už jste někdy slyšeli o mozkových vlnách a možná jste se divili, co jsou zač? V tomto článku vysvětlíme, jaké jsou mozkové vlny, jak je lze měřit v laboratoři a ve třídě a proč je zajímavé je měřit.

EEG: Měření elektrické aktivity v mozku

buňky ve vašem mozku se nazývají neurony a váš mozek jich má zhruba 86 miliard. Tyto neurony jsou velmi upovídané, stejně jako studenti ve třídě. Namísto použití slov, neurony komunikují prostřednictvím malých elektrických signálů, které generují. Tyto signály jdou nahoru a dolů v intenzitě, připomínající vlny: to jsou vaše mozkové vlny. Můžeme měřit mozkové vlny pomocí techniky známé jako elektroencefalografie (EEG), ve které jsou malé detektory, nazývané elektrody, umístěny na hlavu člověka . Obvykle jsou všechny tyto elektrody (až 256!) jsou drženy na místě víčkem, i když nedávno byla vyvinuta přenosná zařízení, která používají méně elektrod, ve fantasticky vypadajících náhlavních soupravách. EEG nemůže měřit elektrickou aktivitu jednotlivých mozkových buněk, protože elektrické proudy, které generuje každý neuron, jsou příliš malé. Tyto proudy lze měřit pouze tehdy, když mnoho neuronů vysílá podobné elektrické signály současně. Představte si hudební festival s tisíci lidí. Když tleská jen jeden člověk, kapela na pódiu to neuslyší, ale když tleská zároveň celé publikum, tak to určitě bude.

mozkové vlny: pomalé a rychlé

mozkové vlny se liší rychlostí. Můžete přemýšlet o pomalých mozkových vlnách jako o velkých vlnách v oceánu, o pohybu lodi nahoru a dolů a o rychlých mozkových vlnách jako o malých vlnách na vodní hladině. Když používáme EEG, dostaneme směs rychlých a pomalých mozkových vln, které se dějí současně.

tak proč je to zajímavé? Představte si, že jste brzy ráno, ne úplně vzhůru a stále zasněný. Pokud bychom v tu chvíli změřili vaše mozkové vlny pomocí EEG, viděli bychom relativně pomalé mozkové vlny. Nyní si představte, že jste ve škole na zkoušce a intenzivně se soustředíte. V této situaci bychom mohli detekovat rychlejší mozkové vlny. Tyto příklady ukazují, že rychlost mozkových vln souvisí se stavem, ve kterém se nacházíte. Rychlost mozkových vln se nazývá frekvence. Pomocí EEG můžeme identifikovat různé frekvenční rozsahy. Například, Delta rozsah odpovídá relativně pomalé mozkové vlny, které jdou nahoru a dolů 1-4 krát za sekundu, nebo 1-4 Hertz (Hz), což je jednotka frekvence. Obrázek 1 ukazuje přehled frekvenčních rozsahů (nazývaných také frekvenční pásma) a jejich vztah k vašemu duševnímu stavu.

Za Pomalé a Rychlé: Event-Related Potenciálů

i když EEG frekvenční pásma jsou velmi zajímavé, ne všechny otázky mohou být zodpovězeny tím, že zkoumá je. Například, co když chcete vědět, jak mozek rozumí slovům, která slyšíte, nebo jak ovládá impulsy, jako když nezasáhnete svou mladší sestru, pokud vás šílí? Pro takové otázky vědci analyzují mozkové vlny jiným způsobem: výpočtem potenciálu souvisejícího s událostmi nebo ERP. ERP jsou elektrické mozkové reakce na konkrétní události, jako je čtení slova nebo ovládání impulsu. V metodě ERP jsou zkoumány části EEG signálu způsobené těmito specifickými událostmi. K použití této metody EEG je zaznamenán, zatímco účastník provádí počítačový úkol, který je speciálně navržen tak, aby studium některých funkcí mozku, například impulsní ovládání.

zde je popis takového úkolu, který se nazývá úkol „Go / No-Go“ (Obrázek 2). Na obrazovce se objevují různá písmena, jeden po druhém. „X“ znamená “ stiskněte tlačítko „(Jít!) a „O“ znamená “ nestisknout tlačítko „(No Go!). „X“ v tomto úkolu je prezentován mnohem častěji než „O“, takže účastníci automaticky připravit reagovat vždy, když se dopis objeví na obrazovce—a to i „O“. je třeba, aby Účastníci řízení své nutkání stisknout tlačítko v případě „O“, Když úkol skončí, vědci zkoumat EEG zaznamenané během prezentace X a O je na obrazovce. Dokážete odhadnout, který dopis je nejvíce zajímá?

Vědci jsou největší zájem v EEG reakci na „O“, protože to je, když účastník musí kontrolovat nutkání stisknout tlačítko. Zkoumat odpověď mozku na „O“, výzkumník izoluje odpověď EEG na každou prezentaci “ O “ a průměruje všechny tyto odpovědi dohromady. Průměrná odpověď EEG na tuto konkrétní událost je ERP a odráží pokus mozku ovládat impuls. Můžete přemýšlet o procesu výpočtu ERP jako síta, odfiltrovat kusy signálu EEG, které nejsou zajímavé, a ponechat pouze signály, o které se vědci nejvíce zajímají.

Omezení Laboratorních Experimentů

Vědci se naučili hodně o tom, jak funguje mozek od toho, EEG a ERP experimentů v laboratořích. Když děláme takové experimenty, obvykle měříme mozkovou aktivitu, když lidé provádějí počítačové úkoly. Takové úkoly jsou navrženy tak, aby měřily určitou funkci mozku, například čtení slov, aritmetiku nebo ovládání impulzů. Obvykle jsou takové laboratorní úkoly zcela odlišné od věcí, které děláme v našem každodenním životě.

například přemýšlejte o úkolu s častými “ X „a vzácnými“ O “ používanými ke studiu řízení impulzů. Je to stejné jako ovládání vašich impulzů k pohybu nebo chatování s jiným studentem, zatímco váš učitel dává pokyny? V laboratoři EEG, seděli byste sami, v klidné místnosti, dělat úkol, jako je stisknutí tlačítek a občas se snažit nestisknout tlačítko. Tento laboratorní experiment nám může říci některé věci o tom, jak mozek řídí impulsy, ale co to říká o tom, jak děti řeší své impulsy ve škole? Toto je omezení laboratorních experimentů: měří mozkovou aktivitu v poměrně nepřirozených situacích .

Použití Přenosné EEG ve Třídě

Další aspekt lidského chování, které je obtížné studovat v laboratoři je to, jak lidé interagují jeden s druhým, například, jak studenti komunikují ve škole. Laboratorní experimenty jsou při zodpovězení této otázky velmi omezené, ale nedávný vývoj v přenosném EEG nyní umožňuje vědcům provádět výzkum mozku mimo laboratoř.

přesně to nedávno udělal tým vědců z New York University . Spolupracovali s místní střední školou a měřili mozkovou aktivitu učitele a skupiny studentů během 11 hodin biologie (obrázek 3A). V každé lekci se studenti účastnili různých vzdělávacích aktivit, jako jsou přednášky, instruktážní videa a skupinové diskuse. Vědci zjistili, že během těchto aktivit ve třídě byly mozkové vlny studentů synchronní. Jinými slovy, jejich mozkové vlny šly nahoru a dolů společně, v synchronizaci. Ještě zajímavější je, že studenti, kteří uvedli, že se více zabývají třídou, byli ještě více synchronizováni s ostatními studenty (obrázek 3B).

Přenosné EEG zařízení jsou vzrušující, protože mohou být použity nejen pro výzkum, ale také pro účely výuky. V programu“ BrainWaves“, který byl vyvinut na New York University, studenti používají EEG, aby se dozvěděli o svých mozcích a o tom, jak neurověda funguje. Studenti pracují s vědcem na vývoji vlastních výzkumných projektů. Například, může použití EEG prozkoumat, jak mozek reaguje na obrazy slavných a non-slavných tváří, nebo jak poslech hudby ovlivňuje naši schopnost soustředit se.

přenosný EEG nebyl vynalezen, aby nahradil laboratorní výzkum EEG. Spíše doplňuje laboratorní výzkum poskytováním poznatků o mozkových procesech v každodenních situacích. Ale výhoda studia mozku v přirozenějším prostředí přichází s některými kompromisy. Kvalita dat shromážděných přenosným EEG není tak vysoká jako data shromážděná v laboratoři, protože přenosná zařízení mají mnohem méně elektrod a účastníci se pohybují více. Také prostředí mimo laboratoř není pod kontrolou výzkumníka, takže experimentální výsledky mohou být obtížnější interpretovat.

Zní to jako sci-fi?

takže po přečtení toho všeho, co si myslíte? Měli byste zájem nosit zařízení EEG ve vaší třídě, nebo vám tato myšlenka připadá trochu děsivá? Abych vás ujistil, přenosný EEG zatím poskytuje pouze obecnou míru mozkové aktivity. EEG rozhodně nemůže číst vaši mysl. Takže se nemusíte obávat, že by vědci nebo váš učitel mohli číst vaše myšlenky, pokud jste někdy ve škole nasadili jedno z těchto zařízení EEG. Chceme vás ujistit, že čtení mysli je stále sci-fi!

některé komerční společnosti, které vyrábějí a prodávají zařízení EEG, tvrdí, že EEG lze použít ke sledování studentů čtením síly různých mozkových vln a dekódováním na „koncentrované“ nebo „rozptýlené“.“Nemyslíme si, že je to velmi dobrý nápad z různých důvodů. Nejprve musíme udělat mnohem více výzkumu, než dostatečně pochopíme, co znamenají signály EEG z hlediska mozkových funkcí. Za druhé, studenti nemusí být nutně soustředit po celou dobu. Víme, že mozek také potřebuje nějaký čas na odpočinek a putování mysli může být ve skutečnosti užitečné pro učení .

závěr

přenosná zařízení EEG nabízejí některé skvělé příležitosti, jako je schopnost studovat, jak mozek funguje v přirozeném prostředí, jako jsou učebny. Studium mozku v přirozených situacích může zvláště prospět našemu chápání sociálních interakcí, protože přenosný EEG lze použít k měření mozkové aktivity několika lidí najednou, zatímco spolu interagují. Kromě toho může přenosný EEG také pomoci studentům lépe porozumět tomu, jak mozek funguje. Nicméně, věda postupuje v malých krocích, takže nechme mysl čtení pro sci-fi filmy, a mezitím diskutovat o tom, zda budeme vůbec chtít být realita .

Glosář

mozkové vlny: cykly elektrických proudů generovaných skupinami neuronů, které jsou aktivní současně.

neurony: buňky v mozku, které spolu komunikují přenosem elektrických signálů.

EEG: elektroencefalografie, technika, při které jsou malé detektory, nazývané elektrody, umístěny na pokožku hlavy osoby pomocí čepice nebo náhlavní soupravy. EEG měří elektrickou aktivitu skupin neuronů, které přenášejí podobné elektrické signály současně.

elektroda: detektor umístěný na pokožce hlavy, používaný v EEG k záznamu elektrických proudů generovaných neurony v mozku.

frekvence: rychlost mozkové vlny; kolikrát mozková vlna jde nahoru a dolů za 1 s. jednotka frekvence v Hertzech (Hz); 1 Hz znamená jeden cyklus za sekundu.

frekvenční pásmo: rozsah frekvencí mozkových vln, který je spojen s určitým duševním stavem. Například frekvence v rozmezí 1-4 Hz se nazývají delta-pásmo, které je spojeno s hlubokým spánkem.

ERP: potenciál související s událostmi měřený pomocí EEG. ERP jsou elektrické mozkové reakce na konkrétní události, jako je slyšení zvuku nebo čtení slova. V metodě ERP účastníci provádějí počítačový úkol, ve kterém se často opakuje konkrétní zajímavá událost. Části EEG signálu způsobené těmito událostmi jsou zprůměrovány dohromady. Toto zprůměrování způsobí, že náhodná mozková aktivita bude zprůměrována a příslušná část EEG zůstane; toto je ERP.

synchronizace: když mozkové vlny jdou nahoru a dolů společně. Mozkové vlny z různých částí mozku) nebo mezi mozky. Tento druhý příklad se nazývá synchronizace mozku s mozkem.

střet zájmů

autoři prohlašují, že výzkum byl proveden bez jakýchkoli obchodních nebo finančních vztahů, které by mohly být vykládány jako potenciální střet zájmů.

Poděkování

rádi Bychom z celého srdce poděkovat těm, kteří se podíleli na překladu článků v této Kolekci tak, aby byly více přístupné pro děti mimo anglicky mluvících zemích, a pro Jacobs Nadace pro poskytování finanční prostředky nutné překládat články. NA přeložil tento článek do holandštiny.

ilustrace na obrázku 2 byla přetištěna od Dikker et al. , Copyright (2017), se svolením společnosti Elsevier.

rádi Bychom poděkovali členové a investoři z Rozvíjejících se Pole Skupina Přenosný Mozku Technologií ve Vzdělávacích Neuroscience Výzkum, financovaný EARLE a Jacobs Nadace. NA a TJ jsou dále podporovány počátečním grantem Evropské rady pro výzkum (#716736).

program BrainWaves byl vyvinut s podporou programu Science Education Partnership na amerických národních ústavech všeobecných lékařských věd.