background image

   
 
 

  6

   

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

M O D U L E

 

 

 
 

 
 
 

background image

 

Summary Key Concepts Case Studies: Re

flect and Evaluate 

 

 
 
 
 

 

 

The Relevance of Brain Research

 

 
 

 
Physiology of the Brain   

Brain Structure and Function   

Factors Affecting Brain Development 

Brain Activity During Learning   

 

 
 
 

 

 

The Brain and Development

 

 

Outline Learning Goals

 

 

 

  1. 

Describe the major arguments for and against the relevance of brain research for educators.

 

 

 

  2. 

Identify the major factors that can lead to individual differences in brain development. 

  3. 

Identify the contributions from neuroscience to our understanding of what it means to learn.

 

 

Applications for the Classroom 

Current State of Research in Memory, Reading, Math, and Emotion 

Evaluating Claims About Brain-based 

Learning

 

 

4. 

Discuss those areas in which neuroscience 

findings have led to implications for classroom practice.   

 
 
 
 
 

 
 
 

 

boh7850x_CL2Mod6.p102-117.indd      102 

boh7850x_CL2Mod6.p102-117.indd    102 

10/9/08      8:31:40 AM

 

10/9/08    8:31:40 AM 

module six

 

the brain and development 

103

 

THE RELEVANCE OF BRAIN RESEARCH

 

background image

In 1990, President George Bush officially proclaimed the 1990s the 
“Decade of the Brain.” From 1990 to the end of 1999, the Library of 
Congress and the National Institute of Mental Health sponsored a 
unique interagency initiative to advance neuroscience research, and 
federal agencies were prompted to provide increased funding for 
neuroscientific endeavors. In the wake of all the excitement generated 
about the brain, teachers now face an astounding array of news 
stories, books, teaching kits, and conference workshops promoting 
“brain-based learning.” Unfortunately, many authors and journalists 
have mischaracterized the findings, causing controversy and 
confusion about the role of the brain in learning (Bruer, 1997; Byrnes 
& Fox, 1998; Katzir & Pare-Blagoev, 2006). Our goals in this module 
are: 

 

 

to consider how brain research can inform educational practice and   

to help teachers understand what claims can and cannot 

justifiably be made about the direct connections between current 
lab findings and classroom applications. 
Critics have argued that neuroscience data are still too new and too 

inconclusive to be of any real value to educators (Byrnes, 2001). 
Some claim that the gap between the levels of analysis in 
neuro-science (which examines learning and development at the 
cellular level) and the types of questions most important to educators 
is simply too large to bridge (Bruer, 1997; Pylyshyn, 1984). 
Advocates, on the other hand, emphasize that new research methods 
in neuroscience, such as those found in Table 6.1, can provide 
tangible evidence to support findings in traditional educational and 
psychological research (Kosslyn & Koening, 1992; Sejnowski & 
Churchland, 1989).   

As a middle ground in the debate, educational decision making can 

be informed by the combined scientific data from the areas of 
psychology, education, and neuroscience, drawing on multiple 
research methods in different settings (Katzir & Pare-Blagoev, 2006; 
Lyon et al., 2001; Stanovich, 2003). Brain science has contributed to 
the general understanding of the physiology of the brain, but in order 
to better understand and interpret the biology of learning, we need to 
consider neuroscience data in light of psychological theory and 
research. We can have more confidence in research that is connected 
to a theoretical framework and in educational theories that are 
supported by interdisciplinary, multilevel research. Hence, the 
soundest approach is to make inferences only when multiple 
neuro-science methods support a claim and when this claim is also 
supported by findings from traditional psychological research 
(Byrnes, 2001; Kosslyn & Koening, 1992; Sejnowski & Churchland, 
1989). 

Given popular misconceptions, the immense volume of research 

information available, and the rapid pace of neuroscientific 
discoveries, teachers must be informed consumers of information, 
keeping current with the latest findings from neuroscience and 
evaluating the relevance of research findings to classroom application. 
Consider these statements and decide whether each is true or false 
based on what you think you know about the brain:

 

 

background image

Humans stop growing brain cells shortly after birth.   

Humans use only about 10% of their brains. 

There are two kinds of people, left-brained people and right-brained people.

 

 
Here are the facts: 

 

 

Belief: Humans stop growing brain cells shortly after birth. 

FALSE in some cases. New research is beginning to show that the 
brain can grow new cells and develop new connections, at least in 
some regions, into adulthood (Bruel-Jungerman, Davis, Rampon, 
& Laroche, 2006; Tashiro, Makino, & Gage, 2007; Thomas, 
Hotsenpiller, & Peterson, 2006). 

 

 

Belief: Humans use only about 10% of their brains. FALSE. 

There is no evidence to support this popular belief (Blakemore & 
Firth, 2005). Learning and thinking are widely distributed across 
many parts of the brain (Ornstein, 1997; Thelen & Smith, 1998). 
Even a single task such as recognizing a word as you read 
activates multiple areas of the cortex (Rayner, Foorman, Perfetti, 
Pesetsky, & Seidenberg, 2001).

 

 

Belief: There are two kinds of people, left-brained people and 

right-brained people. FALSE. While it is true that each of the 
brain hemispheres (the right and left symmetrical halves of the 
brain) is specialized for certain functions, both sides of the brain 
work together    in almost all situations, tasks, and processes 
(Black, 2003; Blakemore & Firth, 2005; Saffran & Schwartz, 
2003).

 

 

 

 

boh7850x_CL2Mod6.p102-117.indd      103 

boh7850x_CL2Mod6.p102-117.indd    103 

10/9/08      8:31:46 AM

 

10/9/08    8:31:46 AM   

 

 

Module 6 :

 

The Brain and Development

 

 

 
 
 
 

104

 

cluster two

 

the developing learner

 

 

TA B L E    6 .1 

New Tools for Studying the Brain 

Technique What it measures   

 
 
 
 

Electroencephalography (EEG) 
Magnetoencephalography (MEG)

 

 
Brain waves 

background image

The electrical and magnetic activity occurring during mental processing (The spikes of activity are called 
event-related potentials or ERP.)   

 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 

 

The brain

’s use of oxygen during cognitive processes 

Ability to locate active brain regions to within one centimeter 

 

 
Positron emission tomography (PET scan)   

 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

“Fuel uptake” or activity level in various regions of the brain

 

 
 

 
Magnetic resonance imaging (MRI) and functional magnetic resonance imaging (fMRI)   

 

 
 
 

 

Functional magnetic resonance spectroscopy (fMRS)

 

 
 

 
CAT scans (computerized axial tomography)   

 
 

 

 

Conversion of MRI information into a three-dimensional picture 

 

 
Levels of speci

fic chemicals present during brain activity   

 
 
 
 

background image

 

 
 
 

 

Brain chemistry analysis Levels of    neurotransmitters (hormones) produced in the brain, such as 

cortisol and serotonin

 

 

 

 

Previous methods for studying the brains were limited to animal studies and autopsies of human brains. With today

’s amazing new 

technologies, we can study the brains of living people in ways that are non-invasive.

 

 
 

 

boh7850x_CL2Mod6.p102-117.indd      104 

boh7850x_CL2Mod6.p102-117.indd    104 

10/9/08      8:31:48 AM

 

10/9/08    8:31:48 AM 

module six

 

the brain and development 

105

 

 

TA B L E    6 . 2

   

 

 

Old Thinking Versus New Thinking About the Brain 

Old thinking New 

thinking 

 

 
 
 
 

How a brain develops depends on the genes you are born with.   

 
 

 
 
 

 

A secure relationship with a primary caregiver creates a favorable context for early development and learning. 
Brain development is linear. The brain

’s capacity to learn and change grows steadily as an infant progresses toward 

adulthood. 
 

 
 
 
 

 

 

Module 6 :

 

The Brain and Development

 

 

 

How a brain develops hinges on a complex interplay between the genes you

’re born with and the experiences you 

have. 
The experiences you have before age three have a limited impact on later development.

 

 
Early experiences have a signi

ficant impact on the architecture of the brain and on the nature and extent of adult 

capacities. 
Early interactions do not merely create a context; they directly affect the way the brain is 

“wired.” 

Brain development is nonlinear. There are prime times for acquiring different kinds of knowledge and skills. 
A toddler

’s brain is much less active than the brain of an adult.

 

background image

 
By the time children reach age three, their brains are twice as active as those of adults. Activity levels drop during 
adolescence. 
Individuals are either left-brained or right-brained.

 

 
Both hemispheres of the brain work together closely in virtually all thinking and learning tasks.   

 

The brain is fully developed by age 

five or six. 

 

 

Brain changes continue throughout the lifespan. 

Sources: Blakemore & Firth, 2005; Shore, 1997.

 

 
 

 

Table 6.2 compares older views of the brain with new views based on the most recent advances in neuroscience. 

What are your initial feelings about the relevance of brain research for teachers? See whether those feelings 
change in any way as you continue reading this module.

 

 

PHYSIOLOGY OF THE BRAIN

 

 

Brain Structure and Function

 

To understand and better interpret future findings from brain research, we first need a basic understanding of brain 
anatomy and function. The cerebral cortex, among the larger anatomical structures of the brain, is the extensive 
outer layer of gray matter of the two cerebral hemispheres, largely responsible for higher brain functions including 
sensation, voluntary muscle movement, thought, reasoning, and memory. While many learning tasks involve 
processing distributed across multiple areas of the brain, certain brain structures are specialized to handle particular 
functions, such as vision (back portion of the brain) and control of physical movements (the motor cortex). These 
functions may overlap or work together with other parts of the brain, as illustrated in Table 6.3. 

The various parts of the brain work together through connections among brain cells. Neurons are brain cells that 

send information to other cells through a synapse, a gap between two neurons that allows the transmission of 
messages, as shown in Figure 6.1. Although neurons can vary in shape and size, they have certain features in 
common (see Figure 6.2):

 

 

cell body that contains a nucleus; 

dendrites, branchlike structures that receive messages from other neurons; and 

an axon, a long armlike structure that transmits information to other neurons. A single axon can branch out many 

times, and these tiny branches end in terminal buttons containing chemicals called neurotransmitters.

 

 

 

 

boh7850x_CL2Mod6.p102-117.indd      105 

boh7850x_CL2Mod6.p102-117.indd    105 

10/9/08      8:31:52 AM

 

10/9/08    8:31:52 AM 

106

 

cluster two

 

the developing learner

   

 

 

Parietal lobe

 

 
Frontal lobe 

 

Parietal lobe 

 

 

TA B L E    6 . 3 

Brain Physiology and Functions   

 
 
 

 
 
 

background image

 

Occipital lobe

 

 
 

 
Temporal lobe 
Pons

 

 
Medulla oblongata 
Spinal cord Cerebellum   

 
 
 
 
 
 

 

 

Structure Examples of Processes 
 
Frontal lobes Arousal and inhibition 
Aspects of memory and attention 
Certain verbal and reading skills Emotional 
processing

 

Reasoning skills

 

Stress Temporal lobes Aspects of memory

 

 
Auditory information 

Emotional 

reactions

 

Parietal lobes Aspects of memory and attention 
Math skills 
Occipital lobes Spatial working memory 
Visual processing 
Cerebellum Certain verbal and visual tasks 
Motor coordination and balance

 

 
 

 

By the twentieth week of fetal life, over 200 billion neurons have 

been created, yet over time, 50% of the original cells are eliminated. 
The early overproduction of neurons and neural networks guarantees 
that the young brain will be capable of adapting to virtually any 
environment into which the child is born, whether San Francisco, São 
Paulo, or Shanghai. Consider the case of language development. At 
birth, every child has the innate capacity to master any of the 3,000 
languages spoken on Earth. Instead of being preprogrammed to speak 
any one particular language or every dialect possible, the cerebral 
cortex will focus its developmental activities around just those sounds 
that have regularity and meaning within its environment and will start 
to weed out those neurons that seem unnecessary in a process called 
neural pruning. Consider some additional examples of how the brain 
changes over time.   

A toddler’s brain has twice as many connections among its neurons 

as does the brain of a college student, as shown in Figure 6.3. The 
toddler brain also appears to expend more energy than does an adult 
brain, as toddlers encounter more sensory data that is completely new 
to them (requiring more attention and energy to process) and are 

background image

trying to master skills that will become automatic and effortless by 
adulthood (Shore, 1997). Between ages three and six, extensive 
rewiring takes place within regions involved in organizing actions, 
planning activities, and focusing attention (Thompson et al., 

 

 

 

 

boh7850x_CL2Mod6.p102-117.indd      106 

boh7850x_CL2Mod6.p102-117.indd    106 

10/9/08      8:31:53 AM

 

10/9/08    8:31:53 AM 

module six

 

the brain and development 

107

 

 

2000). This process primes the child to meet the demands of formal schooling encountered in kindergarten or first 
grade.   

Although the overall    size    of    the    brain    does    not change much after age 6, striking growth spurts can be 

seen from ages six to thirteen in those areas that connect brain regions specialized for language and understanding 
spatial relations. Perfor mance on some tasks is dependent on the development of myelin, a fatty substance    that   
speeds    the    transmission    of    information from one neuron to another. Rates of myelination (and subsequent 
processing speed) have been linked to stages of child development:

 

 

Myelination of brain cells related to hand-eye coordination is not complete until about 4 years of age.

 

 

Myelination in areas responsible    for    focusing    attention is not complete until around age    10    (Posner    &   

Rothbart, 2007). 

 

 

The most extensive myelination in the areas of brain responsible    for    thinking    and reasoning does not take 

place until adolescence (Nelson, Thomas,    &    deHaan,    2006). 
Areas of the adolescent brain involved    in    reasoning,    impulse control, and emotions have not fully reached 
adult dimensions, and the connections    between    specific reasoning and emotion-related regions are still being 
strengthened (Blakemore & Choudhury, 2006; Gogtay et    al.,    2004;    Sowell    et    al., 2004). These findings 
may indicate that cognitive control over high-risk behaviors is still maturing during adolescence, making teens 
more likely than adults to engage in risky behaviors (Giedd et al., 1999; Sowell et al., 1999).

 

 

Axon

 

 
Receptor   

 

 

Module 6 :

 

The Brain and Development

 

 

 

Synaptic vesicles

 

 

 
Dendrites

 

 
 

 

Neurotransmitter

 

 

Figure 6.1 : Communication Through Brain Chemistry. Scientists have learned a great deal about neurons by studying the 
synapse

—the place where a signal passes from a neuron to another cell. The neurotransmitters cross the synapse and attach to 

receptor sites on the dendrite of another neuron.

 

 
Synapse

 

 
 

 
Cell body

 

 
Dendrites

 

 

 

background image

Synapse

 

 
Axon

 

 
 

 
Figure 6.2: The Neuron. A neuron is comprised of a cell body, an axon, and dendrites. The axon of most neurons is covered in a 
sheath of myelin, which speeds the transmission of impulses down the axon. The synaptic terminals on the dendrites are contact 
points with other neurons.

 

 

 

 

Factors Affecting Brain Development

 

The brain is dynamic, remodeling itself in response to environment and experience (Begley, 2007; Tashiro et al., 
2007). Before discussing the many factors that contribute to individual differences in brain structure and 
development, we should acknowledge the chicken-and-egg phenomenon in development. When research shows that 
individuals who differ in certain cognitive functions (e.g., reading, math, language) also have different patterns of 
brain functioning, we must be cautious in our interpretation. Did the different patterns of brain functioning give rise 
to diverse cognitive abilities, or do different experiences, as a result of diverse cognitive abilities (e.g., poor readers 
receiving less reading practice), lead to altered brain functioning? Research in neuroscience cannot yet tease apart 
the direction of this relationship. Credible research on both sides of the issue indicates that the relationship is 
bidirectional, meaning that certain patterns of brain functioning have a genetic basis but patterns of brain functioning 
can change as a result of experience. 

Genetics. While some characteristics of brain development seem to have a hereditary component, research 

suggests that genes alone do not determine brain structure. Researchers often have relied 

 

 
 

 

boh7850x_CL2Mod6.p102-117.indd      107 

boh7850x_CL2Mod6.p102-117.indd    107 

10/9/08      8:31:55 AM

 

10/9/08    8:31:55 AM 

108

 

cluster two

 

the developing learner

   

 
 

 

At birth 6 years old 14 years old 

 

 

on    studies    of    identical    and    fraternal    twins    to identify    within-species   
differences    in    the    role of genetics in brain development. Among their 
findings:    Identical    twins,    who    have    exactly    the same    genetic   
instructions,    sometimes    develop brains that are structurally different, 
indicating that    other    factors    besides    genetics    are    at    work (Edelman, 
1992; Segal, 1989; Steinmetz, Herzog, Schlaug, Huang, & Lanke, 1995). 

Environmental stimulation. In a classic study conducted by Mark Rosenweig (1969), rats and other animals were 

randomly assigned different environmental conditions in which to live. Some animals were placed in an enriched 
environment that had stimulating features such as wheels to rotate, steps to climb, levers to press, and toys to 
manipulate, while other animals were placed in    standard    cages    or    in    deprived    and    isolated conditions. 
Compared to the brains of animals raised in the standard or deprived conditions, the brains of the animals living in 
enriched conditions were heavier and had thicker layers, more neuronal connections, and higher levels of 
neurochemical activity. Similarly, studies have shown that humans need a stimulating environment in order to 
achieve optimal learning and development (Molfese, Molfese, Key, & Kelly, 2003). Features of a stimulating, 
enriched environment include social interaction, sensory stimulation, positive emotional support, novel changes, and 
challenging but achievable tasks (Diamond & Hopson, 1998). 

Environmental stimulation can have different effects on brain structure depending on when it occurs in 

development. For example, in a famous study of visual deprivation in kittens, researchers found that kittens reared in 
total darkness (with their eyelids surgically sewn shut) for two weeks right after birth would be permanently blind; 
however, if the visual deprivation occurred somewhat 

 

 

Figure 6.3: Synaptic Density in the Human Brain. The number of synaptic connections between neurons peaks during early childhood. Over time, 

these connections are 

“pruned” to allow for more directed and efficient functioning of the brain. Image reprinted from R. Shore (1997). Rethinking the 

background image

brain: New insights into early development (p. 20). New York: Families and Work Institute.   

 

 
 
 

 

Wired for Learning. The brain has undergone major restructuring by the time a child starts formal schooling.

 

 

 

 

boh7850x_CL2Mod6.p102-117.indd      108 

boh7850x_CL2Mod6.p102-117.indd    108 

10/9/08      8:31:59 AM

 

10/9/08    8:31:59 AM 

module six

 

the brain and development 

109

 

 
 

 
Stimulating experiences enhance brain development.   

 
 
 
 
 
 

 

 

Module 6 :

 

The Brain and Development

 

 

 

later in the postnatal period, the kittens were able to develop normal 
visual skills (Hubel & Weisel, 1962). Findings such as this led to the 
notion of a critical period in human brain development, a window of 
opportunity during which certain experiences are necessary for the 
brain and corresponding cognitive skills to develop normally. The 
assumption underlying critical periods is that the window of 
opportunity will close after a certain period of time, making it nearly 
impossible to develop normal levels of skill. However, there is 
limited neuroscientific evidence in studies with human beings to 
support this assumption (Blakemore & Firth, 2005; Breur, 1999).   

Most neuroscientists now believe that development is 

characterized by sensitive periods. During a sensitive period, the 
brain is particularly sensitive to environmental influences (Knudsen, 
1999). Although it is possible to develop certain capacities after the 
sensitive period has passed, skills acquired after that time are subtly 
different and may rely on different strategies and brain pathways 
(Blakemore & Firth, 2005). For example, individuals who learn a 
second language after puberty do not acquire the same level of 
grammatical skill that is attained by younger children who learn a 
second language (Johnson & Newport, 1989, 1991; White & 
Genesee, 1996). 

Plasticity. Studies of patients with brain damage indicate that the 

brain can rewire itself in an attempt to compensate for loss of 
function. The brain’s ability to reorganize itself by forming new 
neural connections throughout life is called plasticity. Some brain 
systems are more plastic than others, some are highly plastic during 
limited periods, and some change more quickly in response to 
targeted interventions (Begley, 2007). Plasticity may be considered as 
experience-expectant or experience-dependent plasticity (Greenough, 

background image

Black, and Wallace, 1987). Experience-expectant plasticity is 
available from conception and describes the brain’s ability to 
fine-tune its powers to adapt to environmental conditions. For 
example, although the brain is equipped to interpret visual signals 
from both eyes, it will restructure itself to compensate for a nonseeing 
eye. Experience-expectant plasticity involves windows of opportunity 
that may gradually close (or at least narrow) if the brain identifies the 
skills involved as unnecessary for the individual. 
Experience-dependent plasticity refers to the emergence of skills 
that are unique to particular cultures and social groups. For example, a 
student who moves from rural Indiana to New York City will have to 
activate or develop new neural connections that help her negotiate her 
new and different living conditions. This form of plasticity involves 
strengthening weak synapses and forming new ones and seems to be 
viable throughout the lifespan (Bruer & Greenough, 2001; Merzenich, 
2001). 

Nutrition. Experimental studies with animals and correlational 

studies with humans have shown that malnutrition can have different 
effects on brain development, depending on the timing of the 
malnutrition and how long it lasts (Winick, 1984). The brain of a 
human fetus grows very rapidly from the tenth to the eighteenth week 
of pregnancy, and good nutrition during this formative period is 
believed to be particularly critical to healthy development (Chafetz, 
1990; Dhopeshwarkar, 1983). Malnutrition during periods of rapid 
brain growth can have devastating effects on the nervous system and 
on myelin development (Byrnes, 2001). Malnutrition can impair the 
flow of neurotransmitters, the chemical messengers in the nervous 
system that permit nerve cells to communicate, thereby placing an 
individual at higher risk for neurological and mental disorders 
(Coleman & Gillberg, 1996; Edelson, 1988).

 

 

 

 

boh7850x_CL2Mod6.p102-117.indd      109 

boh7850x_CL2Mod6.p102-117.indd    109 

10/9/08      8:32:02 AM

 

10/9/08    8:32:02 AM 

110

 

cluster two

 

the developing learner

 

 

Figure 6.4: The Effects of Fetal Alcohol Syndrome on the Brain. The image on the left shows the brain of a healthy 6-week-old infant. The image 

on the right shows the brain of an infant with fetal alcohol syndrome. Image retrieved from http://www.acbr.com/ fas/fasbrail.jpg.   

 

 
 
 

 

Teratogens. Teratogens are any foreign substances that can cause abnormalities in a developing fetus. For 

example, maternal exposure to high levels of lead is associated with higher rates of spontaneous abortion (Bellinger 
& Needleman, 1994). Maternal consumption of alcohol has consistently been linked to a range of cognitive and 
motor deficits (Barr, Streissguth, Darby, & Sampson, 1990; Streissguth et al., 1989; 1994).    Infants born to mothers 
who were heavy drinkers during pregnancy may have some form of mental retardation or behavioral problems. 
Prenatal exposure to alcohol can occasionally lead to a disorder called fetal alcohol syndrome (FAS), which has an 
incidence of 3 per 1,000 births. FAS is a permanent condition characterized by abnormal facial features, growth 
deficiencies, and central nervous system problems. Children with FAS might have problems with learning, memory, 
attention span, communication, vision, hearing, or a combination of these. These problems often lead to academic 
difficulties as well as social problems (Centers for Disease Control and Prevention, 2007). Figure 6.4 shows the 
dramatic differences between the brain of a healthy six-week-old infant and the brain of an infant with fetal alcohol 
syndrome.   

background image

Think about other areas of physical development, such as your height, and how those aspects of physical 

development are affected by genetics, environmental stimulation, plasticity, nutrition, and teratogens.   

Brain Activity During Learning

 

What happens in the brain when a child is learning to read, play the piano, or ride a bike? During 
learning, neurons reach out to one another to form new connections or strengthen old ones. The 
adult brain contains about 100 billion neurons, but when we speak of “reading words,” “adding 
numbers,” “writing sentences,” or “forming a hypothesis,” we are not referring to the work of 
individual brain cells. Many cognitive tasks require millions of interconnected neurons (Blakemore 
&   

Firth, 2005). The very architecture of each human brain is altered as a result of all 

newly acquired skills and competencies—in other words, learning. Figure 6.5 
illustrates the dispersion of brain activity that takes place during reading. 

Certain emerging skills and behaviors have a greater likelihood of developing 

elaborate neural connections that become almost impervious to destruction. 
These are skills and behaviors that:

 

 

New experiences spark new neural connections.   

 

 
 
 

 

boh7850x_CL2Mod6.p102-117.indd      110 

boh7850x_CL2Mod6.p102-117.indd    110 

10/9/08      8:32:04 AM

 

10/9/08    8:32:04 AM 

module six

 

the brain and development 

111

   

 

 

Word identification 

 

 
Figure 6.5: Areas of the Brain Involved in Reading. The reading process involves many distinct skills and activates multiple areas 
of the brain. 

Image retrieved from http://www

 

.brainconnection.com. Used with permission from PositScience.   

 

 

Processing rate 
 

 
 

 
 
 

 

Visual processing 
 

 
 

 

 

Verbal short term memory 
 

 

 

Word memory 
 

 

 

Text comprehension 
 

 

Module 6 :

 

background image

The Brain and Development

 

 

 
 

 

 

Decoding 
 

 
 
 
 

 
 

 

Phonological processing 
 

 
 
 

 
 
 

 

Text   

 

 

C A T 

 
 
 

 

  receive significant amounts of time, attention, and practice; and   

  have key emotional, personal, and/or survival linkages.

 

 
As you use certain combinations of skills repeatedly, your brain begins to recognize the pattern and becomes faster 
and more efficient at performing the task (Begley, 2007; Hebb, 1949). Certain brain cells actually learn to fire in 
unison. Neuroscientists use the phrase “Cells that fire together, wire together” to describe this pattern of 
increasing efficiency in the brain. Well-entrenched behaviors that are practiced to automaticity (becoming fast and 
error-free and needing few cognitive resources) become centered in the regions of the brain responsible for 
automatic, unconscious processing. This frees up the conscious cerebral cortex for new learning, because 
deep-rooted skills no longer demand a learner’s full attention for their execution. For example, as you read this 
sentence, your having already developed automaticity of word identification (identifying words and their meanings) 
allows you to focus more cognitive resources on comprehension. 

Practice strengthens neural connections, while infrequent use of certain skills may cause synaptic connections 

to weaken or degenerate in a process called synaptic pruning. The brain is the quintessential example of the 
“use-it-or-lose-it” principle. Synaptic pruning eliminates useless connections and makes it possible for the 
remaining connections to operate more efficiently. Some loss of synapses is both inevitable and desirable. How 
might this apply to the classroom? Teachers should clearly identify important skills and concepts and make sure they 
are used and reviewed on a regular basis to ensure that they are retained or learned.

 

 

What skills have you practiced to a level of automaticity? What skills have you lost or become less ef

ficient 

in performing because you haven

’t used them often enough?

 

 

>

>

<

<

 

Automaticity: See page 197 and page 230.

 

 

 

background image

 

APPLICATIONS FOR THE CLASSROOM

 

Recent advances in neuroscience, combined with studies in educational psychology, have validated some of the 
educational practices that teachers have intuitively considered educationally sound. Let’s review some of the 
findings and discuss their implications for teachers and students. 

 

 

Current State of Research in Memory, Reading, Math, and Emotion

 

Memory. The psychological model of memory suggests that instruction is most likely to succeed if    it    involves   
practice    and    helps    students    create    detailed    representations.    This    model    is    highly 

 

 

>

>

<

<

 

Memory: See page 187.

 

 
 

 

boh7850x_CL2Mod6.p102-117.indd      111 

boh7850x_CL2Mod6.p102-117.indd    111 

10/23/08      3:49:00 PM

 

10/23/08    3:49:00 PM 

112

 

cluster two

 

the developing learner

 

 

consistent with both psychological and neuroscientific evidence 
(Byrnes, 2001). Specific findings regarding human memory include 
these: 
1.    Attention. The problem of forgetting is not always a memory 
problem. Often it is the neural consequence of attention-related 
problems. The brain pays little attention to information it feels is 
irrelevant. Psychological studies, supported by findings using 
brain-imaging techniques, have shown that some aspects of attention 
(such as filtering out unimportant information) are particularly 
difficult for children in elementary school and other aspects (such as 
orienting attention where directed) are relatively easy (Posner, 1995; 
Posner & Raichle, 1994). Neuroscientists are also examining the 
possible neural basis of attention-deficit hyperactivity disorder and 
are considering the effects that drugs such as Ritalin have on the 
brain (Durston et al., 2004; Sowell et al., 2003).

 

2.    Building    patterns    and    connections.    The hippocampus, a 
brain structure that plays an important role in memory formation, 
may temporarily bind separate sites in the cerebral cortex associated 
with a memory (e.g., what an object looks like, what it is called, and 
so on) until connections that constitute a more permanent record are 
established in the brain (Squire & Alvarez, 1998). Learning involves 
the establishment of relatively permanent synaptic connections 
among neurons (Byrnes, 2001). The popular press and 
practitioner-oriented books have emphasized the importance of 
teaching in ways that build synaptic connections and that encode 
information in multiple ways, yet neuroscientific research has not 
been able to demonstrate that one particular instructional technique 
is any better than another for actually generating synapses in the 
brain (Begley, 2007; Byrnes, 2001). 
  3. Novices vs. experts. An individual’s level of expertise shows 
itself through major differences in neural representations of the same 
information. When we compare brain images of “novices” and 
“experts” performing the same task or playing the same game, the 
differences are vividly apparent. Experts organize and interpret 
information in their brains differently from nonexperts (National 
Research Council, 2000). Teachers can support the development of 

background image

expertise by giving students plenty of time to practice essential 
skills. Many psychological studies have confirmed the importance of 
practice and repetition, as well as the value of a variety of 
metacognitive strategies to aid learning, memory, and transfer 
(Anderson, 1995; Flavell, Green, & Flavell, 2000; Weinstein & 
Mayer, 1986). 

 

 

Reading. Reading is probably the area with the highest degree of 

convergence between educational psychology and neuroscience. 
Educational researchers had already developed sophisticated theories 
of reading and dyslexia based on behavior, and these theories have 
guided the interpretation of neuroscientific data (Willingham & 
Lloyd, 2007). Here are some classroom implications suggested by 
research in these two fields:   

  1. Based on studies of neural development and psychological 
studies of cognitive development, reading instruction is likely to be 
relatively ineffective before age three or four (Goswami, 2006; 
Katzir & Pare-Blagoev, 2006).

 

2. Sophisticated brain-imaging technology reveals that individuals 
with a reading disability show decreased functioning in certain brain 
regions while performing reading tasks that require phono-logical 
processing—a skill needed to consciously manipulate the letter 
sounds in words (Begley, 2007; Shaywitz et al., 2002). However, it 
is not yet clear to what extent differences in brain functioning are a 
cause of phonological processing deficits in reading disability or a 
product of the phonological deficits that individuals with a reading 
disability experience when learning to read. The relationship seems 
to be bidirectional. Neurological confirmation of the role of 
phonological processes in reading and reading disability has led to a 
reevaluation of how reading disabilities are defined and understood 
(Perfetti & Bolger, 2004).     

 

 

 

Practice Makes Perfect. 
Students can develop expertise by practicing essential skills.

 

 

 

 

Reading disability:

 

See page 431.

 

 

>

>

<

<

 

Memory, metacognition, and transfer: See page 187, page 214, 
and page 230.

 

>

>

<

<

 

 
 

 

boh7850x_CL2Mod6.p102-117.indd      112 

boh7850x_CL2Mod6.p102-117.indd    112 

10/9/08      8:32:08 AM

 

10/9/08    8:32:08 AM 

module six

 

the brain and development 

113

   

 
 
 

 

Module 6 :

 

The Brain and Development

 

background image

 

 

3. Brain scans reveal that intervention makes a difference in the 
reading performance of dyslexic students. Individuals with reading 
disabilities who participated in targeted instructional programs 
improved their reading performance, and their brain activation 
patterns began to more closely resemble those of typical readers 
(Shaywitz et al., 2004; Simos et al., 2002). Currently, almost a 
quarter million children are participating in the Fast ForWord 
reading program derived from neuroscience research and 
developed by the Scientific Learning Corporation (http://www. 
sciencelearn.com/). Cognitive-behavioral and neurological findings 
indicate that specific remediation programs such as this, which 
provide intensive training to improve auditory processing deficits, 
can alter the functioning of the brain (Katzir & Pare-Blagoev, 
2006; Temple et al., 2003). 

 

 

Math. Few educational implications exist for math skills because at 

present, the number of neuroscientific studies is limited. The available 
research evidence, however, supports some tentative conclusions 
(Byrnes, 2001; Geary, 1996): 
  1. Calculation skills seem to be largely confined to the left hemisphere (though not always). 

 

2. Individual math facts and procedures seem to be stored in their own separate areas of the cortex (one 
area for multiplication facts, another for subtraction procedures, and so on). 

  3. Skills of comparing and ordering information seem to be 
localized in the posterior regions of the right hemisphere (though 
not always).   

These findings tell us a little about activity in the brain during math 
but contribute little to understanding how to teach math. Some of the 
most useful findings about how to teach math have come from studies 
in educational psychology that examine children’s conceptual 
understanding, factual knowledge, and calculation processes 
(Peterson, Fennema, Carpenter, & Loef, 1989; Resnick & Oman-son, 
1987).   

Emotion.    There is still much to learn about the ways emotion 

relates to learning and how brain research on emotions might be 
applicable to classroom practice. However, let’s consider two 
interesting avenues of research: 

  1. Psychologists have hypothesized that human brains may reflect 
an inherent sociability and need for affiliation (Lefebvre, 2006; 
Pinker, 1997). This “social brain” hypothesis could explain why 
children perform better in school when they view their teachers as 
caring (Wentzel, 1997) and also could have implications for the 
use of independent versus collaborative approaches in the 
classroom. Additional research with human subjects needs to 
investigate further the connection between social and emotional 
centers in the human brain and related learning outcomes. 

 

 

>

>

<

<

 

 
 

 

The 

“Social Brain.” 

Children perform better in school when they believe their teachers care about 
them.

 

 

background image

Emotions and learning: See page 63.

   

 

 
 
 

 

boh7850x_CL2Mod6.p102-117.indd      113 

boh7850x_CL2Mod6.p102-117.indd    113 

10/9/08      8:32:10 AM

 

10/9/08    8:32:10 AM 

114

 

cluster two

 

the developing learner

 

 

2. Chronic stress and fear can lead to the physical destruction of 
neurons in the hippocampus, an area buried deep in the forebrain 
that helps regulate emotion and memory (McEwen, 1995). Anxiety 
increases in the presence of pressures to perform, of severe 
consequences for failure, and of competitive comparisons among 
students (Wigfield & Eccles, 1989). High anxiety can interfere with 
learning by distracting a student’s attention from the material to be 
learned (Cassady & Johnson, 2002). 

 

 

Evaluating Claims about Brain-based Learning

 

The No Child Left Behind Act of 2001 and the Individuals with 
Disabilities Education Improvement Act of 2004 have required 
schools to provide students with academic instruction that uses 
scientific, research-based methods. Unfortunately, many claims about 
brain-based education are not well supported by credible research. 
Also, “brain-based learning” recommendations often are based on 
findings from educational psychology studies rather than on 
neuroscientific evidence. Other studies have been conducted with 
animals and the results generalized to humans, with no real 
understanding of between-species differences. 

The rapid explosion of brain research has sparked the interest of 

educators who have drawn premature conclusions about educational 
implications. Consider, for example, these claims:

 

 

Suggestions by Geoffrey and Renata Caine (1997) and Howard 

Gardner (2000) that brain research justifi es a shift toward more 
thematic, integrated activities.
 There currently is no neuroscientific 
evidence to support such a sweeping conclusion.

 

 

The assertion by Gardner (2000) that brain research supports 

active learning. This assertion is based on behavioral studies, not 
neuroscientific findings. 

 

 

Brain Gym, a popular commercial program marketed in more 

than 80 countries, is claimed to lead to neurological repatterning 
and greater whole-brain learning (Offi cial Brain Gym Web site, 
2005).
 The brain is dynamic and is constantly repatterning itself, so 
this outcome is not unique to Brain Gym. 

While these and other prescriptions for brain-based learning may 

turn out to be valid, at the present time data to support these claims is 
insufficient. The evidence most frequently cited comes from 
traditional psychological studies, not from neuroscience (Bruer, 1999; 
Coles, 2004; Hyatt, 2007; Stanovich, 1998). When sorting through 
claims made about brain-based learning, we must proceed with 
caution and analyze the data with a critical eye. 

You hear from a friend that listening to classical music boosts 

background image

infants

’ brain power. How can you judge whether this claim is 

valid?   

 
 
 
 
 
 
 

 
 
 

 

boh7850x_CL2Mod6.p102-117.indd      114 

boh7850x_CL2Mod6.p102-117.indd    114 

10/9/08      8:32:13 AM

 

10/9/08    8:32:13 AM 

key concepts

 

115

   

 
 

 
 

 

Summary

 

 

 
 
 
 

Describe    the    major    arguments    for    and    against    the relevance of brain research for 
educators. 
Critics have argued that neuroscience data are still too new, too inconclusive, and too 
different from educational frameworks to be of any real value to educators. Advocates, on the other hand, 
emphasize that new research methods in neuroscience can provide tangible evidence to support    what   
has    been    found    in    traditional    educational and psychological research. They suggest that 
educational decision making can be best informed by combining scienti

fic data from psychology, 

education, and neuroscience, using multiple research methods in different settings. 
Identify the major factors that can lead to individual differences in brain development. Several 
factors produce individual differences in brain structure and development: (1) genetics; (2) environmental 
stimulation; 

 

(3) plasticity, which allows the neurons (nerve cells) in the brain to compensate for injury and disease and 
to adjust their activities in response to new situations or changes in their environment; (4) nutrition; and 
(5) teratogens, or foreign substances that can cause abnormalities in a developing fetus. 
Identify the contributions from neuroscience to our understanding    of    what    it    means    to 
learn. 
During learning, neurons respond by reaching out to one another in an elaborate branching 
process that connects previously    unaligned    brain    cells,    creating    complex neural    circuits.   
Neurons    are    constantly    rearranging their connections in response to new information and 
experiences.    Learning    can    involve    strengthening    existing synapses or forming new ones. In some 
cases, cognitive development can require the elimination of synapses through synaptic pruning. Teachers 
should clearly    identify    important    skills    and    concepts    and make sure they are used and reviewed 
on a regular basis

—otherwise students’ ability to remember and use these skills is likely to weaken or 

disappear altogether. Practice    strengthens    neural    connections    and    allows more ef

ficient retrieval of 

information. 
Discuss those areas in which neuroscience 

findings have led    to    implications    for    classroom   

practice. Research now    suggests    that    brain    development    is    not    determined solely by genetics. 

background image

How a brain develops hinges on a complex interplay between the genes you

’re born with and the 

experiences you have. Studies of memory and attention have shown that experts organize and interpret 
information in their brains differently from nonexperts. Teachers can support the development of expertise 
by giving students plenty of time to practice essential    skills.    Classroom    interventions,    such    as    the 
Fast ForWord program used with students who experience reading dif

ficulties, can help students make 

cognitive adaptations that cause the brain to rewire itself in more ef

ficient and interconnected ways. 

Unfortunately, the rapid explosion of brain research has sparked the interest of educators who have 
drawn some premature conclusions about the educational implications. Neuroscienti

fic research does not 

support the speci

fic claims of many “brain-based learning” programs that promise to boost brain power.   

 
 
 

 

Key Concepts

 

 

 
 

experience-expectant plasticity fetal alcohol syndrome (FAS) myelin neurons neurotransmitters plasticity   

 

 

brain hemispheres 

“cells that fire together, wire together” principle cerebral cortex critical period 

experience-dependent plasticity 

 

 

 

sensitive periods synapse synaptic pruning teratogens 

“use-it-or-lose-it” principle 

 

 

 

 

boh7850x_CL2Mod6.p102-117.indd      115 

boh7850x_CL2Mod6.p102-117.indd    115 

10/9/08      8:32:14 AM

 

10/9/08    8:32:14 AM 

116

 

case studies: re

flect and evaluate

   

 
 
 

 
 

 

Case Studies: 

Refl ect and Evaluate 

Early Childhood: 

“Fire Safety” 

These questions refer to the case study on page 94. 

  1. De

fine sensitive period and explain why the preschool years may 

be a sensitive period for language development. 
  2. Explain the relationship between a stimulating environment and a 
child

’s brain development. What types of activities, toys, and 

interactions would characterize a stimulating preschool environment? 
Based on this, evaluate whether Rolling Hills Preschool is a 
stimulating preschool environment. 

  3. Suppose there was a child at Rolling Hills Preschool with fetal 

alcohol syndrome. How might this child

’s learning, memory, and 

communication skills compare to those of the other children in the 

background image

case?    4. Angela encouraged the children to practice their safety 

information so they would know it by heart.   

Explain what happens in the brain as individuals practice skills until they become 
automatic. 
  5. Preschoolers often are said to have limited attention spans. 
Evaluate the validity of this claim with respect to the evidence on 
age-related patterns in the brain. 
  6. Angela introduced several different ways to practice and 
remember phone numbers. How would you describe what happens in 
the brain as each new method is introduced and used? 

 

 

Elementary School: 

“Project Night” 

These questions refer to the case study on page 96. 

  1. Evaluate Carlos

’s assumptions about right-brained and 

left-brained students. Based on your reading of the research in the 
module, what would you say to him? 
  2. Explain why practicing research techniques such as using the 
Internet and an encyclopedia is so important in developing 
automaticity, and explain what happens in the brain as this occurs. 
  3. According to brain research on attention, why would you expect 
the 

fifth graders to have difficulty distinguishing important information 

from less important information in their project resources? 
  4. Based on the discussion of age-related patterns of brain 
development, why might the exchange and evaluation of information 
in the 

“research teams” be challenging for fifth-grade students? 

  5. Mr. Morales

’s project unit helps students build elaborate and 

meaningful representations of their social studies knowledge. Explain 
what happens in the brain as this occurs.

 

 

Middle School: 

“Frogs” 

These questions refer to the case study on page 98. 

  1. Tyler has fetal alcohol syndrome (FAS). Describe the problems 
associated with FAS, and provide suggestions for modi

fications 

Morgan might need to make in biology lab for Tyler. 
  2. Morgan assumes that because Tyler is 13, there is not much she 
can do to help him improve his language skills because the critical 
period for language development has passed. Explain why Morgan

’s 

reasoning is 

flawed. 

  3. A student in Morgan

’s class who has struggled academically 

throughout upper elementary school has just been diagnosed as 
having a speci

fic reading disability. He asks Morgan to help him 

understand why he processes written text differently than his peers. 
Based on brain research presented in this module, what might 
Morgan say to this student? 
  4. If Morgan

’s students never have an opportunity to do another 

dissection, what is most likely to happen to their dissection skills? 
Give your answer in terms of what is known about the way the brain 
functions. 
  5. How might the saying 

“Cells that fire together, wire together” 

explain why students would be expected to become more ef

ficient at 

doing the steps involved in dissection if they repeated them multiple 
times?   

 
 
 
 
 
 

background image

 
 
 

 
 
 

 

boh7850x_CL2Mod6.p102-117.indd      116 

boh7850x_CL2Mod6.p102-117.indd    116 

10/9/08      8:32:16 AM

 

10/9/08    8:32:16 AM 

case studies: re

flect and evaluate

 

117

   

 
 
 
 
 

 
 

 

High School: 

“The Substitute” 

These questions refer to the case study on page 100. 

  1. Dylan appears to have begun engaging in some risk-taking 
behavior. Explain the brain changes taking place during 
adolescence that might contribute to decisions about risk-taking. 
  2. The students Mr. Matthews encounters on his 

first day are not 

used to being actively engaged in class. Explain how the teaching 
methods Mr. Matthews introduces might shape the way knowledge 
of British literature is processed in the brain. 
  3. A teacher meets Mr. Matthews in the hall and says, 

“You’ve had 

quite an impact on your British literature students. So, I hear you

’re 

using brain-based teaching.

” Explain why the teacher’s comment 

about brain-based teaching is inaccurate. How should teachers use 
brain research to support and inform their teaching? 
  4. If a student in Mr. Matthews

’s class had a reading disability, 

would it be possible to change the way that student

’s brain 

processes information during reading? Explain based on the 
evidence from neuro-science research.     

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 

 

boh7850x_CL2Mod6.p102-117.indd      117 

boh7850x_CL2Mod6.p102-117.indd    117 

10/9/08      8:32:20 AM

 

10/9/08    8:32:20 AM