangeboren doofheid, of extreme omgevingsdeprivatie. Echter, deprivatie binnen de eerste zes levensmaanden heeft maar een zeer kleine invloed op de lange termijn. Mogelijk heeft zelfs acute linguïstische deprivatie geen grote effecten op de lange termijn ontwikkeling, mits de deprivatie van korte duur is. Hetzelfde patroon wordt gezien bij kinderen die worden geboren met ernstige gehoorproblemen. Als zij vóór dertig maanden cochleaire implantaten krijgen beschikken zij na twee jaar over een leeftijdsgepaste woordenschat. Een belangrijk gebied voor verder onderzoek is de rol die ervaring met complexe geluiden en linguïstische input op jonge leeftijd speelt later in de taalontwikkeling. Onderzoek naar sensitieve perioden in de taalverwerving heeft een aantal implicaties voor het onderwijs. Wat betreft het leren van een tweede taal blijkt uit onderzoek dat afnames in gedragsplasticiteit geleidelijk in plaats van plotseling plaatsvinden. Zelfs aspecten van taal op lage niveaus, zoals fonologie, zijn onder de juiste leeromstandigheden ook later in de ontwikkeling nog veranderbaar. Er is daarom waarschijnlijk geen leeftijd waarop een tweede taal moet worden geïntroduceerd, hoewel de leeromgeving gemanipuleerd moet worden om leerstijlen op verschillende punten in de ontwikkeling aan te vullen. Hierbij is het belangrijk dat vaardigheden in de juiste volgorde worden aangeleerd. Fonologie moet dus worden aangeleerd voordat de woordenschat en syntaxis van een tweede taal worden aangeboden. Met betrekking tot kinderen met beperkte taalvaardigheden als gevolg van omgevingsdeprivatie blijkt dat input kan leiden tot aanzienlijke vooruitgang en normalisering van vaardigheden. Wel hebben de mate en duur van de deprivatie invloed op het succes van de interventie. Waarschijnlijk is dertig maanden een goede vuistregel voor het aanbieden van een rijke omgeving om de kans op een goede uitkomst te maximaliseren.

Hoe verloopt de ontwikkeling van de leesvaardigheid bij kinderen? - Chapter 7

Cerebrale functie

Hoewel de meeste cognitieve functies niet gelokaliseerd kunnen worden in bepaalde cerebrale gebieden, wordt de taalverwerking geassocieerd met een aantal gebieden, met name in de linker cerebrale hemisfeer. Dit werd in 1861 als eerst opgemerkt door Broca. Hij ontdekte dat letsel aan de linker inferieure frontale gyrys (IFG) leidt tot tekorten in spraak en taalbegrip. In 1874 identificeerde Wernicke een ander type stoornis, die wordt gekenmerkt door beperkt begrip en onsamenhangende spraak. Deze stoornis (Wernicke’s afasie) wordt toegeschreven aan letsel aan de linker superieure temporale gyrus (STG). Hierdoor ontstond het idee dat de IFG met name een belangrijke rol speelt bij taalproductie, terwijl de STG vooral belangrijk is voor taalbegrip. Tegen het eind van de 19^e eeuw identificeerde Dejerine twee leesstoornissen: alexie met en zonder agrafie. Alexie met agrafie werd gekenmerkt door tekorten in het lezen (alexie) en schrijven (agrafie), die gerelateerd waren aan letsel aan de linker gyrus angularis. Alexie zonder agrafie werd daarentegen enkel gekenmerkt door tekorten in het lezen en hing samen met letsel aan de linker occipitale cortex en het splenium van de corpus callosum. Op basis van het verband tussen corticaal letsel en taalbeperkingen ontwikkelde Wernicke een model voor taalverwerking. Volgens dit model is de STG (wordt ook wel het gebied van Wernicke genoemd) de onderliggende structuur voor taalverwerking. De taalproductie verloopt als volgt:

1. Concepten van het mentale woordenboek (opslag van visuele woordvormen) worden verwerkt door de STG.

2. De concepten worden via de fasciculus arcuatus naar de IFG (wordt ook wel het gebied van Broca genoemd) gebracht, waar een gedetailleerd en gecoördineerd vocalisatieprogramma wordt geformuleerd.

3. Deze informatie wordt naar de primaire motorische cortex gebracht, waar verdere verwerking leidt tot spraak.

Wernicke’s model van taalbegrip volgt een omgekeerd pad:

1. Auditieve input gaat van de primaire auditieve cortex naar de STG voor coherente decodering.

2. De auditieve input wordt vervolgens in de IFG geïntegreerd om interne vocalisatie te vormen.

3. Deze interne vocalisatie wordt naar het mentale woordenboek gebracht om de betekenis ervan op te halen.

Sinds de tijd van Broca, Wernicke en Dejerine zijn er verschillende andere soorten taalbeperkingen geïdentificeerd, waarvan de meerderheid wordt geassocieerd met letsel aan linker corticale gebieden. Vanaf het eind van de jaren ’80 en de ontwikkeling van neuroimaging technieken is het mogelijk om taalverwerking te bestuderen bij gezonde individuen en individuen met hersenletsel (in vivo in plaats van post mortem onderzoek). Hierdoor wordt het mogelijk om kennis op een meer gecontroleerde en betrouwbare manier te verzamelen, bijvoorbeeld over het leesproces.

Leesontwikkeling

Lezen begint met de visuele identificatie van woordvormen en eindigt met begrip. Sommige woorden kunnen snel en gemakkelijk worden gelezen, zoals simpele, bekende, korte woorden die consistent worden gespeld. Complexe, onregelmatige, zeldzame of niet-bestaande woorden kosten daarentegen meer tijd en moeite om te herkennen. Het Cambridge effect verwijst naar de tolerantie voor de positie van letters. Het lezen van korte, simpele, veelvoorkomende woorden lukt zelfs als de letters door elkaar heen staan. Het Cambridge effect suggereert dat er verschillende leesstrategieën zijn: op de twee uiteinden van het continuüm liggen herkenning van gehele woorden en het letter-voor-letter lezen.

Theorieën van het leesproces

Er zijn meerdere theorieën ontwikkeld om het leesproces te verklaren. Het duale-route model van lezen stelt dat er twee parallelle mechanismen bestaan:

• Lexicale route: een snel en direct proces, waarbij woorden direct worden herkend. Er wordt meteen een verband gelegd tussen het woordbeeld en de betekenis hiervan in het mentale woordenboek.

• Sublexicale/fonologische route: het woordbeeld wordt letter voor letter omgezet in klanken. Deze route wordt genomen in het geval van nieuwe woorden, die nog niet in het mentale woordenboek staan.

Volgens het duale-route model worden beide routes tijdens het lezen op een competitieve manier tegelijkertijd geactiveerd. Veelvoorkomende woorden worden snel en efficiënt gelezen door de snelle activering van de lexicale route. In het geval van weinig voorkomende woorden is er daarentegen meer tijd nodig, waardoor tegelijkertijd de sublexicale route geactiveerd kan worden. Dit creëert een conflict tussen beide routes. In deze gevallen kan de voorkeur voor één van beide routes worden beïnvloed door factoren als spellingconsistentie en woordlengte. Een ander model is het parallel verdeelde connectionistische leesmodel. Dit model stelt dat woorden en niet-bestaande woorden worden gelezen door middel van één mechanisme op basis van de ervaring van de lezer. Volgens dit model vindt lezen plaats door een interactief proces dat steunt op verbindingen tussen orthografie, fonologie en semantiek. Deze interne representaties worden gemoduleerd door het niveau van visuele blootstelling aan woorden door middel van leeservaring. Het grootste verschil tussen beide modellen ligt in het principe van binariteit bij het duale-route model (twee afzonderlijke routes) versus de geleidelijke aard van het connectionistische model.

Leesbeperkingen

Leesbeperkingen, zoals dyslexie, illustreren de complexiteit van het leesproces. Het vroege inzicht in leesprocessen is grotendeels afkomstig van de identificatie van verschillende soorten verworven leesbeperkingen en het onderscheid tussen deze beperkingen. Verworven leesbeperkingen zijn het gevolg van hersenletsel. Bij ontwikkelingsdyslexie is de leesbeperking daarentegen al vanaf de vroege kindertijd zichtbaar en is er geen sprake van neurologisch letsel. Hoewel dyslexie wordt beschouwd als neurobologische stoornis met een genetische oorsprong, kunnen de gedragssymptomen verschillende onderliggende oorzaken hebben. De meest prevalente theorie van dyslexie is de fonologische tekorthypothese, die stelt dat tekorten in de representatie, de opslag en/of het terughalen van spraakgeluiden leiden tot beperkingen in het leren van koppelingen tussen geschreven letters (grafemen) en de bijbehorende geluiden (fonemen).

Neuroimaging studies van lezen

Uit neuroimaging studies komt naar voren dat de vroege visuele analyse van woorden plaatsvindt in de bilaterale occipitale cortex. Geleidelijk worden de linker occipitale gebieden hierbij betrokken voor de orthografische verwerking. Vervolgens vindt de lexicale/semantische verwerking met name plaats in het anterieure deel van de linker inferieure frontale gyrus en middelste frontale gyrus. De sublexicale/fonologische verwerking vindt daarentegen vooral plaats in gebieden rond de linker precentrale gyrus en het laterale deel van de inferieure frontale cortex. Gebieden die functioneren als mediatoren tussen orthografische en fonologische informatie liggen in de linker associatiecortex en in gebieden rond de superieure temporale gyrus. Op basis van deze informatie is figuur 7.1 op bladzijde 177 een plausibele schematische representatie van de hersengebieden die betrokken zijn bij het leesproces bij volwassenen.

Hersenactiviteit bij lezers met en zonder dyslexie

Bij volwassen lezers zonder dyslexie vindt het leesproces dus plaats in een frontopariëtaal netwerk, dat links is gelateraliseerd. Dit netwerk omvat gebieden als de inferieure frontale gyrus, de gyrus angularis en supramarginale gyrus en een gebied van de inferotemporale cortex, dat vaak het visuele woordvormgebied wordt genoemd. Bij lezers met dyslexie is er sprake van minder activiteit in de linker inferieure frontale cortex, waaronder in de volgende gebieden:

• Het gebied van Broca: output fonologie en articulatieprocessen

• Supramarginale gyrus: fonologische verwerking

• Gyrus angularis: omzetting van visuele naar fonologische informatie

• Inferieure temporale cortex (visueel woordvormgebied): encodering van letters en snelle herkenning van bekende woorden

Deze onderzoeksbevindingen hebben geleid tot het idee dat de disfunctie van frontopariëtale gebieden, die nodig zijn voor fonologische verwerking, kan leiden tot een slechte ontwikkeling van occipitotemporale gebieden, die nodig zijn voor snelle woordherkenning. Kortom, gesteld wordt dat de fonologische verwerking het primaire tekort is bij dyslexie. Meer recentelijk heeft onderzoek gesuggereerd dat de slechte leesvaardigheden van mensen met dyslexie ook het gevolg zijn van tekorten in de visuele aandachtsspanne. Mogelijk zijn disfuncties in de linker superieure pariëtale gebieden, die betrokken zijn bij visuele aandacht, een onderliggende oorzaak van leesproblemen. Onderzoek heeft aangetoond dat er slechts subtiele verschillen bestaan tussen het neurale systeem bij lezers met en zonder dyslexie. Dyslectische lezers gebruiken grotendeels hetzelfde netwerk als lezers zonder dyslexie, maar verschillen in de mate of intensiteit van de geactiveerde gebieden. Dit leidt tot de vraag of de situatie hetzelfde is op eerdere momenten n de ontwikkeling. Zijn de patronen van activiteit bij dyslectische volwassenen het gevolg van een leven lang slecht lezen of worden kinderen met dyslexie ook gekenmerkt door abnormale neurale verwerking

Onderwijskundige neurowetenschappen en dyslexie

Er is onderzoek gedaan onder kinderen met en zonder dyslexie. Zij moesten taken uitvoeren die een beroep doen op de visuele, fonologische en semantische verwerking. Uit dit onderzoek blijkt dat kinderen met dyslexie bij het uitvoeren van deze taken minder activiteit vertonen in de linker posterieure gebieden dan kinderen zonder dyslexie. Daarnaast heeft onderzoek aangetoond dat het patroon van hersenactiviteit samenhangt met de leeftijd van kinderen met dyslexie. Oudere kinderen met dyslexie activeren de inferieure frontale cortex meer bilateraal dan jongere dyslectische kinderen. Dit onderzoeksresultaat suggereert dat kinderen met dyslexie door middel van leeservaring leren compenseren voor verstoringen in de posterieure gebieden.

Interventiestudies

Eén van de doelen van het onderzoeken van de neurale factoren die samenhangen met leesbeperkingen is het definiëren van het specifieke type tekort, om specifieke soorten onderwijskundige remediatie aan te passen. Hieronder worden een aantal studies samengevat, die onderzoek hebben gedaan naar de effecten van remediale begeleiding op patronen van neurale activiteit en verbondenheid in het brein van kinderen. Shaywitz en collega’s hebben onderzoek gedaan naar de effecten van remediale begeleiding op het vloeiend lezen en patronen van activiteit in occipitotemporale gebieden. De experimentele interventie was gericht op het ontwikkelen van fonologische kennis en het begrijpen van het verband tussen orthografie en fonologie. Er waren drie onderzoeksgroepen:

• Dyslectische kinderen, die de experimentele interventie ontvingen.

• Dyslectische kinderen, die de reguliere begeleiding ontvingen.

• Controlegroep met kinderen zonder dyslexie.

Alle kinderen werden vóór en na de interventieperiode door middel van fMRI gescand. Kinderen die de experimentele interventie hadden ontvangen, werden ook een jaar na de interventie gescand. In de scanner moesten de kinderen een letter-identificatie taak uitvoeren, waarbij ze aan moesten geven of een uitgesproken letter paste bij de letter op het beeldscherm en andersom. De taak had twee experimentele condities:

• Makkelijke conditie met fonologisch ongelijke letters, zoals B en K

• Moeilijke conditie met op elkaar lijkende letters, zoals B en T

Vóór de interventie was het leesniveau van kinderen met dyslexie aanzienlijk lager dan van de controlekinderen zonder dyslexie. Uit het onderzoek bleek dat kinderen die de experimentele interventie hadden ontvangen een significante verbetering in leesniveau vertoonden, terwijl dit niet het geval was bij de kinderen die reguliere begeleiding hadden ontvangen. Ook het patroon van hersenactiviteit tijdens de letter-identificatie taak verschilde significant tussen de groepen, zowel vóór als na de interventie. De experimentele interventiegroep vertoonde toegenomen activiteit in gebieden in de linker hemisfeer, zoals in de inferieure frontale gyrus en de posterieure middelste temporale gyrus. Dit patroon van hersenactiviteit was hetzelfde als bij de controlegroep. Kortom, deze studie biedt bewijs dat een evidence-based interventie kan leiden tot een verbetering in leesniveau, wat geassocieerd lijkt te zijn met de vorming van nieuwe neurale verbindingen die lijken op degene die te zien zijn bij kinderen zonder dyslexie.

Er is ook onderzoek gedaan naar de effecten van een fonologische interventie op de functionele verbondenheid tussen verschillende gebieden in het leesnetwerk, namelijk de inferieure frontale gyrus, de middelste frontale gyrus occipitale cortex en het cerebellum. Voorafgaand aan de interventie verschilden de kinderen met en zonder dyslexie in de functionele verbondenheid. Na de interventie waren deze verschillen echter verdwenen. De onderzoekers suggereren dat dyslectische kinderen vóór de interventie een op het geheugen gebaseerde strategie gebruikten. Dit is te zien aan overmatige functionele verbondenheid tussen linker en rechter frontale gebieden, wat interfereert met een efficiënte fonologische verwerking. Na de interventie was deze overmatige verbondenheid tussen de linker en rechter inferieure frontale gyrus afgenomen en was er sprake van meer verbondenheid binnen linker gelateraliseerde frontopariëtale gebieden. Dit patroon van functionele verbondenheid lijkt meer op dat van kinderen zonder dyslexie.

Verbindingen tussen hersengebieden

Er is onderzoek gedaan naar de functionele verbondenheid tussen het linker occipitotemporale systeem, dat betrokken is bij visuele woordverwerking, en de rest van het meer anterieure leesnetwerk. Dyslectische kinderen vertonen een verstoorde verbondenheid tussen het gebied rond de linker fusiforme gyrus en meer anterieure gebieden:

• Minder verbondenheid et de linker inferieure frontale en inferieure pariëtale gebieden

• Meer verbondenheid met linker middelste en linker superieure temporale gyri

Dit verstoorde patroon van verbondenheid hangt samen met de fonologische verwerking en kan belemmerend zijn voor de ontwikkeling van vaardigheden die essentieel zijn voor efficiënt lezen. Er is eveneens onderzoek gedaan naar de paden van witte stof die de verschillende corticale gebieden van het leesnetwerk met elkaar verbinden. Dit onderzoek maakt geen vergelijking tussen kinderen met en zonder dyslexie, maar vergelijkt kinderen zonder dyslexie met variërende leesniveaus. Hieruit komt naar voren dat er een sterk verband bestaat tussen leesniveau en witte stof verbondenheid tussen de linker temporopariëtale paden. Deze paden verbinden temporale en pariëtale gebieden, die geassocieerd worden met fonologische verwerking en onderactief zijn bij kinderen met dyslexie. Met andere woorden: bovengemiddelde lezers vertonen een grotere verbondenheid dan gemiddelde en benedengemiddelde lezers.

Het voorspellen van leesniveau

Er is onderzocht of en hoe gecompenseerde en hardnekkige dyslecten van elkaar verschillen. Gecompenseerde dyslecten zijn degenen die op de basisschool werden geïdentificeerd als slechte lezers, maar niet meer op de middelbare school. Hardnekkige dyslecten hebben zowel op de basisschool als de middelbare school leesproblemen. De onderzoeksbevindingen suggereren dat gecompenseerde dyslecten hebben geleerd om te steunen op gecompenseerde neurale systemen. Daarnaast suggereren de resultaten dat gecompenseerde en hardnekkige dyslecten verschillen in de verbondenheid van het visuele systeem en hogere-orde cognitieve systemen. Studies die leesprestaties op basis van patronen van corticale activiteit kunnen voorspellen, hebben de neuroprognose naar het onderwijs gebracht. Deze term verwijst naar het gebruik van neuroimaging om toekomstige veranderingen in neurologische syndromen te voorspellen. Het vermogen om veranderingen in leesniveau te voorspellen op basis van patronen van corticale activiteit en integriteit van witte stof kan helpen bij het aanpassen van specifieke onderwijskundige interventies. Deze interventies kunnen effectief zijn voor kinderen waarvan de leesprestaties waarschijnlijk niet over de tijd heen en met alleen regulier onderwijs zullen verbeteren.

Lezen in verschillende talen

De snelheid van de leesontwikkeling in verschillende talen kan verschillen op basis van het niveau van orthografische transparantie. Dit concept verwijst naar de mate van overeenkomst tussen de geschreven eenheden en hun geluiden. Talen als Italiaans en Spaans zijn bijvoorbeeld extreem transparant, waarbij er bijna sprake is van een één-op-één correspondentie tussen de letters en hun geluiden. Talen als Hebreeuws, Japans en Chinees zijn daarentegen helemaal niet transparant. De leesontwikkeling verloopt trager naarmate de taal minder transparant is. Wel bereiken lezers in verschillende talen uiteindelijk overeenkomstige niveaus van vloeiendheid en nauwkeurigheid. Leesstoornissen, zoals dyslexie, komen wereldwijd voor. Hoewel dyslecten in verschillende landen dezelfde fonologische tekorten vertonen, komt de stoornis op verschillende manieren tot uiting, afhankelijk van de orthografische transparantie van de taal die wordt geleerd. In talen met een transparante orthografie wordt de leesstoornis zichtbaar door een extreem traag leestempo en spellingsproblemen. Bij talen met een niet-transparante orthografie komt de leesstoornis met name tot uiting in een slechte nauwkeurigheid, naast een traag leestempo en spellingproblemen. Daarnaast is het aannemelijk dat kinderen met leesproblemen sneller opgeven wanneer ze een niet-transparante orthografie moeten leren lezen. Een veelvoorkomend probleem is dat een slechtere leesontwikkeling in de tweede taal vaak wordt toegeschreven aan een lagere taalvaardigheid. Deze aanname kan een onderliggend tekort verhullen, waar overheen gekeken kan worden. Tegelijkertijd leidt kennis van een tweede taal soms tot het onterechte diagnosticeren van een leesstoornis. Het toepassen van de neurowetenschappelijke benadering voor het onderzoeken van lezen en leesstoornissen bij tweetalige kinderen kan daarom helpen bij een nauwkeurige neuroprognose bij tweetalige kinderen met een risico van een leesstoornis.

Hoe verloopt de ontwikkeling van de rekenvaardigheid bij kinderen? - Chapter 8

Neuraal netwerk voor rekenen

Kennis over de hersengebieden die betrokken zijn bij rekenen is op twee manieren verworven:

• Onderzoek naar het effect van hersenletsel: welke invloed heeft letsel aan gebied A op verschillende aspecten van wiskundige verwerking? Sinds kort is het mogelijk om door middel van transcraniële magnetische stimulatie tijdelijke neurale verstoringen op te wekken in het normale brein.

• Onderzoek naar herenactiviteit als iemand zonder hersenletsel een wiskundige taak uitvoert. Functionele MRI geeft een redelijke lokalisatie, maar geeft weinig informatie over het tijdsverloop van de cognitieve processen, omdat het veranderingen in doorbloeding meet, wat traag reageert op de activiteit van hersencellen. EEG meet veranderingen in elektrische potentialen over de schedel. EEG geeft een goede tijdelijke resolutie, maar een slechte ruimtelijke resolutie.

Er zijn drie gebieden in de pariëtale kwabben die erg belangrijk zijn voor getallen en wiskunde:

• Intrapariëtale sulcus (IPS): de neurale tegenhanger van de grootterepresentaties van getalsymbolen. Zowel de linker als rechter IPS zijn actief bij de meeste numerieke taken.

• Linker gyrus angularis (GA): betrokken bij het terughalen van eerder geleerde rekensommen.

• Posterieure superieure pariëtale kwab (PSPK): betrokken bij het koppelen van getallen aan ruimte, bijvoorbeeld bij het tellen van zichtbare objecten.

Ook andere hersengebieden spelen een belangrijke rol bij wiskundige cognitie en de rekenontwikkeling:

• Rechter fusiforme gyrus (FG): betrokken bij de verwerking van de visuele vorm van wiskundige symbolen.

• Rechter inferieure frontale gyrus (IFG): betrokken bij het ruimtelijk werkgeheugen en bij fenomenen die getallen aan ruimte koppelen.

• Prefrontale cortex: voor meer abstract wiskundig denken en het oplossen van nieuwe problemen.

Zie figuur 8.1 op bladzijde 204 voor een schematische weergave van deze hersengebieden en de rol die zij spelen bij wiskundige cognitie.

Theoretische achtergrond

In de samenleving worden getallen op verschillende manieren gebruikt. De focus ligt in dit hoofdstuk op getallen als abstracte eigenschappen van sets. Dit zijn kardinale getallen of numerositeiten, die worden geordend op grootte. Een andere bekende manier om getallen te gebruiken, is het ordenen van dingen, zoals de bladzijden van een boek. Bladzijde 100 is niet groter dan bladzijde 99. Deze getallen worden ordinale getallen of rangen genoemd. Weer een ander gebruik van getallen is als labels. Bij bijvoorbeeld telefoonnummers is noch de grootte van het getal noch de volgorde ervan relevant.

Twee belangrijke effecten

Als mensen met symbolische getallen werken, is het vaak belangrijk om te weten hoe ze de getallen interpreteren. Worden representaties van numerieke grootte opgewekt als ze een wiskundige taak uitvoeren? Er zijn twee effecten om dit te testen. Het eerste effect is het ‘afstandseffect’: bij het vergelijken van de grootte van twee getallen (welke groter of kleiner is) neemt de reactietijd af naarmate het verschil in grootte tussen beide getallen groter is. Het afstandseffect bij het vergelijken van twee symbolische getallen heet het symbolische afstandseffect, terwijl het vergelijken van de numerositeiten van twee sets objecten het non-symbolische afstandseffect wordt genoemd. Het is belangrijk om deze twee taken van elkaar te onderscheiden, omdat het mogelijk is dat iemand wel in staat is tot uitvoering van de ene taak, maar niet tot uitvoering van de andere taak. Als je de non-symbolische taak (waarbij de grootte direct gerepresenteerd is in de stimulus) bijvoorbeeld goed kunt uitvoeren, maar moeite hebt met de symbolische taak, kan dit duiden op een probleem bij het maken van de koppeling tussen het getal en de bijbehorende grootterepresentatie. Het andere effect is het probleemgrootte effect: reacties zijn trager en minder nauwkeurig naarmate getallen groter worden.

Rekenontwikkeling in de babytijd en vroege kindertijd (0-5 jaar)

Baby’s hebben een aangeboren vermogen om stimuli op basis van hun numerositeit te representeren en onderscheiden. Veel studies maken gebruik van een dishabituatie paradigma, dat gebruik maakt van het feit dat baby’s langer naar een stimulus kijken die van eerdere stimuli verschilt. Onderzoek heeft aangetoond dat baby’s gevoelig zijn voor veranderingen in kleine numerositeiten. Eenzelfde paradigma is gebruikt om onderzoek te doen naar de neurale reactie op veranderingen in numerositeit. Hierbij werd gebruik gemaakt van ‘event-related potentials’ (ERP’s) van baby’s van drie maanden, terwijl zij een continue stroom afbeeldingen aangeboden kregen. Iedere afbeelding toonde een set identieke objecten: de habituatie-afbeeldingen. De meeste sets hadden dezelfde numerositeit en hetzelfde object, maar er waren een aantal afbeeldingen die verschilden van de habituatie-afbeeldingen in aantal en/of object. Hierdoor werd het mogelijk om een vergelijking te maken tussen de ERP’s opgewekt door veranderingen in numerositeit en door veranderingen in het object. Uit het onderzoek bleek dat alle veranderingen in numerositeit leidden tot een dishabituatie-effect (een verschil in het patroon van ERP’s). Het effect van veranderingen in numerositeit was anders dan het effect van veranderingen in object. Het was dus niet simpelweg verandering waar het brein op reageerde, er was sprake van een specifiek effect van verandering in numerositeit. Er was met name een grote reactie in de rechter pariëtale kwab; een gebied dat betrokken is bij de verwerking van numerositeit bij volwassenen. Kortom, baby’s beschikken niet alleen over de cognitieve capaciteit om numerositeiten van elkaar te onderscheiden, maar het neurale mechanisme dat leidt tot volwassen competentie is ook al aanwezig.

Rekenontwikkeling in de basisschoolperiode (5-12 jaar)

Het afstandseffect is gebruikt om onderzoek te doen naar de natuurlijke getallenrepresentaties van kinderen van basisschoolleeftijd wanneer zij sets objecten en getallen met elkaar vergelijken. Zo vertonen kinderen van zes tot en met tien jaar een non-symbolisch afstandseffect bij het vergelijken van sets objecten. Naarmate mensen ouder worden, worden ze nauwkeuriger in het vergelijken van numerositeiten. Er is onderzoek gedaan naar de neurale tegenhanger van numerositeit bij tienjarige kinderen en volwassenen. De kinderen vertoonden een neuraal afstandseffect (meer activering bij getallen met een kleine afstand dan met een grote afstand) in de linker intrapariëtale sulcus (IPS). De volwassenen vertoonden een neuraal afstandseffect in zowel de linker als rechter IPS. Deze onderzoeksresultaten suggereren dat jonge kinderen en volwassenen vergelijkbare representaties van grootte hebben, met een overeenkomstige neurale basis. Samenvattend duiden onderzoeksbevindingen op zowel continuïteiten als discontinuïteiten in de cijferontwikkeling. Kinderen vertonen non-symbolische afstandseffecten die vergelijkbaar zijn met die van volwassenen, zowel gedragsmatig als neurologisch. Dit suggereert een gemeenschappelijke representatie van numerositeit in de IPS. Wat betreft het symbolische afstandseffect blijkt dat zowel kinderen als volwassenen dit effect gedragsmatig vertonen, maar dat er een neuraal verschil is. De onderzoeksresultaten duiden dus op een ontwikkelingsdiscontinuïteit in de manier waarop getallen worden verwerkt.

Rekenontwikkeling in de volwassenheid

Onderzoek heeft bij volwassenen zowel non-symbolische als symbolische afstandseffecten aangetoond. De aanname is dat beide effecten een gemeenschappelijke grootterepresentatie reflecteren. Deze aanname wordt ondersteund door recentelijke onderzoeksbevindingen met betrekking tot de neurale onderliggers van deze effecten. Over het algemeen wekken nabije cijfers meer activiteit op in de bilaterale intrapariëtale sulcus (IPS) dan ver van elkaar gelegen cijfers, of het nou gaat om het vergelijken van numerositeiten of getalsymbolen. Er vindt van de basisschool tot de volwassenheid een ontwikkelingsverschuiving plaats in het begrijpen van natuurlijke getalsymbolen. Bij kinderen is de rechter prefrontale cortex de neurale tegenhanger van het symbolische afstandseffect. De rechter prefrontale cortex wordt geassocieerd met executieve functies en gecontroleerde cognitie. Voor kinderen is het koppelen van getalsymbolen aan grootte een proces waarvoor inspanning vereist is. De neurale tegenhanger is bij volwassenen daarentegen de bilaterale IPS, wat duidt op een meer geïntegreerde neurale representatie van getalsymbolen en hun bijbehorende grootte. Gedurende de ontwikkeling gaan kinderen van strategische verwerking naar een combinatie van symboolverwerking, automatisch terughalen uit het geheugen en grootteverwerking.

Belichaamd begrip van getallen en rekenkunde

Hoewel de nadruk tot nu toe lag op de abstracte aard van getallen (numerositeit is een eigenschap van een set), denken mensen ook op een meer belichaamde manier over getallen na. Veel culturen hebben manieren om numerositeiten en telstrategieën in termen van lichaamsdelen te representeren. We tellen en tonen getallen op onze vingers, omdat vingers gemakkelijk gemanipuleerd kunnen worden. Zelfs in het presenteren van getallen tot tien zijn er culturele gebruiken. Om één aan te geven, wordt in Noord-Europa bijvoorbeeld de wijsvinger opgestoken, maar in Zuid-Europa de duim. Ongeletterde culturen zonder woorden voor getallen gebruiken naast de vingers andere lichaamsdelen om getallen boven tien te representeren.

Daarnaast denken mensen op een ruimtelijke manier over getallen na. Dit wordt deels verklaard doordat we getallen in het dagelijks leven als ruimtelijk geordend zien, zoals op klokken. Op school worden de getallen één tot en met tien bijna altijd van links naar rechts geschreven en op getallenlijnen bevinden de kleinere cijfers zich aan de linkerkant en de grotere cijfers aan de rechterkant. Er is zelfs een onbewust verband tussen kleine getallen en de linkerzijde van de ruimte en tussen grote getallen en de rechterzijde van de ruimte. Dit werd als eerst aangetoond door Dehaene en collega’s. Zij vroegen onderzoeksparticipanten of een getal tussen één en negen even of oneven was. De onderzoeksparticipanten moesten op de linkerknop drukken bij oneven getallen en op de rechterknop bij even getallen. De reactietijd is sneller met de linkerhand voor kleine getallen en de rechterhand voor grote getallen. Dit wordt het ‘spatial-numerical association of response codes’ (SNARC) effect genoemd. Bij het SNARC effect zijn dezelfde hersengebieden betrokken als bij getalverwerking in de pariëtale cortex, wat duidt op een intrinsiek verband tussen getal en ruimte. Echter, er is ook bewijs dat suggereert dat het mentale verband tussen getallen en ruimte afhangt van ervaring en de taak. Het SNARC effect lijkt ervan afhankelijk te zijn of de taak een gelateraliseerde motorische reactie vereist. Er bestaat een verband tussen wiskundig denken en visuomotorische verwerking. Het Gerstmann syndroom is een combinatie van vier beperkingen: twee beperkingen met betrekking tot symboolsystemen (dyscalculie en dysgrafie) en twee beperkingen met betrekking tot het visuomotorische systeem (links-rechts desoriëntatie en vingeragnosie). Dit syndroom wort geassocieerd met letsel aan de linker gyrus angularis.

Individuele verschillen in wiskundeniveau

Er zijn vele mogelijke oorzaken van individuele verschillen in rekenniveau. Sommige oorzaken kunnen alle vakken op school beïnvloeden, zoals het intelligentieniveau of de capaciteit van het werkgeheugen. De focus ligt hier echter op verschillen die specifiek zijn voor het leren van wiskunde. Allereerst wordt het afstandseffect besproken: het verschil in reactietijd tussen tragere vergelijkingen van nabije getallen (bijvoorbeeld 8 versus 9) en snelle vergelijkingen van ver van elkaar gelegen getallen (bijvoorbeeld 1 versus 9). De meeste mensen vertonen een afstandseffect. Echter, sommigen vertonen geen afstandseffect en enkelen vertonen een omgekeerd afstandseffect (zij reageren sneller als getallen dichter bij elkaar liggen).

Basisschoolperiode (5-12 jaar)

Uit cross-sectioneel onderzoek onder zes- tot en met achtjarigen blijkt dat de grootte van het symbolische afstandseffect voorspellend is voor de rekenkundige vloeiendheid van kinderen, zelfs na het controleren voor leeftijd, ruwe verwerkingssnelheid en andere algemene variabelen. De grootte van het non-symbolische afstandseffect is daarentegen geen voorspeller van rekenkundige vloeiendheid. Ook longitudinaal onderzoek heeft aangetoond dat de grootte van het symbolische afstandseffect voorspellend is voor wiskundeniveau. Dit biedt sterker bewijs dat een verband tussen getalsymbolen en grootterepresentaties belangrijk is voor het wiskundeniveau.

Middelbare schoolperiode en adolescentie (12-18 jaar)

Onder middelbare scholieren is slechts één onderzoek gedaan naar het verband tussen individuele verschillen in wiskundige cognitie en wiskundeniveau. Hieruit komt naar voren dat individuele verschillen in de grootte van het non-symbolische afstandseffect retroactief gerelateerd zijn aan individuele verschillen in wiskundeniveau. Dit onderzoeksresultaat met de bevindingen die hierboven besproken zijn voor de basisschoolperiode, dus er moet meer onderzoek naar worden gedaan.

Volwassenheid

Uit onderzoek onder volwassenen blijkt dat wiskundeniveau positief samenhangt met activiteit in de linker gyrus angularis. Dit gebied is betrokken bij het terughalen van rekenfeiten. Dit onderzoek suggereert dus dat individuele verschillen in wiskundeniveau deels het gevolg zijn van het vermogen om snel rekenfeiten uit het geheugen terug te halen.

Dyscalculie

Ontwikkelingsdyscalculie wordt gedefinieerd als een laag wiskundeniveau, terwijl er sprake is van een gemiddeld intelligentieniveau en toegang tot onderwijs. De prevalentieschattingen variëren tussen 3% en 6%. Dyscalculie is een aangeboren stoornis, vaak geërfd, die tot de volwassenheid kan blijven bestaan. Het kan voorkomen in combinatie met een normaal of hoogbegaafd intelligentieniveau en werkgeheugen. Er lijkt dus sprake te zijn van een tekort specifiek voor het leren rekenen.

Dyscalculie als kerntekort in het verwerken van numerositeiten

Dyscalculie is het gevolg van een kerntekort in het representeren en verwerken van numerositeiten. Mensen met dyscalculie missen een intuïtief gevoel van de numerositeiten van sets, wat leidt tot een laag rekenniveau. Deze beperking heeft verreikende effecten, omdat getallen en rekenkunde de basis vormen voor wiskunde van hoger niveau. Het is belangrijk om onderscheid te maken tussen leerlingen die slecht zijn in wiskunde en dyscalculische leerlingen. Dyscalculie betekent niet alleen slecht zijn in wiskunde, maar ook het kerntekort hebben. Om de stoornis te diagnosticeren, zijn tests nodig van zeer simpele numerositeitverwerking, die slechts minimaal afhangen van toegang tot geschikt onderwijs.

Dyscalculie in de basisschoolperiode (5-12 jaar)

De kerntekorthypothese is consistent met de hierboven besproken onderzoeksbevinding dat individuele verschillen in wiskundeniveau op de basisschool retroactief voorspeld worden door de grootte van het non-symbolische afstandseffect in de adolescentie. Verschillende studies hebben aangetoond dat simpele numerositeit, zoals het noemen van het aantal objecten in een set of het vergelijken van de numerositeit van twee sets, defect is bij dyscalculie. Een andere mogelijkheid is dat dyscalculie het gevolg is van een tekort in het koppelen van getalsymbolen aan intacte representaties van numerieke grootte. Deze hypothese is consistent met de hierboven besproken onderzoeksbevinding dat het wiskundeniveau in de basisschoolperiode wordt voorspeld door de grootte van het symbolische afstandseffect. Uit onderzoek blijkt dat er bij dyscalculische mensen sprake is van structurele verschillen in het brein, namelijk in de linker en rechter intrapariëtale sulcus: de hersengebieden die betrokken zijn bij numerositeitverwerking. In deze gebieden is een verminderde dichtheid van grijze stof gevonden.

Onderwijs voor het wiskundige brein

Een obstakel voor het koppelen van neurowetenschappen aan onderwijs is dat neurowetenschappelijke methoden vaak niet gemakkelijk verplaatst kunnen worden naar het onderwijs. Echter, neurowetenschappers zijn begonnen met het in laboratoria bestuderen van elementen van wiskundig denken en leren die op school plaatsvinden. De onderzoeksresultaten wijzen in de richting van nieuwe instructies voor het onderwijs en veelbelovende instructionele interventies voor leerlingen met dyscalculie. In de jaren ’50 en ’60 waren Piaget’s constructivistische theorieën over de cognitieve ontwikkeling zeer invloedrijk in het onderwijs. Het constructivisme benadrukt de constructie van nieuwe schema’s (accommodatie) door het kind als nieuwe stimuli niet begrepen kunnen worden met behulp van bestaande schema’s (assimilatie). Veel mensen die onderzoek doen naar wiskunde onderwijs blijven de voorkeur geven aan constructivistische in plaats van directe instructie. Terwijl directe instructie ervan uit gaat dat kennis redelijk direct overgebracht kan worden van leerkracht op leerling, stelt de constructivistische instructie dat leerlingen hun eigen kennis moeten construeren. De nadruk ligt op actieve leerstrategieën, zoals het spelen van een spel. Het neuroconstructivisme is gebaseerd op Piaget’s ideeën. Dit perspectief stelt dat neurale specialisaties in het brein niet direct geërfd worden, maar dat de organisatie van het brein wordt gevormd door interactie met de omgeving en dat specialisatie grotendeels het gevolg is van gemeenschappelijke ervaringen en enige intrinsieke biases in neurale receptiviteit voor bepaalde soorten informatie.

Instructiemethoden

Directe instructie verwijst naar traditionele onderwijsactiviteiten, zoals lezingen, huiswerk en toetsen. Er is onderzoek gedaan naar de neurale gevolgen van één aspect van directe instructie, namelijk oefening. Volwassenen oefenden met het oplossen van 18 complexe vermenigvuldigingsproblemen. Vervolgens moesten ze in een scanner complexe vermenigvuldigingsproblemen narekenen. Met de helft van de problemen hadden ze geoefend en met de andere helft niet. De onderzoeksparticipanten waren sneller en nauwkeuriger in het narekenen van de getrainde items dan de niet-getrainde items. Daarnaast activeerden beide soorten problemen verschillende corticale netwerken:

• Ongetrainde items: de bilaterale intrapariëtale sulcus (betrokken bij grootteverwerking) en bilaterale inferieure frontale gyrus (betrokken bij executieve functies en het verbale werkgeheugen). Dit is hetzelfde frontopariëtale netwerk dat geactiveerd wordt als participanten middels zelfrapportage aangeven dat zij bij het oplossen van simpele rekenproblemen gebruik maken van strategische verwerking, waarbij inspanning nodig is.

• Getrainde items: de linker gyrus angularis (betrokken bij het terughalen van dingen uit het geheugen bij het oplossen van simpele rekenproblemen).

Dit onderzoeksresultaat toont aan dat oefening (een component van directe instructie) leidt tot een verschuiving van verwerking op basis van een strategie naar verwerking op basis van het geheugen. Ander onderzoek heeft bestudeerd of oefening verschillende effecten heeft in het geval van vermenigvuldiging dan wel aftrekking. Participanten reageerden wederom sneller en nauwkeuriger op getrainde dan ongetrainde items, ongeacht het type bewerking. Op neuraal niveau zijn de resultaten voor vermenigvuldiging hetzelfde als hierboven beschreven: training leidt tot een verschuiving van activiteit in het frontopariëtale netwerk naar activiteit in de linker gyrus angularis. De resultaten op neuraal niveau waren daarentegen anders voor aftrekking: zowel getrainde als ongetrainde items leidden tot activering van het frontopariëtale netwerk, dat wordt geassocieerd met een strategische verwerking. Dit suggereert dat de neurale gevolgen van oefening afhangen van het wiskundige concept dat wordt geoefend. Deze bevinding impliceert dat wiskundeleerkrachten verder moeten kijken dan directe instructie als het doel is om aftrekking te automatiseren.

Individuele verschillen

De neurowetenschappen kunnen helpen bij het identificeren van sterke en zwakke punten van individuele leerlingen. Deze informatie kan helpen bij het ontwerpen van een onderwijscontext, die geschikt is voor de betreffende leerling. Dit houdt in dat ervoor wordt gezorgd dat de leercontext adaptief is voor de huidige behoeften en de ‘zone van proximale ontwikkeling’ van het individu. Dit omvat het specificeren van de inhoud die verworven moet worden en een tempo dat geschikt is voor de leerling. Deze benadering kan het best worden geïllustreerd met behulp van de leercontexten die voor dyscalculische leerlingen worden ontworpen. Om geschikte instructie te ontwerpen, moet men zich wenden tot pedagogische principes en de ervaring van leerkrachten in het speciaal onderwijs. Vanuit pedagogisch perspectief maken activiteiten, waarbij concrete objecten gemanipuleerd moeten worden, getalconcepten betekenisvol door middel van een intrinsiek verband tussen een doel, de handeling van de leerling en de informationele feedback op de handeling. Dit type feedback biedt intrinsieke motivatie, wat voor de leerling belangrijker is dan extrinsieke motivatie. Ervaren leerkrachten uit het speciaal onderwijs maken gebruik van middelen als speelkaarten om leerlingen de betekenis van getallen te leren. De leerlingen leren spelenderwijs van hun manipulaties. Deze taken zorgen voor leren op basis van ontdekking en de constructie van oplossingen. Idealiter past de leerkracht de activiteiten aan het niveau van de leerling aan en vindt hij/zij manieren om de leerling in de zone van proximale ontwikkeling te krijgen.

Taken die zijn aangepast aan het huidige niveau van de leerling kunnen aangeboden worden via computerspellen. Adaptieve software maakt de constructie van een oplossing mogelijk, biedt informationele feedback en biedt een middel om de oplossing van de leerling in het geval van een fout te koppelen aan de correcte oplossing. Deze spellen zijn nog niet in grootschalig onderzoek geëvalueerd. Eén belangrijk voordeel van adaptieve software is dat leerlingen meer kunnen oefenen dan met een leerkracht. Butterworth stelt dat het nog niet duidelijk is of vroege interventie ervoor kan zorgen dat een dyscalculische leerling een normale rekenaar wordt. Dyscalculie kan net als dyslexie zijn in de zin dat vroege interventie de praktische effectiviteit verbetert, zonder dat de cognitieve verwerking net als die bij normaal ontwikkelde mensen wordt. Tot op heden is er slechts één onderzoek gedaan naar de effecten van interventie op patronen van neurale activiteit bij leerlingen met dyscalculie. De training zorgde ervoor dat dyscalculische leerlingen op zowel gedragsniveau als neuraal niveau meer op leerlingen zonder dyscalculie gingen lijken.

Aanbevelingen voor de toekomst

Veel van het tot nu toe uitgevoerde onderzoek heeft zich gericht op natuurlijke getalen en rekenkundige bewerkingen. Er is relatief weinig bekend over de psychologische en neurowetenschappelijke basis van meer abstracte en geavanceerde wiskundige concepten, zoals negatieve getallen, plaats-waarde en algebra. Hieronder wordt aandacht besteed aan enkele pogingen om deze kloof te dichten.

Negatieve getallen

Volwassenen vertonen een symbolisch afstandseffect voor vergelijkingen van negatieve getallen. Sommigen interpreteren dit als bewijs dat negatieve getallen mentaal worden gerepresenteerd als groottes. Anderen stellen dat negatieve getallen geen grootterepresentaties hebben, maar dat ze via symbolische regels worden gekoppeld aan positieve getallen. Volgens dit perspectief gaan mensen bij het vergelijken van negatieve getallen als volgt te werk:

1. Men verwijdert het negatieve teken.

2. Men keert de beoordeling om (welke van 1 versus 4 is minder?).

3. Men maakt gebruik van de grootterepresentaties van positieve getallen.

Deze discussie kan mogelijk worden opgelost door middel van gemengde vergelijkingen van negatieve en positieve getallen. Een onderzoek van Tzelgov en collega’s vond geen afstandseffect voor gemengde vergelijkingen: nabije vergelijkingen (bijvoorbeeld -1 versus 2) werden even snel gemaakt als ver afgelegen vergelijkingen (bijvoorbeeld -1 versus 7). Tzelgov interpreteerde dit als bewijs dat mensen symbolische regels gebruiken, zoals ‘positieven zijn groter dan negatieven’. Echter, meer recente studies hebben wél afstandseffecten voor gemengde vergelijkingen gevonden. Echter, deze effecten zijn omgekeerd dan bij vergelijkingen met positieve getallen: nabije vergelijkingen worden sneller gemaakt dan ver afgelegen vergelijkingen. Dit suggereert dat de grootterepresentaties van negatieve getallen ruimtelijk vervormd zijn. Neurowetenschappelijke onderzoeksresultaten kunnen ook informatie geven over de vraag of negatieve getallen worden begrepen als groottes of met behulp van regels. Tot nu toe hebben studies in de bilaterale intrapariëtale sulcus neurale afstandseffecten gevonden voor vergelijkingen van negatieve getallen en voor gemengde vergelijkingen. Dit is consistent met grootterepresentaties. Echter, deze studies hebben ook neurale afstandseffecten gevonden in prefrontale gebieden, die worden geassocieerd met regelverwerking. Toekomstig onderzoek is dus nodig om de neurale basis van negatief getalbegrip te ontdekken.

Plaats-waarde

Plaats-waarde notatie is een systeem voor het benoemen van getallen met behulp van een kleine set symbolen. Ons basis-10 systeem gebruikt de getalsymbolen 0-9 en een aantal extra symbolen (. en -) om zeer grote en zeer kleine getallen met relatief weinig cijfers te benoemen. Plaats-waarde notatie is belangrijk, omdat de structuur ervan nodig is voor rekenkundige bewerkingen, zoals ‘lenen’. Daarom is beheersing van de plaats-waarde notatie een belangrijk doel van basisonderwijs. Het onverenigbaarheidseffect verwijst naar het feit dat de reactietijd bij het vergelijken van tweecijferige getallen trager is als de beoordeling op basis van de plek van de tientallen conflicteert met de beoordeling op basis van de plek van de eenheden. Mensen zijn bijvoorbeeld trager in het vergelijken van 81 versus 19 dan 79 versus 17.

Algebra

Anderson en collega’s hebben fMRI onderzoek gedaan naar algebraïsche probleemoplossing. Deze studies zijn gebaseerd op een theoretisch model, dat stelt dat de linker inferieure frontale gyrus betrokken is bij het terughalen van informatie uit het lange termijn geheugen. Daarnaast is de linker posterieure pariëtale cortex volgens dit model betrokken bij het behouden en bewerken van mentale representaties. Deze functies zijn essentieel voor het oplossen van simpele algebravergelijkingen (bijvoorbeeld x/3 + 2 = 8), waarbij het nodig is om rekenfeiten (bijvoorbeeld 8 - 2 = 6) uit het geheugen terug te halen en om deze feiten toe te passen om de huidige vergelijking te vervormen naar een nieuwe, simpelere vergelijking (bijvoorbeeld x/3 + 2 = 8 & x/3 = 6). Uit de studies komt het volgende naar voren:

• Hoe meer rekenfeiten er uit het geheugen teruggehaald moeten worden om een algebravergelijking op te lossen, hoe meer activiteit in de inferieure frontale gyrus.

• Hoe meer bewerkingen er uitgevoerd moeten worden om een algebravergelijking op te lossen, hoe meer activiteit in de posterieure pariëtale cortex.

Qin en collega’s hebben onderzocht wat het effect van oefenen van algebravergelijkingen is op gedragsniveau en neuraal niveau. De steekproef bestond uit kinderen van 12 tot en met 15 jaar. Na de training was hun gedragsmatige prestatie verbeterd. Daarnaast was zowel de linker inferieure frontale gyrus als de linker posterieure pariëtale cortex minder actief, met name naarmate het aantal bewerkingen van een probleem toenam. Dit patroon is anders dan een patroon dat eerder gevonden werd in een studie onder volwassenen, waarbij alleen een effect werd gevonden in de linker inferieure frontale gyrus. Dit suggereert dat oefenen verschillende effecten heeft bij kinderen en volwassenen.

Neurale stimulatie

Er is onderzoek gedaan naar het effect van transcraniële directe stroomstimulatie (‘transcranial direct current stimulation’; TDCS) op het leren van nieuwe symbolen. Tijdens TDCS wordt constant een zwakke stroomstoot gegeven om de opwekking van neuronale populaties te versterken (anodale stimulatie) of verminderen (cathodale stimulatie). Anodale stimulatie in de rechter pariëtale kwab leidt tot het beter leren van de nieuwe signalen die dienen als equivalenten voor getallen. Deze verbetering was ook tijdens de follow-up na zes maanden nog zichtbaar. Deze onderzoeksbevinding suggereert dat meer directe interventie in neurale processen het leren kan helpen, met name bij bijvoorbeeld dyscalculische mensen.

Wat is wetenschappelijk redeneren en hoe heeft zich dit door de jaren heen ontwikkeld? - Chapter 9

Inleiding

Wetenschappelijk redeneren is een brede term en omvat de mentale activiteiten bij het doen van systematische en empirische ontdekkingen over de wereld. Het doel van wetenschappelijk redeneren is het uitbreiden van onze kennis over de wereld. Voor dit proces gebruiken mensen meerdere domeinalgemene cognitieve processen, die in verschillende situaties worden gebruikt om het ontdekkingsproces te faciliteren. Gesteld wordt dat deze domeinalgemene cognitieve processen, zoals causaal redeneren, deductief redeneren, hypothesetesten en probleemoplossing, dezelfde cognitieve middelen zijn die mensen in alledaagse niet-wetenschappelijke contexten gebruiken. In dit hoofdstuk wordt besproken hoe deze cognitieve processen in combinatie met domeinspecifieke kennis wordt gebruikt om het wetenschappelijke ontdekkingsproces te ondersteunen.

Historische benaderingen van het onderzoek van domeinalgemeen en domeinspecifiek wetenschappelijk redeneren

Het proces van wetenschappelijk onderzoek omvat verschillende procedurele en conceptuele activiteiten, waaronder het formuleren van hypothesen, het ontwerpen van experimenten, het doen van voorspellingen en het verzamelen van data. Na de dataverzameling moeten de data worden bestudeerd, vaak door middel van statistische analyses. Dit leidt tot de evaluatie en coördinatie van de nieuwe data met al bestaande theorie. Dit stadium wordt vaak gecompliceerd door tegenstrijdige data. Dan is het nodig om bestaande theorieën of modellen te herzien en updaten op basis van de nieuwe data, of om een geheel nieuwe theorie te ontwikkelen. Deze processen steunen op een interactie tussen domeinalgemene redeneervaardigheden en domeinspecifieke inhoudelijke kennis. Aangezien de coördinatie van domeinalgemene en domeinspecifieke activiteiten een zeer complex proces is, richtten onderzoekers zich in eerste instantie alleen op de conceptuele (domeinspecifieke) dan wel de procedurele (domeinalgemene) aspecten van het wetenschappelijke redeneerproces. Dit is echter niet altijd mogelijk. De conceptuele (domeinspecifieke) benadering richt zich op het bestuderen van de aard van de concepten die individuen hebben over verschillende fenomenen in verschillende inhoudelijke domeinen. Het doel is vaak het beschrijven en onthullen van de cognitieve mechanismen die ten grondslag liggen aan de conceptuele ontwikkeling of conceptuele verandering als gevolg van nieuw leren. Vaak ligt de nadruk op het onderzoeken van de mate waarin nieuwe conceptuele kennis eerdere ideeën verandert, of dat zowel eerdere als nieuwe ideeën naast elkaar blijven bestaan. Deze cognitieve handelingen zijn zeer relevant voor wetenschappelijk redeneren, omdat het waarschijnlijk zelden voorkomt dat individuen moeten redeneren in situaties waarin ze geen eerdere kennis, ervaring of conceptuele representaties hebben. Domeinspecifieke inhoud heeft een grote invloed op redeneerprocessen.

De procedurele benadering richt zich op het bestuderen van de ontwikkeling en toepassing van domeinalgemene vaardigheden, die in verschillende inhoudelijke domeinen op ongeveer dezelfde manier worden toegepast. Bij Piagetiaans onderzoek worden kinderen gevraagd om wetenschappelijk te redeneren (hypothesen formuleren en testen), terwijl ze taken uitvoeren die geacht worden relatief vrij te zijn van de invloed van domeinspecifieke inhoudelijke kennis die de prestatie zou kunnen beïnvloeden. Het doel hiervan is het elimineren of verminderen van de mogelijke invloed van conceptuele kennis over specifieke inhoudelijke domeinen om te onderzoeken hoe domeinalgemene redeneerstrategieën op een relatief kennisvrije manier worden toegepast. Echter, sommigen stellen dat veel van de gebruikte experimentele taken wel degelijk conceptueel van aard zijn.

Causaal redeneren

Een centraal doel van veel wetenschappelijke studies is het ontdekken van causale verbanden tussen variabelen. Het isoleren van causale verbanden is vaak de cruciale eerste stap voor het identificeren van mechanismen die ten grondslag liggen aan verbanden, en uiteindelijk om uitkomsten experimenteel te kunnen controleren. Hieronder zal worden besproken welke soorten cognitieve handelingen een rol spelen bij het evalueren van causale verbanden. Er zijn veel studies gedaan naar de manier waarop mensen door middel van verschillende causale cues (bijvoorbeeld kennis van causale mechanismen) de mate bepalen waarmee specifieke variabelen causaal gerelateerd zijn. Bij het denken over causaal redeneren is het belangrijk om onderscheid te maken tussen:

Causale perceptie: het perceptuele systeem schrijft aan een gebeurtenis direct causaliteit toe, bijvoorbeeld in het geval van een fysieke botsing.

Causale gevolgtrekking: een meer cognitief niveau van begrip van oorzaak en gevolg. Voorbeeld: leren dat het omzetten van een schakelaar ertoe leidt dat er een lamp aan gaat.

Er is bewijs dat er verschillende neurale systemen ten grondslag liggen aan deze twee vormen van causale competentie. Een studie heeft aangetoond dat het vermogen om causaliteit direct waar te nemen op basis van fysieke contactinteracties (causale perceptie) en het vermogen om causale gevolgtrekkingen te maken op basis van statistische associaties (causale gevolgtrekking) worden ondersteund door verschillende hemisferen. Beide vermogens zijn dus anatomisch en functioneel onderscheidbaar.

Welke cognitieve processen kunnen ten grondslag liggen aan deze onderscheidbaarheid? De meest erkende en empirisch ondersteunde hemisferische asymmetrie in het brein is die tussen linguïstische en visueel-ruimtelijke verwerking. Talloze studies hebben aangetoond dat de linker hemisfeer vooral belangrijk is voor taalverwerking en de rechter hemisfeer voor de verwerking van visueel-ruimtelijke informatie. Het is mogelijk dat causale perceptie vooral steunt op onderliggende neurale structuren die betrokken zijn bij visueel-ruimtelijke processen, terwijl causale gevolgtrekking afhankelijk is van neurale structuren die betrokken zijn bij taalverwerking. Er is minder onderzoek gedaan naar de hersenstructuren die ten grondslag liggen aan meer complex causaal redeneren. Meer complex redeneren verwijst hier naar het evalueren van nieuwe observaties (empirische data) om een bestaande theorie te testen. Onderzoek heeft aangetoond dat mensen bij het interpreteren van covariatie-data biased zijn door hun verwachtingen (overtuigingen). De bevindingen suggereren dat mensen er moeite mee hebben om data te beoordelen, die overeenstemt met alternatieve theorieën. De imaging data wijzen op een mogelijk neuraal mechanisme dat ten grondslag ligt aan deze gedragsmatige bias. Als covariatie-data consistent zijn met de verwachtingen op basis van de causale theorie worden gebieden in de caudale en parahippocampale gyrus selectief geactiveerd. Als de covariatie-data daarentegen conflicteren met de causale theorie worden de anterieure cingulate cortex en precuneus selectief geactiveerd. De onderzoekers suggereren dat deze verbanden tussen gedrag en neurale systemen mogelijk reflecteren dat leermechanismen worden geactiveerd wanneer data consistent zijn met de verwachtingen op basis van de theorie, terwijl conflict monitoring of errordetectie mechanismen worden geactiveerd wanneer de data inconsistent zijn met de theorie. Daarnaast blijkt uit het onderzoek dat als mensen data beoordelen die inconsistent zijn met een plausibele theorie niet alleen de anterieure cingulate cortex en precuneus worden geactiveerd, maar ook de linker dorsolaterale prefrontale cortex. Dit patroon van neurale activiteit kan op verschillende manieren worden geïnterpreteerd, afhankelijk van de manier waarop de conflicterende data worden verwerkt. Zo is het mogelijk dat de conflicterende data leiden tot het actief en bewust inhiberen van data die inconsistent zijn met eigen verwachtingen. Het is echter ook mogelijk dat er sprake is van een meer passief (mogelijk onbewust) proces, waarbij de aandacht wordt verschoven naar consistente data. De onderzoekers geven de voorkeur aan de interpretatie dat de activering van de linker dorsolaterale prefrontale cortex het gevolg is van de actieve inhibitie van de conflicterende data.

Er is ook onderzoek gedaan naar complex causaal redeneren in andere domeinen. Dit onderzoek biedt ondersteuning voor de hypothese dat de dorsolaterale prefrontale cortex een belangrijke rol speelt bij de hogere-orde aspecten (causaliteit) van de perceptie van geschonden verwachtingen. Informatie die verwachte causale verbanden schendt, activeert hersengebieden die geassocieerd worden met conflictverwerking. De mate waarin deze conflictverwerking actief of passief is, moet verder worden onderzocht. Houdé stelt dat de centrale cognitieve ontwikkelingsfactor in de kindertijd het verbeterende vermogen is om prepotente perceptueel gebaseerde reacties te inhiberen om plaats te maken voor tragere reflectieve processen. Consistent met dit perspectief is de onderzoeksbevinding dat training op inhibitietaken, maar niet op logische redeneertaken, ertoe leidt dat adolescenten minder vaak logische redeneerfouten maken. Deze gedragsmatige verandering wordt geassocieerd met een verschuiving in activering van posterieure corticale gebieden (betrokken bij vroege perceptuele verwerking) tot anterieure corticale gebieden (betrokken bij executieve controle).

Deductief redeneren

Deductieve redeneerprocessen beoordelen de mate waarin een conclusie logisch volgt op informatie (vooronderstellingen). Deductief redeneren is nuttig, omdat er bij veel van het wetenschappelijk redeneren sprake is van redeneren op basis van bekende informatie. Mensen nemen aan dat gebeurtenissen het gevolg zijn van de werking van stabiele en voorspelbare regels. Ze redeneren op basis van deze bekende regels om nieuwe conclusies te trekken op basis van nieuwe observaties. Onderzoek heeft aangetoond dat volwassenen vaak te kort schieten op optimaal rationeel gedrag als ze redeneren op standaard deductieve redeneertaken. Deductief redeneren wordt voor een groot deel beïnvloed door de inhoud waarover men redeneert. De inhoud van een probleem heeft een grote invloed op de mate waarin volwassenen op een logische manier redeneren. Dit is een voorbeeld van de manier waarop domeinalgemene redeneerprocessen beïnvloed worden door domeinspecifieke kennis. Het ‘belief-bias’ effect verwijst ernaar dat de kans dat mensen een conclusie als valide beoordelen groter is als het geloofwaardig is, ongeacht of de conclusie noodzakelijkerwijs volgt uit de informatie van de vooronderstellingen. Dit resulteert vaak in verkeerd redeneren, waarbij valide conclusies op basis van eigen kennis foutief beoordeeld worden als invalide.

Er is onderzoek gedaan naar de neurale mechanismen die ten grondslag liggen aan de manier waarop mensen deductief redeneren met geloofwaardige en ongeloofwaardige inhoud. Gebieden in de laterale prefrontale cortex werden geactiveerd als menen logisch redeneerden wanneer ideeën conflicteerden met valide conclusies (ongeloofwaardige, maar valide conclusies). De activiteit in deze gebieden nam parametrisch toe met de hoeveelheid conflict tussen de geloofwaardigheid van de inhoud en de logische structuur van de conclusie. Deze onderzoeksbevinding toont aan dat de laterale prefrontale cortex betrokken is bij conflictverwerking. Meer recent onderzoek heeft inzicht gegeven in de precieze rol van verschillende hersengebieden in de prefrontale en pariëtale cortices tijdens de verschillende stadia van deductief redeneren: (1) encoderen van vooronderstellingen, (2) integratie van vooronderstellingen en (3) validering van de conclusie. Er is bewijs gevonden voor een frontaal-pariëtaal-caudaal neuraal netwerk dat betrokken is bij de tweede en derde fase van deductief redeneren.

Naast het onderzoek naar de invloed van domeinspecifieke kennis op deductief redeneren is er veel onderzoek gedaan naar visueel-ruimtelijke en linguïstische theorieën van redeneren. Over het algemeen bieden neuroimaging studies bewijs voor het idee dat zowel talige als visueel-ruimtelijke manieren betrokken zijn bij logisch redeneren. Het bewijs duidt op een gefractioneerd systeem, dat dynamisch vormgegeven wordt in reactie op bepaalde taak- en omgevingscues. De mate waarin talige of visueel-ruimtelijke manieren worden toegepast, hangt af van verschillende factoren, zoals de inhoud van het probleem. De bovenstaande bevindingen zijn consistent met het idee dat executieve controle onderverdeeld kan worden in evaluatieve verwerkingscomponenten (anterieure cingulate cortex) en executieve verwerkingscomponenten (dorsolaterale prefrontale cortex). De anterieure cingulate cortex is betrokken bij het monitoren van de aanwezigheid van een conflict bij een cognitieve taak, terwijl de dorsolaterale prefrontale cortex betrokken is bij de oplossing van het conflict. De relatief late ontwikkeling van de dorsolaterale prefrontale cortex kan een verklaring bieden voor de relatief trage ontwikkeling van het vermogen om inconsistenties tussen eerdere ideeën en nieuw bewijs op te lossen.

Analoog redeneren

Bij analoog redeneren wordt informatie van een relatief bekend domein (de ‘bron’, of eerdere situatie) toegepast op een ander domein (het ‘doel’, of een probleem). Kevin Dunbar heeft veel inzicht gegeven in de rol van analoog redeneren in de wetenschap. Hij heeft het volgende ontdekt:

Wetenschappers maken in laboratoriumbijeenkomsten van één uur gebruik van drie tot vijftien analogieën.

Wetenschappers maken gebruik van zowel oppervlakkige analogieën (gericht op oppervlakkige overeenkomsten tussen domeinen) als structurele analogieën (gericht op diepere relationele kwesties tussen meer afzonderlijke domeinen).

De mate waarin wetenschappers gebruik maken van oppervlakkige versus structurele analogieën is afhankelijk van het doel van de wetenschappers. Als het doel is om een methodologisch probleem in een experiment op te lossen, wordt met name gebruik gemaakt van oppervlakkige analogieën. Als het doel daarentegen is om nieuwe hypothesen te formuleren, wordt gebruik gemaakt van structurele analogieën.

Onderzoek heeft aangetoond dat mensen tijdens een redeneerproces niet vaak spontaan gebruik maken van analogieën. Pas wanneer zij expliciet gewezen worden op analogieën, maken zij hiervan gebruik bij het oplossen van een probleem. Evenals bij causaal redeneren moet onderscheid worden gemaakt tussen de directe waarneming van relationele overeenkomstigheid en de hogere-orde processen die geassocieerd worden met analoge gevolgtrekkingen. Aan beide soorten analoog redeneren kunnen verschillende neurale systemen ten grondslag liggen.

Aanbevelingen voor vervolgonderzoek

De meerderheid van de hierboven besproken neuroimaging resultaten zijn verzameld onder jongvolwassenen of adolescenten. Dit wordt onder andere verklaard door de technische problemen bij het testen van jonge kinderen in MRI scanners. Er moet daarom meer onderzoek worden gedaan naar jongere kinderen. Dit kan meer inzicht geven in de types redeneren die het meest effectief zijn bij jonge kinderen (bijvoorbeeld perceptuele versus talige aanbieding van informatie) en het soort training dat effectief kan zijn bij het bevorderen van wetenschappelijk redeneren. Onderzoek kan tevens informatie geven over wanneer en welke vaardigheden ontvankelijk zijn voor training. Onderzoek onder volwassenen suggereert dat mensen verschillende redeneerprocessen gebruiken als ze hypothesen aangeboden krijgen die consistent dan wel inconsistent zijn met hun huidige domeinspecifieke kennis. Als dit ook bij kinderen het geval is, suggereert dit dat toenemende domeinkennis een voorloper kan zijn voor onderwijs aan kinderen over technieken voor het maken van domeinalgemene gevolgtrekkingen. Bij het bespreken van een nieuw onderwerp moet de nadruk aanvankelijk dus liggen op het aanbieden van kennis van relevante fenomenen, op basis waarvan later expliciete gevolgtrekkingen gemaakt kunnen worden.

Hoe verloopt de sociale ontwikkeling van kinderen? - Chapter 10

De vroege ontwikkeling van het sociale brein

De eerste twee jaar na de geboorte vinden er enorme ontwikkelingsveranderingen plaats. Het ontwikkelen van inzicht in andere mensen en hun handelingen is één van de belangrijkste taken waar baby’s en peuters mee te maken krijgen. Hieronder worden empirische bevindingen besproken met betrekking tot verschillende gebieden van de sociale informatieverwerking in de vroege ontwikkeling.

Gezichtsverwerking

Uit onderzoek blijkt dat baby’s binnen een aantal uur na de geboorte een voorkeur vertonen voor patronen die op gezichten lijken. Men denkt dat deze voorkeur voor gezichten het gevolg is van subcorticale hersenstructuren, terwijl de ontwikkeling van visuele corticale gebieden noodzakelijk zou zijn voor het ontstaan van meer geavanceerde vaardigheden die ten grondslag liggen aan identiteitsherkenning op basis van gezichten. Pasgeborenen herkennen het gezicht van hun moeder allereerst op basis van informatie van de buitenste contouren van het hoofd, de haarlijn en de interne configuratie van de ogen, neus en mond. Pas zes weken na de geboorte zijn baby’s in staat om gezichten alleen op basis van de interne configuratie te herkennen. Onderzoek naar hersengebieden die betrokken zijn bij de gezichtsverwerking bij baby’s wordt met name door technische kwesties beperkt. De meeste studies maken gebruik van EEG. Onderzoek suggereert dat de meeste hersengebieden en mechanismen die bij volwassenen betrokken zijn bij de gezichtsverwerking al binnen een aantal maanden na de geboorte geactiveerd kunnen worden. Echter, dit betekent niet dat deze corticale gebieden op dat moment al gespecialiseerd zijn voor het verwerken van gezichten. Het houdt in dat de hersengebieden kort na de geboorte grofweg op dezelfde manier functioneren als in de volwassenheid, maar dat ze zich steeds verder blijven ontwikkelen.

Verwerking van blikken

Een belangrijk sociaal signaal van gezichten is de blik (waar de ogen op zijn gericht). De detectie en monitoring van blikken is van groot belang voor effectief sociaal leren en communicatie tussen mensen. Een blik geeft informatie over hetgeen waar iemand zijn/haar aandacht op richt, over communicatieve bedoelingen en over toekomstig gedrag. Oogcontact is één van de meest krachtige manieren om communicatie tussen mensen mogelijk te maken. Vanaf de geboorte zijn baby’s gevoelig voor andermans blik, wat tot uiting komt in hun voorkeur voor gezichten met open in plaats van gesloten ogen. Daarnaast kijken pasgeborenen langer naar gezichten met een directe of wederkerige blik dan naar gezichten met een afgewende blik. Blikken zijn bovendien een belangrijke cue voor de aandacht van baby’s voor bepaalde locaties, wat duidt op een rudimentaire vorm van het volgen van blikken. Onderzoek ondersteunt het idee dat een wederkerige blik al vanaf de vroege ontwikkeling in het brein wordt verwerkt. Uit een studie blijkt dat het verwerken van wederkerige blikken bij baby’s zorgt voor activering van de rechter superieure temporale cortex en prefrontale cortex. Dit zijn dezelfde gebieden die bij volwassenen bij dit proces betrokken zijn. Een andere communicatieve functie van blikken is het richten van aandacht op bepaalde locaties, gebeurtenissen en objecten. Onderzoek suggereert dat baby’s hierbij gebruik maken van dezelfde neurale mechanismen als volwassenen. Echter, baby’s vertonen wel meer frontocentrale activiteit bij object-congruente blikverschuivingen (de blik verschuift in de richting van de locatie van een eerder getoond object) dan volwassenen. Mogelijk wordt informatie over blikken bij baby’s gecodeerd in meer uitgebreide corticale circuits dan in het gespecialiseerde volwassen brein.

Gezamenlijke aandacht

Gezamenlijke aandacht (‘joint attention’) is het proces waarbij twee mensen de aandacht op hetzelfde object of dezelfde gebeurtenis richten. Dit is één van de meest fundamentele sociaal-cognitieve vaardigheden die zich tijdens de baby- en peutertijd ontwikkelt. Het vermogen tot gezamenlijke aandacht vereist twee dingen:

De baby moet de aandacht van de ander in relatie tot zichzelf monitoren.

De baby moet de aandacht van de ander op hetzelfde object of dezelfde gebeurtenis monitoren.

Uit onderzoek blijkt dat baby’s al vanaf vijf maanden na de geboorte gevoelig zijn voor triadische sociale interactie. Deze vroege sensitiviteit voor gezamenlijke aandacht lijkt af te hangen van linker prefrontale hersengebieden. Bij volwassenen zijn dezelfde gebieden betrokken bij gezamenlijke aandacht. Het vermogen tot gezamenlijke aandacht blijft zich gedurende de eerste tien levensjaren ontwikkelen. Vroege indicatoren van tekorten in dit vermogen zijn centraal voor de meeste ontwikkelingsstoornissen.

Observatie van handelingen

Menselijke handelingen zijn een complexe set visuele stimuli die dynamische en continue informatie geven over het gedrag van andere mensen. Het vermogen om handelingen in betekenisvolle stukken op te delen, is belangrijk voor de interpretatie van andermans gedrag. Onderzoek suggereert dat het opdelen van gedrag bij volwassenen en baby’s deels wordt gebaseerd op inzicht in het doel van een handeling. Als baby’s van acht maanden bijvoorbeeld volledige en onvolledige doelgerichte handelingen te zien krijgen, kijken zij langer naar onvolledige dan volledige handelingen. Mogelijk detecteren zij een mismatch tussen geanticipeerde en waargenomen handelingen, wat resulteert in een langere kijktijd als een handeling wordt beëindigd voordat het doel wordt bereikt. Deze detectie is mogelijk gebaseerd op een proces dat ‘forward-mapping’ wordt genoemd. Dit betreft het continu voorspellen van mogelijke bewegingstrajecten en toekomstige handelingen op basis van eigen motorische representaties. Er is onderzoek gedaan naar de vraag of baby’s andermans handelingen leren te begrijpen door middel van een spiegelneuronensysteem, dat een geobserveerde handeling koppelt aan de eigen motorische representatie van die handeling. Volgens het spiegelneuronenperspectief kunnen baby’s andermans handelingen niet voorspellen voordat zijzelf in staat zijn om de handelingen uit te voeren. Er zijn diverse onderzoeksbevindingen die dit perspectief ondersteunen. Zo vertonen baby’s van twaalf maanden proactieve (anticiperende) doelgerichte oogbewegingen tijdens het observeren van een handeling (objecten in een doos stoppen), terwijl baby’s van zes maanden dit nog niet vertonen. Dit wordt mogelijk verklaard doordat baby’s deze motorische taak pas vanaf zeven tot negen maanden na de geboorte uit kunnen voeren. Een beperking van de onderzoeksresultaten is echter dat ze alleen indirect bewijs leveren voor een neuraal mechanistische verklaring. Onderzoeksbevindingen suggereren dat de hersenprocessen die ten grondslag liggen aan motorische cognitie vanaf negen maanden na de geboorte ontstaan. Vanaf deze leeftijd zijn baby’s in staat om het doel van een handeling te voorspellen. Daarnaast is er steun voor het idee dat ervaring met een motorische vaardigheid invloed heeft op de activering van de motorische cortex tijdens het observeren van handelingen. Dit suggereert dat het kind meer inzicht krijgt in andermans handelingen naarmate hij/zij nieuwe motorische vaardigheden leert.

De ontwikkeling van het sociale brein in de adolescentie

In vergelijking met kinderen zijn adolescenten meer sociaal, ontwikkelen zij meer complexe en hiërarchische relaties met leeftijdsgenoten en zijn zij gevoeliger voor acceptatie en afwijzing door leeftijdsgenoten. Hieronder wordt de ontwikkeling van gezichtsverwerking, de ontwikkeling van theory of mind en sociale afwijzing tijdens de adolescentie besproken.

Gezichtsverwerking in de adolescentie

Zowel de gedragsmatige als neurale basis van het vermogen tot gezichtsverwerking blijft zich ontwikkelen gedurende de eerste twee decennia na de geboorte. Het is nog onduidelijk of dit komt doordat informatie die uit gezichten wordt gehaald met de leeftijd complexer wordt (in de adolescentie worden nieuwe aspecten van het gezicht steeds belangrijker, zoals betrouwbaarheid of sociale status) of het gevolg is van een combinatie van een langdurige training met basale gezichtsverwerkingsstrategieën met de onderliggende hersenontwikkeling. Studies suggereren dat basale gezichtsverwerkingsvaardigheden, zoals het vermogen om iemands identiteit onafhankelijk van de context te herkennen, zich in ieder geval tot tienjarige leeftijd blijven ontwikkelen. Uit onderzoek blijkt dat de adolescentie wordt gekenmerkt door een continue verbetering van de herkenning van gezichtsemoties, maar dat de vorm van het ontwikkelingstraject tussen emoties kan verschillen. Diverse studies hebben aangetoond dat de langdurige ontwikkeling van de gezichtsverwerking op gedragsniveau op neuraal niveau wordt gespiegeld door een langdurige corticale specialisatie binnen de gebieden van het gezichtsnetwerk. Zo neemt de activiteit in de rechter fusiforme cortex bij het passief bekijken van foto’s van gezichten met de leeftijd toe. Andere studies vinden daarentegen geen ontwikkelingsverschillen in de gezichtsverwerking tussen kinderen en volwassenen. Kortom, het is nog onbekend of zowel gedragsmatige als neurale gezichtsverwerking zich tijdens de adolescentie blijft ontwikkelen, of dat de lagere gezichtsverwerkingsvaardigheden in de adolescentie een reflectie zijn van een algemene verschuiving in de sociale informatieverwerking.

De ontwikkeling van theory of mind

De theory of mind is het vermogen om andere mensen perspectieven toe te schrijven. Dit vermogen wordt ook wel mentaliseren genoemd. Theory of mind speelt een belangrijke rol in sociale interacties, omdat het ons in staat stelt te begrijpen wat anderen willen en wat zij gaan doen, en om ons eigen gedrag daarop aan te passen. Onderzoeksbevindingen duiden erop dat er in de eerste vijf jaar na de geboorte stapsgewijze veranderingen plaatsvinden in de sociaal-cognitieve vaardigheden. Hoewel sommige aspecten van theory of mind al bij baby’s aanwezig zijn, beginnen kinderen pas rond vierjarige leeftijd te begrijpen dat iemand anders een perspectief kan hebben dat van het eigen perspectief verschilt. Onderzoek heeft aangetoond dat de activiteit van de dorsale mediale prefrontale cortex tijdens mentaliseertaken tussen de adolescentie en volwassenheid afneemt. Voor deze bevinding zijn twee mogelijke verklaringen, die elkaar niet uitsluiten. Eén mogelijke verklaring is dat de cognitieve strategie voor mentaliseren tussen de adolescentie en volwassenheid verandert. Een tweede mogelijke verklaring is dat de functionele verandering met de leeftijd het gevolg is van neuroanatomische veranderingen. Afnemende activiteit wordt vaak geïnterpreteerd als het gevolg van ontwikkelingsafnames in het volume grijze stof, wat waarschijnlijk gerelateerd is aan synaptische pruning.

Het online gebruik van theory of mind

De meeste onderzoeken naar sociale cognitie richten zich op de vroege kindertijd, mogelijk omdat kinderen rond vierjarige leeftijd goed presteren op vrij complexe mentaliseertaken. Echter, gedurende de adolescentie en jongvolwassenheid blijven hersengebieden die betrokken zijn bij theory of mind zich structureel en functioneel ontwikkelen. Verwacht wordt dat deze ontwikkeling ook op gedragsniveau invloed heeft op theory of mind. Bovendien blijkt uit onderzoek dat er tijdens de adolescentie sprake is van grote veranderingen in sociale competentie en sociaal gedrag, wat mogelijk steunt op een meer geavanceerde theory of mind. De auteurs hebben een communicatiespel gemaakt, waarbij online gebruik gemaakt moet worden van theory of mind informatie. Op deze taak maken zelfs volwassenen veel fouten. In de computerversie van de taak zien participanten een aantal planken met objecten. Participanten krijgen instructies van een leider om deze objecten te verschuiven. Deze leider kan een aantal, maar niet alle objecten zien. Voor de correcte interpretatie van instructies moeten participanten gebruik maken van het perspectief van de leider. Ze moeten enkel objecten verschuiven die de leider kan zien. Uit onderzoek blijkt dat midden adolescenten meer fouten maken bij het uitvoeren van deze taak dan volwassenen. Dit suggereert dat het vermogen om iemands perspectief in te nemen om juist gedrag te vertonen zich nog in de adolescentie ontwikkelt.

Sociale evaluatie: Acceptatie en afwijzing

Uit onderzoek blijkt dat adolescenten in vergelijking met jongere kinderen of volwassenen gevoeliger zijn voor uitsluiting van sociale interacties door leeftijdsgenoten. Neuroimaging studies onderzoeken de neurale basis van dit effect. Eén onderzoek heeft vrouwelijke adolescenten vergeleken met vrouwelijke volwassenen tijdens een versie van de Cyberball aak. Bij deze taak worden participanten verteld dat zij met twee andere spelers een online spel gaan spelen, waarbij de bal naar elkaar wordt overgegooid. De spelers zijn voorgeprogrammeerde computeralgoritmen, die de participant systematisch insluiten (door de bal naar hem/haar over te gooien) of buitensluiten. Uit het onderzoek blijkt dat volwassenen tijdens de buitensluiting conditie meer activiteit vertonen in de ventrolaterale prefrontale cortex dan tijdens de insluiting conditie, terwijl adolescenten het omgekeerde activiteitspatroon vertonen. Het is mogelijk dat de verminderde activiteit van de ventrolaterale prefrontale cortex bij adolescenten tijdens buitensluiting ten grondslag ligt aan de grotere gevoeligheid van adolescenten hiervoor, omdat de rechter ventrolaterale prefrontale cortex wordt geassocieerd met de regulering van stress tijdens sociale buitensluiting. Deze onderzoeksbevinding is consistent met theorieën die stellen dat prefrontale regulerende mechanismen zich tussen de adolescentie en volwassenheid blijven ontwikkelen en dat dit één van de factoren kan zijn die ten grondslag ligt aan de overgevoeligheid van adolescenten voor afwijzing. Er is tevens een onderzoek gedaan onder mannelijke en vrouwelijke participanten van negen tot zeventien jaar. Hieruit blijkt dat er tijdens de verwachting van een sociale evaluatie door leeftijdsgenoten alleen bij vrouwen sprake is van een leeftijdsgerelateerde toename van activiteit in hersengebieden die betrokken zijn bij affectieve verwerking (nucleus accumbens, hypothalamus, hippocampus en insula). Dit sekseverschil in de neurale reactie op sociale evaluatie komt overeen met onderzoek waaruit blijkt dat vrouwelijke adolescenten meer sociale angst vertonen in reactie op alledaagse negatieve sociale evaluaties dan mannelijke adolescenten. Echter, er is nog geen empirisch bewijs dat vrouwelijke adolescenten daadwerkelijk gevoeliger zijn voor sociale afwijzing dan mannelijke adolescenten.

Implicaties voor het onderwijs

Al vroeg in de ontwikkeling wordt het menselijke brein aangepast aan het verwerken van sociale informatie, zodat geprofiteerd kan worden van andermans kennis en instructie. Dit heeft belangrijke implicaties voor het onderwijs, omdat het aantoont dat de fundamentele sociale capaciteiten al vroeg in de ontwikkeling ontstaan. Men stelt dat sociale communicatie tussen mensen aangepast wordt om de overdracht van generaliseerbare kennis tussen individuen te faciliteren. Dit communicatiesysteem wordt natuurlijke pedagogiek genoemd. Gedacht wordt dat dit communicatiesysteem het snel en efficiënt sociaal leren van culturele kennis mogelijk maakt. Er is toenemend bewijs dat baby’s in staat zijn om van natuurlijke pedagogiek te profiteren. Cognitief neurowetenschappelijk bewijs heeft de potentie om invloed te hebben op schoolinterventies, gericht op de sociale en emotionele ontwikkeling van leerling. Een grote uitdaging voor de onderwijskundige neurowetenschappen is uitzoeken hoe deze potentie het best verwezenlijkt kan worden. Hiervoor is het waarschijnlijk noodzakelijk om tussenpersonen te trainen, die de brug tussen het onderwijs en de neurowetenschappen kunnen bouwen. Als de vroege kindertijd wordt beschouwd als een gevoelige periode voor onderwijs, zou dit ook moeten gelden voor de tienerjaren. Gevoelige perioden zijn perioden in de ontwikkeling waarin het brein vooral ontvankelijk is voor bepaalde omgevingsstimuli en efficiënt is in het verwerken en opslaan van nieuwe informatie. Het is mogelijk dat bepaalde vaardigheden met name vatbaar zijn voor leren tijdens de adolescentie. Mogelijk veranderen de doelen van het onderwijs voor adolescenten op basis van neurowetenschappelijke bevindingen en zal er meer aandacht worden besteed aan vaardigheden die gecontroleerd worden door hersengebieden die tijdens de adolescentie het meest veranderen. Deze vaardigheden omvatten niet alleen cognitieve controle, multitasking en planning, maar ook zelfbewustzijn en sociaal-cognitieve vaardigheden.

Hoe verloopt de emotionele ontwikkeling van kinderen? - Chapter 11

Emotie en onderwijs

Kennis over eigen en andermans emoties en het vermogen om emoties te reguleren, kan een belangrijke invloed hebben op het vermogen van kinderen om te leren. Uit onderzoek blijkt dat er ook op neuraal niveau een dynamisch verband bestaat tussen cognitie en emotie. Cognitie en emotie beïnvloeden elkaar wederkerig. Hersengebieden die vaak worden beschreven als betrokken bij emotieverwerking zijn vaak ook betrokken bij cognitie, en andersom. Zo speelt de amygdala een belangrijke rol bij emotieverwerking, maar is ook betrokken bij het richten van aandacht.

Voorschoolse periode

Emotieregulatie is het proces waardoor we beïnvloeden welke emoties we hebben wanneer we ze hebben en hoe we deze ervaren en uiten. Het vermogen van kinderen om hun emoties te reguleren, kan de overgang naar de voorschool faciliteren en kan een positief effect hebben op hun vermogen om met academisch curriculum om te gaan.

Temperament

Het temperament kan worden beschouwd als aangeboren verschillen in reactiviteit en zelfregulatie. Het temperament is relatief stabiel en wordt beïnvloed door genen en levenservaring. Eysenck’s model van temperament is relevant voor het onderwerp van dit hoofdstuk: het plaatsen van emoties in de context van corticale arousal. Eysenck stelde dat individuen verschillen in hun baseline niveau van arousal, waardoor ze ook verschillen in hun optimale niveau van stimulatie. Zo hebben individuen met een relatief hoog basisniveau van arousal minder stimulatie nodig om optimaal te functioneren. Recentelijk onderzoek heeft echter een aantal kernideeën van Eysenck’s theorie tegengesproken.

De processen van arousal en emotie zijn niet zo eenvoudig als werd gesuggereerd door vroege theoretici. Het is niet zo dat emotie het gevolg is van arousal. Onderzoek heeft consistent aangetoond dat arousal, cognitie en gedrag beïnvloed kunnen worden door emotionele stimuli. Onderzoeksbevindingen suggereren dat er specifieke hersengebieden zijn die betrokken zijn bij de integratie van emotionele input en de huidige stemming. Dit kan helpen bij het vergroten van het inzicht in de aard van cognitieve afleidbaarheid bij individuen met een negatieve stemming of een depressie. Men denkt dat het temperament een voorloper is van de persoonlijkheid. Onderzoek heeft aangetoond dat temperament erfelijk is, wat duidt op een sterke biologische basis. Erfelijkheidsschattingen variëren tussen 0.20 en 0.60, wat betekent dat genetische verschillen tussen individuen ongeveer 20-60% van de variabiliteit in temperament in een populatie verklaren. Er is onderzoek gedaan naar de hersengebieden die geassocieerd worden met temperamentverschillen bij jonge kinderen. Zo blijkt uit een onderzoek dat er een verband bestaat tussen het temperament op een leeftijd van vier maanden en de corticale dikte in de volwassenheid. Regionale verschillen in de dikte van de orbitofrontale en ventromediale prefrontale cerebrale cortex in de volwassenheid worden voorspeld door temperamentverschillen op een leeftijd van vier maanden. Baby’s met een lage reactiviteit hebben in de volwassenheid een dikkere linker orbitofrontale cortex. Dit hersengebied is betrokken bij het onderdrukken van onplezierige gevoelens en het omschakelen van negatieve emoties naar positieve emoties.

Deze onderzoeksbevinding is gekoppeld aan depressieve mensen, waarbij sprake is van een abnormale verwerking van beloningen en andere hersenactiviteit in een gebied in de linker orbitofrontale cortex. Mogelijk leidt een dikkere linker orbitofrontale cortex ertoe dat laag reactieve baby’s zich ontwikkelen tot kinderen die zich makkelijk aanpassen aan veranderingen, niet snel bang zijn en tijdens de adolescentie een relatief stabiele stemming hebben. Een dunnere orbitofrontale cortex kan daarentegen individuen identificeren die een groter risico hebben om op latere leeftijd een depressie te ontwikkelen.

Emotieregulatie

Het vermogen om eigen emoties en gedrag te reguleren, is van groot belang voor leren en wordt consistent geassocieerd met een succesvolle schoolcarrière. Uit onderzoek blijkt bijvoorbeeld dat de emotieregulatie van kinderen van voorschoolse leeftijd samenhangt met de score op een gestandaardiseerde test. Dit verband wordt gemedieerd door het vermogen van het kind tot gedragsregulatie. Een ander mogelijk mechanisme waardoor emotieregulatie vaardigheden invloed kunnen hebben op academisch succes is via de kwaliteit van de leerkracht-leerling relatie. Kinderen met een betere emotieregulatie vertonen betere sociale vaardigheden, wat een positieve invloed heeft op de relatie tussen leerkracht en leerling. Deze relatie is vervolgens van invloed op de schoolprestaties van een leerling. In de vroege babytijd vinden er snelle veranderingen plaats in de hersengebieden die betrokken zijn bij zelfregulatie. De ontwikkeling van meer geavanceerde emotieregulatie strategieën kan toegeschreven worden aan ontwikkelingen in een netwerk van anterieure corticale hersengebieden, waaronder delen van de prefrontale cortex en de anterieure cingulate cortex (ACC). De ACC integreert informatie over lichaamssensaties en aandachts- en emotionele informatie. Dit gebied is tevens betrokken bij het gebruik van ‘effortful control’; een vermogen dat zich rond vierjarige leeftijd ontwikkelt. De toename in regulatie wordt verklaard door de ontwikkelende capaciteit van het kind om de ACC te gebruiken om gedrag aan te passen via het kiezen van juiste strategieën.

Autistische spectrum stoornissen

Er wordt veel onderzoek gedaan naar het spiegelneuronensysteem bij mensen met een autistische spectrum stoornis (ASS). De spiegelneuronenhypothese van autisme stelt dat vroege disfunctie van het spiegelneuronensysteem leidt tot de beperkingen die kenmerkend zijn voor ASS, waaronder tekorten in imitatie, theory of mind en sociale communicatie. De onderzoeksbevindingen zijn echter inconsistent. Sommige studies tonen aan dat er bij mensen met ASS sprake is van een verminderde of afwezige activiteit in de inferieure frontale gyrus, een gebied dat belangrijk is voor het spiegelneuronensysteem. Uit andere onderzoeken blijkt daarentegen geen verschil in hersenactiviteit tussen mensen met en zonder ASS tijdens het observeren van andermans handelingen.

Gedragsproblemen

Uit meerdere studies komt naar voren dat er tussen kinderen met een gedragsstoornis (‘conduct disorder’; CD) en normaal ontwikkelende kinderen verschillen bestaan in het volume grijze stof. Kinderen met CD vertonen in diverse hersengebieden een verminderd volume grijze stof. Er is tevens onderzoek gedaan naar kinderen met verhoogde niveaus van ‘callous-unemotional’ (CU) trekken. CU trekken duiden op een ernstige gedragsverstoring en omvat kenmerken als een gebrek aan schuldgevoelens en empathie. Uit onderzoek blijkt dat gedragsproblemen van CU kinderen sterk worden beïnvloed door genetische factoren.

Kinderen met gedragsproblemen en CU trekken zijn slecht in het verwerken van visuele en auditieve uitingen van emoties, die geassocieerd worden met stress (bijvoorbeeld angst en verdriet). Omdat dit profiel ook wordt gezien bij patiënten met letsel aan de amygdala, is het mogelijk dat CU trekken samenhangen met een verminderde reactie van de amygdala op stress stimuli. Er is bewijs voor deze hypothese gevonden. Zo blijkt uit onderzoek dat de amygdala van kinderen met gedragsproblemen en CU trekken minder sterk reageert op het zien van angstige gezichten dan de amygdala van normaal ontwikkelende kinderen of kinderen met ADHD.

Ander onderzoek heeft eveneens aangetoond dat een slechte herkenning van angst wordt geassocieerd met CU trekken. Daarnaast blijkt uit dit onderzoek dat kinderen met CU trekken minder vaak en minder lang naar andermans ogen kijken. Kijken naar de ogen hangt positief samen met het nauwkeurig herkennen van angst. Deze onderzoeksresultaten suggereren dat het tekort in angstherkenning gerelateerd kan zijn aan een tekort in het oriënteren op het gebied rond de ogen. Ook individuen met letsel aan de amygdala vertonen een tekort in het focussen op andermans ogen. Daarnaast blijkt uit onderzoek dat het volume grijze stof bij jongens met CU trekken in diverse hersengebieden toeneemt. Omdat grijze stof in de adolescentie normaliter afneemt, wordt gesuggereerd dat een groter volume grijze stof resulteert in een slechtere cognitieve prestatie. Een groter volume grijze stof kan duiden op een vertraagde corticale ontwikkeling, wat wordt geassocieerd met het maken van beslissingen, moraliteit en de ontwikkeling van empathie.

Kortom, gesuggereerd kan worden dat de betrokken hersengebieden bij kinderen met CU trekken worden geassocieerd met een verminderde reactiviteit op stress bij anderen. Deze lage reactiviteit en de neiging om zich niet op andermans ogen te oriënteren, kan invloed hebben op de ontwikkeling van empathie en andere morele emoties. Studies hebben aangetoond dat kinderen met CU trekken een tekort vertonen in affectieve empathie, maar niet in het vermogen om andermans emoties te begrijpen. Het lijkt er dus op dat individuen met CU trekken wel in staat zijn om andermans gevoelens en gedachten te begrijpen, maar dat zij hier minder emotioneel door geraakt worden.

Motivatie in de adolescentie

Dweck’s onderzoek naar de motivatie van adolescenten heeft geleid tot een aantal mogelijke interventies. Ze heeft deze strategieën getest met behulp van neurowetenschappelijke methoden. Eén van de kerntheorieën van Dweck richt zich op de eigen 'intelligentietheorieën’ van individuen. Ideeën over de eigen intelligentie hebben niet alleen invloed op de algehele prestatie, maar ook op de rebound na een faalervaring. Leerlingen die denken dat intelligentie een vaste kwantiteit is (entiteitstheorie), zijn vooral kwetsbaar voor een afnemende prestatie als ze realiseren dat ze het risico lopen om te falen. Leerlingen die intelligentie daarentegen beschouwen als iets dat te verwerven is (groeitheorie), blijven effectiever leren.

Beide theorieën worden gekenmerkt door andere doelen. Entiteitstheoretici richten zich op concurreren met en winnen van leeftijdsgenoten om hun intelligentie te bewijzen (prestatiedoelen). Ze zijn erg kwetsbaar voor negatieve feedback, waardoor ze geneigd zijn leermogelijkheden met een grote kans op fouten te vermijden. Groeitheoretici streven daarentegen naar het vergroten van eigen capaciteiten door middel van inspanning. Zij neigen meer naar taken die een leeruitdaging bieden (leerdoelen). Dweck’s model stelt dat entiteitstheoretici en groeitheoretici op een andere manier op negatieve feedback reageren. Entiteitstheoretici zijn erop gericht om het beter te doen dan anderen en zullen negatieve feedback ervaren als een bedreiging voor hun prestatiedoel. Het is mogelijk dat zij hun aandacht in reactie op negatieve feedback richten op zelfkritische gedachten over het eigen vermogen en de eigen prestatie, wat kan interfereren met hun vermogen om zich te concentreren op leerrelevante informatie (wat de kans op het herhalen van fouten vergroot). Groeitheoretici zijn daarentegen meer geïnteresseerd in het verkrijgen van het juiste antwoord om hun vermogen om deze vraag in de toekomst juist te beantwoorden te vergroten.

Psychologisch welzijn

De meeste psychiatrische stoornissen ontstaan tijdens de adolescentie. Mogelijk is dit het gevolg van afwijkingen of overdrijvingen in de hersenontwikkeling en psychosociale factoren. Het adolescente brein wordt gekenmerkt door de ontwikkeling van het limbische systeem (betrokken bij gevoeligheid voor beloning) in combinatie met de verlengde ontwikkeling van de prefrontale cortex (betrokken bij cognitieve controle). Het verschil tussen de ontwikkeling van deze gebieden ligt mogelijk ten grondslag aan het feit dat adolescenten vaak risicogedrag vertonen.

Stress als obstakel voor leren

Stress kan invloed hebben op het leervermogen van studenten. Stress activeert de hypothalamus-hypofyse-bijnier-as (‘hypothalamic-pituitary-adrenal as’; HPA-as), wat leidt tot de productie van glucocorticoïden door de bijnieren. Tijdens stress medieert de HPA-as het fysiologische functioneren door gedragsmatige arousal te stimuleren en de hartslag, de bloeddruk en het metabolisme te vergroten. Deze steroïde hormonen zijn in staat om de genexpressie te reguleren, wat betekent dat stress permanente effecten kan hebben op het functioneren van hersengebieden die de vrijlating ervan reguleren. De meeste studies suggereren dat er een U-vormig verband bestaat tussen stress en functioneren. Cognitieve prestaties nemen toe bij milde stress, tot een punt waarop stress overweldigend wordt en met cognitieve prestaties begint te interfereren. Een goed geheugen voor emotionele gebeurtenissen kan een adaptieve uitkomst bieden. Het kan voordelig zijn om deze gebeurtenissen te onthouden. McGaugh stelt dat er drie mogelijke routes zijn voor een goed geheugen voor emotionele gebeurtenissen:

• Een aanvankelijke versterking van de aandacht: emotionele arousal vergroot de aandacht voor gebeurtenissen.

• Emotionele ervaringen worden door herhaling versterkt.

• Er is sprake van een perseveratie-consolidatie proces, waarbij emotionele arousal zorgt voor de activering van neurobiologische processen die betrokken zijn bij de consolidatie van herinneringen aan gebeurtenissen.

Hoe verloopt de ontwikkeling van aandacht en executieve controle bij kinderen? - Chapter 12

Executieve functies omvatten een aantal vaardigheden, die helpen bij het controleren en reguleren van gedachten en gedrag om doelen te bereiken. Basale executieve functies, zoals het vermogen om een ongeschikte reactie te inhiberen, ontwikkelen zich al vroeg in het leven en dragen vervolgens bij aan de ontwikkeling van meer complexe executieve functies, zoals redeneren, plannen en probleemoplossing. Bij volwassenen zijn de executieve functies afhankelijk van een netwerk van hersengebieden, waaronder de prefrontale cortex. Dit hersengebied ontwikkelt zich traag en is zelfs in de adolescentie nog niet volledig ontwikkeld. Executieve functies hangen samen met academische vermogens, zoals lezen en rekenvaardigheden.

De structuur van executieve functies

Er bestaan verschillende perspectieven met betrekking tot de structuur van executieve functies. Terwijl sommigen het als een enkelvoudige functie beschouwen, zien anderen het als een set van vaardigheden. Het laatstbenoemde perspectief stelt dat executieve functies bestaan uit een aantal afzonderlijke, maar aan elkaar gerelateerde componenten. Studies hebben bij jongvolwassenen bijvoorbeeld drie basiscomponenten van executieve functies geïdentificeerd:

• Het werkgeheugen: het vermogen om informatie in een mentale werkplaats tijdelijk op te slaan en te manipuleren.

• Inhiberende controle: het vermogen om een ongeschikte reactie te inhiberen en om afleidingen te negeren.

• Switching: het vermogen om tussen mentale staten, regels of taken te schakelen.

Onderzoeken onder kinderen hebben dit model ondersteund. Hieruit komt nar voren dat de structuur van executieve functies vanaf ongeveer zevenjarige leeftijd relatief stabiel is. De resultaten van studies met kinderen jonger dan zeven jaar zijn minder consistent. Dit kan erop duiden dat executieve functies als enkelvoudige vaardigheid beginnen, die met de leeftijd gedifferentieerd wordt in afzonderlijke componenten.

Neurale basis

Executieve functies worden geassocieerd met een neuraal netwerk, bestaande uit de prefrontale cortex, de pariëtale cortex en subcorticale structuren. De postnatale ontwikkeling van de cortex omvat zowel progressieve veranderingen, zoals de vorming van synapsen en myelinisatie, als regressieve veranderingen, zoals synapseliminatie. De ontwikkeling van de prefrontale cortex duurt in vergelijking met de ontwikkeling van andere hersengebieden lang. Dit is een beperkende factor in de ontwikkeling van executieve functies.

De vraag met betrekking tot de structuur van executieve functies is ook relevant voor het verkrijgen van inzicht in het neurale netwerk dat erbij betrokken is. Als executieve functies een enkelvoudige vaardigheid is, kan één neuraal netwerk bij diverse taken worden geactiveerd. Als executieve functies daarentegen uit afzonderlijke componenten bestaan, kunnen er voor verschillende taken verschillende neurale netwerken worden geactiveerd. Studies onder volwassenen bieden met name steun voor het laatste perspectief. Zo blijkt uit onderzoek dat er sprake is van een lage samenhang tussen scores op taken die verschillende executieve componenten meten. Daarnaast worden er bij verschillende taken verschillende patronen van hersenactiviteit gemeten. De onderzoeksbevindingen hieromtrent zijn minder consistent voor kinderen. Mogelijk is het patroon van hersengebieden die betrokken zijn bij executieve functies van kinderen breder dan bij volwassenen. Dit patroon wordt met de leeftijd meer gedifferentieerd.

Academisch presteren

Leren lezen, schrijven en rekenen kan worden gezien als proces, waarbij simpele vaardigheden (bijvoorbeeld letterherkenning) leiden tot meer complexe vaardigheden. Voorlopervaardigheden kunnen worden beschouwd als onderdeel van een gekristalliseerde kennisbasis, opgebouwd door ervaringen thuis, op school, op het kinderdagverblijf, enzovoorts. Naast deze gekristalliseerde kennis bestaat er een basiscapaciteit voor leren, die minder afhankelijk is van ervaring en eerdere kennis. Deze basiscapaciteit representeert een meer vormbare, biologisch gebaseerde capaciteit voor het verwerven van nieuwe informatie. Deze vormbare vaardigheden worden vaak beschreven als de basale executieve functies die afhankelijk zijn van de prefrontale cortex, waaronder het werkgeheugen, inhiberende controle en switching. Vanuit dit perspectief kan worden voorspeld dat hersengebieden die betrokken zijn bij executieve functies overlappen met hersenactiviteit tijdens taken als lezen en rekenen, vooral tijdens het verwerven van deze vaardigheden. Hersengebieden die betrokken zijn bij executieve functies worden dan steeds minder geactiveerd naarmate kennis meer gekristalliseerd wordt en/of als vaardigheden meer geautomatiseerd zijn.

Inhibitie

Inhibitie is het vermogen om een ongeschikte reactie of gedachte te stoppen. Veel executieve functietaken meten inhibitie, maar er zijn weinig taken die alleen inhibitie meten. Om dit deels op te lossen, wordt er onderscheid gemaakt tussen taken die simpele en complexe inhibitie meten. Bij simpele inhibitietaken wordt een minimaal beroep gedaan op het geheugen of switchingvermogen, terwijl bij complexe inhibitietaken ook gebruik moet worden gemaakt van het geheugen en/of switchingvermogen. Veelgebruikte complexe inhibitietaken bij jonge kinderen zijn de ‘dag-nacht taak’, waarbij het kind ‘dag’ moet zeggen bij een plaatje van de maan en ‘nacht’ bij een plaatje van de zon. Bij de ‘Dimensional Change Card Sort’ taak moet het kind een geoefende reactie (bijvoorbeeld kaartjes op kleur sorteren) inhiberen om een nieuwe regel (bijvoorbeeld kaartjes op vorm sorteren) te volgen. Bij oudere kinderen wordt vaak gebruik gemaakt van de anti-saccadetaak, waarbij het kind zijn ogen in de tegengestelde richting van een cue moet bewegen. Een andere taak die bij oudere kinderen wordt gebruikt, is de ‘go-no-go taak’, waarbij het kind wel op de ene cue moet reageren, maar niet op de andere.

Ontwikkeling van inhibitie in de babytijd en voorschoolse periode

Het vermogen tot inhiberende controle bestaat zelfs al in de babytijd. Tussen drie- en vijfjarige leeftijd vinden er echter grote verbeteringen plaats in de prestatie van kinderen op complexe inhibitietaken. Sommige onderzoekers stellen dat dit een kwalitatieve verandering in vermogen representeert.

Ontwikkeling van inhibitie in de basisschoolperiode

De prestatie op taken als de ‘Dimensional Change Card Sort’ taak of de ‘dag-nacht taak’ stabiliseren rond vijf- à zesjarige leeftijd. Sommige onderzoekers concluderen op basis hiervan dat het vermogen tot inhiberende controle rond deze leeftijd volledig ontwikkeld is. Echter, het gebrek aan verdere verbetering op dergelijke taken kan ook het gevolg zijn van plafondeffecten (de taken worden te gemakkelijk). Studies hebben bewijs geboden voor de voortdurende ontwikkeling van inhiberende controle tijdens de midden kindertijd en adolescentie. Zo verbetert de prestatie op de anti-saccadetaak van achtjarige leeftijd tot de adolescentie en van de adolescentie tot de volwassenheid. Deze resultaten suggereren dat er tijdens de midden kindertijd en adolescentie sprake is van een verdere kwantitatieve verbetering in het vermogen tot inhiberende controle.

Neurale basis van inhibitie

Het neurale netwerk dat bij volwassenen betrokken is bij inhiberende controle omvat de dorsolaterale prefrontale cortex, de inferieure frontale gyrus, de anterieure cingulate cortex, de posterieure pariëtale cortex, het stratium en het cerebellum. Er is bewijs dat het inferieure frontale hersengebied betrokken is bij ontwikkelingsverbeteringen in inhibitievaardigheden tussen drie- en vijfjarige leeftijd. Mogelijk worden verbeteringen in inhibitievermogen in de voorschoolse periode verklaard door een toenemende inferieure frontale betrokkenheid, terwijl veranderingen in inhibitievermogen in de midden kindertijd en adolescentie worden verklaard door veranderingen in frontale verbondenheid en een meer efficiënte pariëtale verwerking.

Verband tussen inhibitie en schoolse vaardigheden

De resultaten van studies naar verbanden tussen inhibitie en schoolse vaardigheden suggereren dat er in de voorschoolse periode een meer specifieke link bestaat tussen inhiberende controle en rekenvaardigheden, terwijl inhibitie bij oudere kinderen een meer algemeen effect heeft op leren. Het vroege verband tussen inhibitie en rekenvaardigheden kan een reflectie zijn van het feit dat kinderen in de voorschoolse periode nog weinig geautomatiseerde rekenvaardigheden hebben.

Werkgeheugen

Met behulp van het werkgeheugen kan informatie tijdelijk worden opgeslagen en worden gemanipuleerd. Deze vaardigheden zijn noodzakelijk voor complexe cognitieve taken, waaronder tekstbegrip, leren, redeneren en wiskunde. Werkgeheugentaken kunnen worden onderscheiden in simpelere taken, waarbij informatie alleen onthouden moet worden (bijvoorbeeld een cijferreeks onthouden), en meer complexe taken, waarbij informatie mentaal bewerkt moet worden (bijvoorbeeld een cijferreeks in de omgekeerde volgorde onthouden).

Ontwikkeling van het werkgeheugen in de basisschoolperiode

Het werkgeheugen blijft zich in de kindertijd voortdurend ontwikkelen. De meeste studies tonen een lineaire toename in werkgeheugenvaardigheden van vierjarige leeftijd tot veertien- à vijftienjarige leeftijd.

Neurale basis van het werkgeheugen

Het werkgeheugen wordt bij volwassenen gemedieerd door een neuraal netwerk, bestaande uit de dorsolaterale prefrontale cortex (vooral de superieure frontale sulcus) en de pariëtale cortex. Ditzelfde netwerk is actief bij acht- tot achttienjarigen. De activiteit van het netwerk neemt met de leeftijd toe. De ontwikkeling van witte stofbanen die de frontale en pariëtale gebieden met elkaar verbindt, lijkt een rol te spelen bij dit proces. De ontwikkeling van deze witte stofbanen hangen samen met de prestatie van het werkgeheugen en met de corticale activiteit in de frontale en pariëtale grijze stof. Onderzoek suggereert dus dat de ontwikkeling van het frontopariëtale netwerk leidt tot de ontwikkeling van het werkgeheugen. Echter, trainingstudies spreken dit perspectief tegen. De capaciteit van het werkgeheugen werd eerder beschouwd als een onveranderbare, erfelijke trek bij volwassenen. Echter, recentelijke studies tonen aan dat het werkgeheugen flexibel is. Dit suggereert dat ervaring met het gebruik van het werkgeheugen kan leiden tot veranderingen in het neurale netwerk dat aan het werkgeheugen ten grondslag ligt. Andere studies suggereren dat de neurale basis van het werkgeheugen in de kindertijd uitgebreider is dan in de volwassenheid. Deze onderzoeksbevinding duiden erop dat het neurale netwerk in de kindertijd meer diffuus is en dat het met de ontwikkeling steeds meer gericht wordt op het frontopariëtale netwerk.

Verband tussen het werkgeheugen en schoolse vaardigheden

Uit onderzoek komt naar voren dat het visueel-ruimtelijke werkgeheugen samenhangt met wiskundige vaardigheden. Sommige studies hebben ook een verband gevonden tussen het verbale werkgeheugen en wiskundige vaardigheden. Echter, de onderzoeksbevindingen met betrekking tot dit verband zin minder consistent en er is bewijs dat het verband met de leeftijd afneemt. Mogelijk wordt het verband tussen het verbale werkgeheugen en wiskundige vaardigheden verklaard door het gebruiken van verbale codes voor tellen of het onthouden van tussenoplossingen van een som.

Studies hebben aangetoond dat er een verband bestaat tussen het verbale werkgeheugen en leesvaardigheden. De onderzoeksbevindingen zijn het meest consistent voor het verband tussen het verbale werkgeheugen en tekstbegrip. Bij volwassenen wordt dit verband gemedieerd door dwalende gedachten, wat suggereert dat het verband deels toegeschreven kan worden aan aandachtscontrole over indringende gedachten.

Shifting

Shifting is het vermogen om tussen mentale staten, regels of taken te schakelen. Shiftingtaken worden van inhibitietaken onderscheiden in de zin dat regelveranderingen bij inhibitietaken expliciet worden gemaakt, terwijl participanten veranderingen in regels bij shiftingtaken op basis van feedback moeten achterhalen. Bij de ‘Wisconsin Card Sorting’ taak moeten participanten de regel en veranderingen in de regel bijvoorbeeld ontdekken door middel van trial and error in plaats van een expliciete benoeming van de regel. Succesvol shiften hangt ook af van het inhibitievermogen en het werkgeheugen, omdat eerder actieve mentale staten of reacties geïnhibeerd moeten worden en feedback via het werkgeheugen verwerkt moet worden.

Ontwikkeling van shifting

Kinderen van voorschoolse leeftijd zijn op leeftijdsgepaste taken in staat tot shifting. Shiftingvaardigheden blijven zich gedurende de kindertijd ontwikkelen. De nauwkeurigheid op shiftingtaken verbetert en wordt in de vroege tot midden adolescentie overeenkomstig met de nauwkeurigheid van volwassenen. De reactietijd neemt tot de volwassenheid toe, wat suggereert dat adolescenten leren te vertragen om zeker te zijn dat ze het goede antwoord geven.

Neurale basis van shifting

Bij het vermogen tot switching is een frontopariëtaal netwerk betrokken. Studies hebben aangetoond dat de betrokkenheid van de prefrontale cortex bij shifting met de leeftijd afneemt. Daarnaast is er bewijs voor een toenemende functionele specialisatie in de mediale en ventrolaterale prefrontale cortex gedurende de ontwikkeling. De mediale prefrontale cortex is bij kinderen actief bij zowel regelrepresentatie als regelswitching, terwijl dit gebied bij volwassenen alleen nog betrokken is bij regelswitching. Daarnaast is de ventrolaterale prefrontale cortex bij kinderen en adolescenten niet actief voor regelrepresentatie, maar bij volwassenen wel.

Verband tussen shifting en schoolse vaardigheden

Shifting wordt minder vaak aan lees- en wiskundige vaardigheden gekoppeld dan inhibitie en het werkgeheugen. Veel studies vinden geen of zwakke verbanden. Mogelijk wordt switching later belangrijker voor meer complexe lees- of rekenvaardigheden.

Overlappende neurale netwerken

Zijn de verbanden tussen de ontwikkeling van executieve functies en schoolse vaardigheden het gevolg van gemeenschappelijke neurale netwerken? De intrapariëtale sulcus is bijvoorbeeld betrokken bij zowel wiskundige vaardigheden als het visueel-ruimtelijke werkgeheugen, wat suggereert dat de ontwikkeling van dit hersengebied ten grondslag ligt aan verbanden tussen beide vaardigheden. In een meta-analyse werd zowel overlap als verschil gevonden bij het bestuderen van neurale gebieden tijdens wiskunde, lezen en executieve functietaken. De belangrijkste gebieden die overlap vertoonden, waren de middelste en inferieure frontale gyri.

Effecten van training

Er wordt veel onderzoek gedaan naar de invloed van het trainen van de executieve functies op de cognitieve ontwikkeling. Trainingstudies kunnen informeren of executieve functies een causale rol spelen bij schoolprestaties door te onderzoeken of verbeteringen in de executieve functies als gevolg van training leiden tot verbeteringen in schoolprestaties.

Het trainen van specifieke executieve functies

Er is het meeste onderzoek gedaan naar de effecten van training op het werkgeheugen. Recentelijke studies tonen aan dat de capaciteit van het werkgeheugen vergroot kan worden door middel van training. Domeinspecifieke programma’s zijn gericht op het verbeteren van strategieën om bepaalde soorten informatie beter te kunnen onthouden. Training kan bijvoorbeeld gericht zijn op het leren van strategieën om de stappen bij een wiskundig probleem te onthouden. Andere programma’s richten zich meer op het verbeteren van meer algemeen processen, zodat de training zal generaliseren naar andere vaardigheden. Uit studies naar de effecten van training op schoolse vaardigheden komen positieve resultaten naar voren. Zo heeft een onderzoek aangetoond dat een werkgeheugentraining positieve effecten heeft op zowel het werkgeheugen als wiskundig redeneren. Sommige onderzoekers waarschuwen echter dat het verband tussen executieve functies en schoolse vaardigheden niet daadwerkelijk bestaat, omdat de meeste studies niet controleren voor mogelijke verstorende factoren. Onderzoek op neuraal niveau heeft aangetoond dat een werkgeheugentraining leidt tot toenemende hersenactiviteit in het frontopariëtale netwerk. Veranderingen in hersenactiviteit zijn niet het gevolg van de activering van extra hersengebieden die vóór de training nog niet betrokken waren, maar van toegenomen activiteit in de gebieden die al betrokken waren.

Het trainen van complexe activiteiten

Een andere benadering van het trainen van executieve functies stelt dat het niet noodzakelijk is om bepaalde executieve functies direct te trainen. Volgens dit perspectief kunnen executieve functies verbeteren als gevolg van het trainen van vaardigheden waarbij executieve functies nodig zijn. Dit geldt vooral als het wordt gecombineerd met fysieke activiteit, zoals bij dans of vechtsporten. Een recentelijke studie heeft aangetoond dat sporten positieve effecten heeft op de executieve functies en wiskundige vaardigheden. Daarnaast is er voorlopig bewijs voor toegenomen activiteit in de bilaterale prefrontale cortex en verminderde activiteit in de bilaterale posterieure pariëtale cortex als gevolg van sporten.