학습에 관한 신경생물학으로부터 의학교육자들이 배워야 할 것(Acad Med, 2011)

학습에 관한 신경생물학으로부터 의학교육자들이 배워야 할 것(Acad Med, 2011)

What Can Medical Education Learn From the Neurobiology of Learning?

Michael J. Friedlander, PhD, Linda Andrews, MD, Elizabeth G. Armstrong, PhD, Carol Aschenbrenner, MD, Joseph S. Kass, MD, Paul Ogden, MD, Richard Schwartzstein, MD, and Thomas R. Viggiano, MD, MEd

지난 50년간 학습과 기억에 관한 생물학적 기초에 대한 이해가 크게 확장되었다.

Over the past 50 years, there has been an explosion in our understanding of the biological basis of learning and memory.

학습의 분자세포적 기초

A Brief Look at the Molecular and Cellular Basis of Learning

다양한 유형의 학습이 있다. 비연관nonassociative 학습, 연관associative학습, 지각perceptual학습, 운동motor학습 등.

There are many types of learning, including various forms of nonassociative and associative learning, perceptual learning, and motor learning.11–13

비록 기억이 일반적으로 과거 경험의 stable and precise representation으로 여겨지지만, 정확히 그 반대이다. 즉, 기억은 제시된 정보가 개인적 경험과 학습환경, 이후 일어나는 사건, 집중 정도, 스트레스 등에 적용(영향)을 받는 역동적 프로세스이다.

Although memories are generally considered as stable and precise representations of past experiences, they are often anything but that.2,13,16 That is, memory is a dynamic process where the information represented is subject to our personal experiences, the context of the learning environment, subsequent events, levels of attention, stress, and other factors.17–19

학습은 뉴런 사이의 네트워크에 기능적이고 구조적 변화를 일으킨다.

Learning leads to functional and structural changes in the interconnected cellular networks between neurons (synapses) at a variety of sites throughout the central nervous system.20–22

• 화학적 시냅스 전달의 변화 changes in the efficiency of chemical synaptic transmission

• 단백질의 번역후 modification posttranslational modifications of proteins located in proximity to synaptic contacts

• 시냅스-후 신경에 대한 시냅스-전 신경의 활동전위 presynaptic nerve impulse (action potential) at the postsynaptic neuron.

이러한 연구결과들이 strength와 정보의 반복 사이의 관계를 알려주었다.

This type of experimental work provides a direct link between the strength and/or repetition of the information

예를 들면, 일정 간격을 두고 연습을 하여 신경pathway의 반복적 activation을 줄 경우, 분자신호의 cascade를 일으키는데, 이것은 짧은, 소수의 연습을 했을 때의 것과는 다르며, 더 지속적이다.

For example, repeated activation of neuronal pathways participating in learning with appropriately spaced trials leads to a cascade of molecular signals that are different and more persistent than those that accompany briefer or fewer trials.26–28

개별 뉴런과 뉴런 네트워크간 커뮤니케이션의 효과성이 기능적으로 변화하면 뇌의 구조적 서킷circuitry에도 변화가 생기고, 예전에는 성인에서는 뇌의 구조적 서킷은 고정된 것hard wired라고 여겨졌었다.

The functional changes in the effectiveness of communication between individual neurons and networks of neurons are also accompanied by substantial changes in the structural circuitry of the brain,5,29 once thought to be hard-wired in adults.

교육과 교육과정 개발에 대한 함의

Implications for Medical Teaching and Curricular Development

반복

Repetition

 

선생님들은 예전부터 늘 반복의 중요성을 강조했다. 

Teachers have long appreciated the value of repetition

그러나 의과대학 교육과정은 과목이나 영역 간 '중복redundancies'을 회피하고자 한다.

However, medical curricula avoid perceived “redundancies,” or overlap, between classes or sections.

학습이론과 학습과 기억에 대한 신경생물학의 연구결과를 보면, 더 깊은 수준으로 학습함going depper으로써 더 기억이 오래 유지되고 이해가 더 깊어진다. 반복 혹은 계획된planned 중복을 통해서 신경프로세스의 여러 요소들이 더 효과적으로 변할 수 있다. 또한 적절한 '간격을 둔 반복적 연습'의 중요성에 대한 근거가 많다.

Learning theory and the neurobiology of learning and memory suggest that going deeper is more likely to result in better retention and depth of understanding.40 With repetition or planned redundancies, many components of the neural processes that are engaged become more efficient .38,41 There is also considerable evidence for the importance of appropriate spacing of repetitive trials.27,42 

보상과 강화

Reward and reinforcement

보상은 인생의 모든 단계에서 학습에 필수적 요소이다. 더 나아가 뇌의 내적 보상 시스템이 학습된 행동의 강화에 중요한 역할을 한다.

Reward is a key component of learning at all stages of life44,45 Moreover, the brain’s intrinsic reward system plays a major role in reinforcement of learned behaviors.47

흥미롭게도, 인간의 두뇌의 신경서킷은 temporal discounting을 겪는다. 즉, 어떤 선택의 상대적 가치는 즉각적인 보상과 더 먼 미래의 보상 사이에서 계산기를 두드린다.

Interestingly, the neural circuitry of the human brain engages in temporal discounting50—that is, the calculation of the relative value of a choice to realize a reward of a certain value in the immediate future versus a reward of a greater value in the more distant future.

학습understanding을 통해서 더 즉각적인 목표에 대한 만족과 기쁨을 얻는 학생이 의학교육과정을 거치면서 보상신호 제공과 관련한 뇌의 능력을 활요할 가능성이 더 높으며, 따라서 학습 프로세스도 더 촉진될 것이다. 비슷하게, 이러한 생물학적 기능을 더 잘 활용하는 교육과정이나 교수자들이 드문드문 존재하는 보상에 대한 고부담의 기회에만 의존하는 경우(rely only on sparsely distributed and high-stakes opportunities for reward)보다 더 성공적일 것이다.

The students who derive joy and satisfaction from the more immediate goals of understanding as they proceed through their medical education may have a greater chance of using the brain’s capacity to provide reward signals on an ongoing basis, thus effectively facilitating their learning process. Likewise, the curricula and instructors that provide a venue and process to tap into this biologic function may be more successful than those that rely only on sparsely distributed and high-stakes opportunities for reward.

시각화

Visualization

 

시각화는 외과의사나 운동선수에게는 잘 알려진 프로세스이다.

Visualization is a process well known to surgeons51 and athletes,52,53

학습이 외부 세계에서 일어나는 어떤 사건에 대한 반응으로 여겨지곤 하지만, 들어오는 정보를 수집하고 기억을 구성하는 신경네트워크는 그 정보가 외부로부터 온 것인지 내부로부터 생성된 것인지를 신경care 쓰지 않는다.
Although learning is routinely considered as a process that occurs in response to certain events in the outside world , the neuronal networks that assemble the incoming information and construct memories shouldn’t “care” about the source (whether externally or internally generated)

따라서 어떤 사건과 관련한 내부로부터의 자극은 강력한 학습 신호가 될 수 있다. 마찬가지로 상상/시각화/다른 기억의 환기/감정 등과 같이 내부로부터 생성된 활동 역시 학습 프로세스에 기여할 수 있다.

Thus, internal stimuli associated with certain events can be powerful learning signals. Likewise, internally generated activity in the brain from thoughts, visualization, evocation of other memories, and emotions should be able to contribute to the learning process.47

자기성찰은 연습했던 행동이나 사고의 강화에 기여할 수 있는 중요한 요소이다. 실제로, 최근의 신경생물학 근거를 보면, 그러한 프로세스에 기여할 수 있는 "거울 뉴런"의 네트워크를 제안한다.

Introspection and self-reflection are important components of any such process and can contribute to the strengthening of rehearsed actions or thoughts. In fact, recent neurobiological evidence suggests that networks of “mirror neurons” in the brain may contribute to such processes.57

학습자가 성공적으로 시각화 테크닉을 활용하여 학습을 강화할 수 있는지 여부는 학습자의 경험 수준에 달려 있다. 예컨대, 연습이나 경험의 양이 심리연습 혹은 시각화를 통해 얻을 수 있는 (수행능력)향상의 정도와 관련되어 있다. 신규 학습자는 상대적으로 지식이나 전문성이 떨어지고, 이것은 제약 요인으로 작용할 수 있다. 따라서 시각화와 같은 학습전략은 교육프로세스의 후반단계에서 더 효과적일 것이다. 즉, 어떤 procedure를 관측하거나 참여해본 다음에 하는 것이 낫다.

The ability of a learner to successfully employ visualization techniques to enhance learning may depend on the degree of experience of the learner. For example, the amount of practice or experience can affect the degree of improved motor performance gained through mental practice and visualization.60 The level of knowledge and expertise of the relatively new learner in a given field (e.g., first- year medical student) may be a limiting factor, and such strategies as visualization may be more effective in later stages of the education process—for example, after having witnessed and participated in procedures.

능동적 참여

Active engagement

실제로, 의학교육은 최근 수십년간 이 방향으로 움직여왔다.

Indeed, medical education has moved in this direction over recent decades

의학에서는 '선생으로서의 학생(가르치는 학생)'의 전통을 예전부터 존중해왔다. 의학교육 프로세스에서 능동적인 학습기회를 생성하는 전략에는 다음과 같은 것이 있다.

Medicine has long cherished the tradition of the student as teacher. Throughout the medical education process, strategies that create active learning opportunities include

• 선생의 역할을 해볼 수 있는 기회 learners’ having multiple opportunities to assume the role of teacher,

• 교사-학생간 상호작용과 질문을 장려하는 학습장소venue learning venues that encourage interaction/questioning between learners and teachers,

• 정보의 탐색에 대해 개인이 책임이 있음을 강조 learners’ taking personal responsibility for discovery of information, and

• 학습자에게 피드백 feedback to learners of the information they have assembled and its validity.

스트레스

Stress

너무 높은 스트레스는 반대 결과를 낮는다. 소규모의, 상호작용이 풍부한 교육형태가 스트레스를 규칙적으로 시스템에 도입하는 현명한 방법이다.

However, particularly high levels of stress can have opposite effects.64 The small, interactive teaching format may be judiciously employed to moderately engage the stress system on a more regular basis.

피로

Fatigue

휴식과 수면이 기억을 강화시키고, 작업기억으로부터 장기, 안정적 형태로 만든다는 근거가 많이 있다.

There is increasing evidence of the importance of rest/sleep for the consolidation of memories and the enhancement of their representations from working memory stages into a long- term stable form.65

더 나아가서 이 연구결과들은 많은 집중력을 요하는 문제해결 세션이나 세밀한 양적 추론 스킬이 필요한 그룹 활동 사이에는 적절한 휴식기downtime을 갖는 것이 중요하다는 것을 강조한다.

Moreover, this research suggests that it is important to have appropriate downtime between intense problem-solving sessions or group venues where detailed quantitative reasoning skills are required.

멀티테스킹

Multitasking

운전을 하는 것과 같은 신체활동이 cognitive distraction을 일으키는 것은 명확하다. 그러나 운전 중 핸드폰을 조작하는 것 같은 신체활동 뿐 아니라, 대화를 하는 것과 같은 인지적 경쟁cognitive competition도 수행능력을 저하시킨다.

The data are clear on the subject of cognitive distractions while performing physical activities like driving a car: It’s not just the physical act of managing a cell phone that diminishes driving performance but also the cognitive competition between attending to the conversation and the driving that further degrades performance.67

따라서 교육에서 다양한 형태의 정보를 통합하는  방법이 중요하며, 이는 집중력을 흐뜨리기보다는 향상시켜서 서로 관련성있는 relevant converging 정보에 대한 몰입을 만들어낸다.

Thus, it is important that educational methods integrate multimodal information relevant to the topic; this encourages engagement of relevant converging informational mechanisms by enhancing rather than dispersing attention.

개별 학습 스타일

Individual learning styles

많은 유형의 학습자와 학습 스타일이 있다.

It is well appreciated that there are many different types of learners and learning strategies.68

다양한 (학습스타일에 따라) 개개인의 신경 반응도 다양하고, 이것이 모든 학습자를 위하여 다양한 학습스타일을 인정해야 하는 이유이다. 이를 통해서..

The neural responses of these different individuals also show variability, and that is the rationale for embracing multiple learning styles to provide opportunities for all learners

• 효과적으로 목표를 달성하고 to be most effectively reached,

• 긍정적 피드백과 성공의 기회를 주고 to provide opportunities for positive feedback and successes, and

• 어떤 식의 접근법에서도 뛰어난 모습을 보이는 학생에게조차 다양한 수렴적 전략multimodal convergent 으로 정보를 강화할 수 있다.  to reinforce information with multimodal convergent strategies, even for those who excel equally with all approaches.

능동적 참여

Active involvement

실험실과 시뮬레이션은 학습프로세스를 위한 풍요로운 장소이며, 경험에 기반하여 정보를 기억에 저장할 수 있다. 다른 말로는, 이 곳에서 하는 것doing이 곧 배우는 것learning이며, doing/learning의 성공은 자신감을 가져온다.

Laboratory and simulation environments are rich venues for the learning process and for storing information into memories based on those experiences. In other words, doing is learning. And success at doing/learning builds confidence,

멀티미디어나 다양한 감각기관을 통한 정보의 재경험

Revisiting information/concepts through multimedia/sensory processes

같은 정보를 다양한 감각기관을 활용하여 다시 접하는 것은 학습 프로세스를 강화한다.

Multiple teaching approaches addressing the same information using different sensory processes are likely to enhance the learning process,

이제 어떻게 해야 하는가?

Where Do We Go From Here?

교육자들이 학생들에게 왜 특정 접근법을 활용하는지를 설명해주면, 학생들은 그것을 이해하고, 그 접근법을 받아들여서 상호존중관계를 쌓아나갈 수 있을 것이다. 이러한 관계는 학습강화의 보상 시스템으로 작용할 수 있다. 학생이 '의학을 배우는 것으로부터 즐거움을 얻을 수 있는 능력' 뿐 아니라 '교사가 선택한 교육프로세스의 rationale를 이해하는 학생의 지적능력'에도 호소함으로써 학생은 진정으로 동기부여될 수 있다.

If educators take the time to explain to students why certain teaching approaches will be used, the students may understand and accept the approaches and develop a mutually respectful relationship with their instructors. That relationship may also serve as a reward systemfor learning enhancement. By appealing not only to students’ capacity to derive pleasure from learning about medicine but also to their intellectual capacity for understanding the rationale for the educational process selected by the instructor (based on various principles, including those derived from the neurobiology principles of learning), real motivation can be engendered.

 

의학교육자를 위한 권고

Recommendations for Medical Educators

• Apply the current knowledge of the neurobiology of learning to the lifelong education of health care professionals.

• Base faculty development practices on current knowledge of the neurobiology of learning.

• Share with the learner the underlying neurobiological principles that shape the pedagogy of the learning experience.

• Establish a toolbox of evidence-based practices for medical education that applies current knowledge of the neurobiology of learning.

• Develop a shared research agenda between neurobiologists and medical educators.

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Acad Med. 2011 Apr;86(4):415-20. doi: 10.1097/ACM.0b013e31820dc197.

What can medical education learn from the neurobiology of learning?

Friedlander MJ1, Andrews L, Armstrong EG, Aschenbrenner C, Kass JS, Ogden P, Schwartzstein R, Viggiano TR.

Author information

• 1Virginia Tech Carilion Research Institute, and professor of biological sciences and biomedical engineering, Virginia Tech, Roanoke, Virginia 24016, USA. friedlan@vt.edu

Abstract

The last several decades have seen a large increase in knowledge of the underlying biological mechanisms that serve learning and memory. The insights gleaned from neurobiological and cognitive neuroscientific experimentation in humans and in animal models have identified many of the processes at the molecular, cellular, and systems levels that occur during learning and the formation, storage, and recall of memories. Moreover, with the advent of noninvasive technologies to monitor patterns of neural activity during various forms of human cognition, the efficacy of different strategies for effective teaching can be compared. Considerable insight has also been developed as to how to most effectively engage these processes to facilitate learning, retention, recall, and effective use and application of the learned information. However, this knowledge has not systematically found its way into the medical education process. Thus, there are considerable opportunities for the integration of current knowledge about the biology of learning with educational strategies and curricular design. By teaching medical students in ways that use this knowledge, there is an opportunity to make medical education easier and more effective. The authors present 10 key aspects of learning that they believe can be incorporated into effective teaching paradigms in multiple ways. They also present recommendations for applying the current knowledge of theneurobiology of learning throughout the medical education continuum.

© by the Association of American Medical Colleges.

Comment in

• Neurobiological research and high-level learning. [Acad Med. 2011]

PMID:

 

21346504

 

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