Haben Sie jemals von Gehirnwellen gehört und sich vielleicht gefragt, was sie sind? In diesem Artikel erklären wir, was Gehirnwellen sind, wie sie im Labor und im Klassenzimmer gemessen werden können und warum es interessant ist, sie zu messen.

EEG: Messung der elektrischen Aktivität im Gehirn

Die Zellen in Ihrem Gehirn werden Neuronen genannt, und Ihr Gehirn hat ungefähr 86 Milliarden von ihnen. Diese Neuronen sind sehr gesprächig, genau wie Schüler in einem Klassenzimmer. Anstatt Worte zu verwenden, kommunizieren Neuronen über winzige elektrische Signale, die sie erzeugen. Diese Signale gehen in ihrer Intensität auf und ab und ähneln Wellen: Dies sind Ihre Gehirnwellen. Wir können Gehirnwellen mit einer Technik messen, die als Elektroenzephalographie (EEG) bekannt ist, bei der kleine Detektoren, sogenannte Elektroden, auf dem Kopf einer Person platziert werden . Normalerweise sind alle diese Elektroden (bis zu 256!) werden durch eine Kappe an Ort und Stelle gehalten, obwohl kürzlich tragbare Geräte entwickelt wurden, die weniger Elektroden in schicker aussehenden Headsets verwenden. Das EEG kann die elektrische Aktivität einzelner Gehirnzellen nicht messen, da die elektrischen Ströme, die ein Neuron erzeugt, zu klein sind. Diese Ströme können nur gemessen werden, wenn viele Neuronen gleichzeitig ähnliche elektrische Signale senden. Stellen Sie sich ein Musikfestival mit Tausenden von Menschen vor. Wenn nur eine Person klatscht, wird die Band auf der Bühne es nicht hören, aber wenn das ganze Publikum gleichzeitig klatscht, werden sie es sicherlich tun.

Gehirnwellen: Langsam und schnell

Gehirnwellen variieren in der Geschwindigkeit. Sie können sich langsame Gehirnwellen als große Wellen im Ozean vorstellen, die ein Schiff auf und ab bewegen, und schnelle Gehirnwellen als kleine Wellen auf der Wasseroberfläche. Wenn wir EEG verwenden, erhalten wir eine Mischung aus schnellen und langsamen Gehirnwellen, die gleichzeitig auftreten.

Warum ist das interessant? Stellen Sie sich früh am Morgen vor, nicht ganz wach und immer noch verträumt. Wenn wir Ihre Gehirnwellen in diesem Moment mit EEG messen würden, würden wir relativ langsame Gehirnwellen sehen. Stellen Sie sich nun vor, Sie sind in der Schule, nehmen eine Prüfung und konzentrieren sich intensiv. In dieser Situation könnten wir schnellere Gehirnwellen erkennen. Diese Beispiele zeigen, dass die Geschwindigkeit der Gehirnwellen mit dem Zustand zusammenhängt, in dem Sie sich befinden. Die Geschwindigkeit der Gehirnwellen wird Frequenz genannt. Wir können verschiedene Frequenzbereiche mit EEG identifizieren. Zum Beispiel entspricht der Delta-Bereich relativ langsamen Gehirnwellen, die 1-4 Mal in einer Sekunde auf und ab gehen, oder 1-4 Hertz (Hz), was die Einheit der Frequenz ist. Abbildung 1 zeigt einen Überblick über Frequenzbereiche (auch Frequenzbänder genannt) und wie sie sich auf Ihren mentalen Zustand beziehen.

Jenseits von langsam und schnell: Ereignisbezogene Potentiale

Obwohl EEG-Frequenzbänder sehr interessant sind, können nicht alle Fragen durch Untersuchung beantwortet werden. Was ist zum Beispiel, wenn Sie wissen möchten, wie das Gehirn die Wörter versteht, die Sie hören, oder wie es Impulse steuert, z. B. Ihre jüngere Schwester nicht zu schlagen, wenn sie Sie verrückt macht? Für solche Fragen analysieren Forscher Gehirnwellen auf andere Weise: indem sie das ereignisbezogene Potenzial oder ERP berechnen. ERPs sind die elektrischen Reaktionen des Gehirns auf bestimmte Ereignisse, wie das Lesen eines Wortes oder die Steuerung eines Impulses. Bei der ERP-Methode werden die durch diese spezifischen Ereignisse hervorgerufenen Anteile des EEG-Signals untersucht. Um diese Methode zu verwenden, wird das EEG aufgezeichnet, während der Teilnehmer eine computergesteuerte Aufgabe ausführt, die speziell zur Untersuchung einer bestimmten Funktion des Gehirns entwickelt wurde, beispielsweise zur Impulskontrolle.

Hier ist eine Beschreibung einer solchen Aufgabe, die als „Go/No-Go“ -Aufgabe bezeichnet wird (Abbildung 2). Auf dem Bildschirm erscheinen nacheinander verschiedene Buchstaben. Ein „X“ bedeutet „Drücken Sie die Taste“ (Go!), und ein „O“ bedeutet „drücken Sie NICHT die Taste“ (No Go!). Das „X“ in dieser Aufgabe wird viel häufiger präsentiert als das „O“, so dass sich die Teilnehmer automatisch darauf vorbereiten, zu antworten, wenn ein Buchstabe auf dem Bildschirm erscheint — sogar ein „O“. Die Teilnehmer müssen ihren Impuls zum Drücken der Taste im Falle eines „O“ kontrollieren. Können Sie erraten, an welchem Buchstaben sie am meisten interessiert sind?

Die Forscher interessieren sich am meisten für die EEG-Antwort auf das „O“, da der Teilnehmer den Impuls zum Drücken der Taste steuern muss. Um die Reaktion des Gehirns auf die „O“ zu untersuchen, isoliert der Forscher die EEG-Antwort auf jede Präsentation eines „O“ und mittelt alle diese Antworten zusammen. Die gemittelte EEG-Antwort auf dieses spezifische Ereignis ist das ERP und spiegelt den Versuch des Gehirns wider, einen Impuls zu kontrollieren. Sie können sich den Prozess der Berechnung des ERP als Sieb vorstellen, indem Sie Teile des EEG-Signals herausfiltern, die nicht von Interesse sind, und nur die Signale belassen, an denen die Forscher am meisten interessiert sind.

Die Grenzen von Laborexperimenten

Wissenschaftler haben durch EEG- und ERP-Experimente im Labor viel über die Funktionsweise des Gehirns gelernt. Wenn wir solche Experimente durchführen, messen wir normalerweise die Gehirnaktivität, wenn Menschen computergesteuerte Aufgaben ausführen. Solche Aufgaben sollen eine bestimmte Gehirnfunktion messen, z. B. Wörter lesen, Rechnen oder Impulse steuern. Normalerweise sind solche Laboraufgaben ganz anders als die Dinge, die wir in unserem täglichen Leben tun.

Denken Sie zum Beispiel an die Aufgabe mit den häufigen „X“ s und seltenen „O“s, die zur Untersuchung der Impulskontrolle verwendet werden. Ist dies dasselbe wie die Kontrolle Ihrer Impulse, sich zu bewegen oder mit einem anderen Schüler zu chatten, während Ihr Lehrer Anweisungen gibt? Im EEG-Labor würden Sie alleine in einem ruhigen Raum sitzen und eine Aufgabe wie das Drücken von Knöpfen ausführen und gelegentlich versuchen, keinen Knopf zu drücken. Dieses Laborexperiment kann uns einige Dinge darüber erzählen, wie das Gehirn Impulse steuert, aber was sagt es darüber aus, wie Kinder in der Schule mit ihren Impulsen umgehen? Dies ist eine Einschränkung von Laborexperimenten: sie messen die Gehirnaktivität in eher unnatürlichen Situationen .

Tragbares EEG im Klassenzimmer verwenden

Ein weiterer Aspekt des menschlichen Verhaltens, der in einem Labor schwer zu untersuchen ist, ist die Art und Weise, wie Menschen miteinander interagieren, beispielsweise die Art und Weise, wie Schüler in der Schule miteinander interagieren. Laborexperimente sind bei der Beantwortung dieser Frage äußerst begrenzt, aber die jüngsten Entwicklungen im tragbaren EEG ermöglichen es Wissenschaftlern nun, Gehirnforschung außerhalb des Labors durchzuführen.

Genau das hat kürzlich ein Forscherteam der New York University getan . Sie arbeiteten mit einer örtlichen High School zusammen und maßen die Gehirnaktivität eines Lehrers und einer Gruppe von Schülern während des 11-Biologieunterrichts (Abbildung 3A). In jeder Lektion nahmen die Schüler an verschiedenen Lernaktivitäten wie Vorlesungen, Lehrvideos und Gruppendiskussionen teil. Die Forscher fanden heraus, dass während dieser Unterrichtsaktivitäten die Gehirnwellen der Schüler synchron waren. Mit anderen Worten, ihre Gehirnwellen gingen synchron auf und ab. Noch interessanter war, dass Schüler, die berichteten, dass sie sich stärker im Unterricht engagierten, noch mehr mit den anderen Schülern übereinstimmten (Abbildung 3B).

Tragbare EEG-Geräte sind spannend, weil sie nicht nur für die Forschung, sondern auch für die Lehre eingesetzt werden können. In „BrainWaves“, einem neurowissenschaftlichen Highschool-Programm, das an der New York University entwickelt wurde, nutzen die Schüler das EEG, um mehr über ihr eigenes Gehirn und die Funktionsweise der Neurowissenschaften zu erfahren. Die Studierenden arbeiten mit einem Wissenschaftler zusammen, um eigene Forschungsprojekte zu entwickeln. Zum Beispiel können sie EEG verwenden, um zu erforschen, wie das Gehirn auf Bilder von berühmten und nicht berühmten Gesichtern reagiert, oder wie das Hören von Musik unsere Konzentrationsfähigkeit beeinflusst.Das tragbare EEG wurde nicht erfunden, um die Labor-EEG-Forschung zu ersetzen. Vielmehr ergänzt es die Laborforschung, indem es Einblicke in Gehirnprozesse in alltäglichen Situationen bietet. Aber der Vorteil, das Gehirn in einer natürlicheren Umgebung zu studieren, ist mit einigen Kompromissen verbunden. Die Qualität der vom tragbaren EEG gesammelten Daten ist nicht so hoch wie die im Labor gesammelten Daten, da tragbare Geräte weit weniger Elektroden haben und sich die Teilnehmer mehr bewegen. Außerdem steht die Umgebung außerhalb des Labors nicht unter der Kontrolle des Forschers, sodass die experimentellen Ergebnisse möglicherweise schwieriger zu interpretieren sind.

Klingt das nach Science Fiction?

Also, nachdem du das alles gelesen hast, was denkst du? Wären Sie daran interessiert, ein EEG-Gerät in Ihrem Klassenzimmer zu tragen, oder finden Sie diesen Gedanken etwas beängstigend? Nun, um Sie zu beruhigen, bietet das tragbare EEG bisher nur ein allgemeines Maß für die Gehirnaktivität. Das EEG kann Ihre Gedanken nicht lesen. Sie müssen sich also keine Sorgen machen, dass Forscher oder Ihr Lehrer Ihre Gedanken lesen könnten, wenn Sie jemals eines dieser EEG-Geräte an Ihrer Schule aufsetzen. Wir möchten Ihnen versichern, dass Gedankenlesen immer noch Science Fiction ist!Einige kommerzielle Unternehmen, die EEG-Geräte herstellen und verkaufen, behaupten, dass EEG zur Überwachung von Schülern verwendet werden kann, indem die Stärke verschiedener Gehirnwellen gelesen und in „konzentriert“ oder „abgelenkt“ dekodiert wird.“ Wir halten dies aus verschiedenen Gründen für keine sehr gute Idee. Zuerst müssen wir viel mehr Forschung betreiben, bevor wir genug darüber verstehen, was die EEG-Signale in Bezug auf die Gehirnfunktionen bedeuten. Zweitens müssen sich die Schüler nicht unbedingt ständig konzentrieren. Wir wissen, dass das Gehirn auch etwas Zeit braucht, um sich auszuruhen, und Gedankenwandern kann tatsächlich nützlich sein, um zu lernen .

Fazit

Tragbare EEG-Geräte bieten einige großartige Möglichkeiten, z. B. die Möglichkeit, die Funktionsweise des Gehirns in natürlichen Umgebungen wie Klassenzimmern zu untersuchen. Die Untersuchung des Gehirns in natürlichen Situationen kann insbesondere unserem Verständnis sozialer Interaktionen zugute kommen, da tragbares EEG verwendet werden kann, um die Gehirnaktivität mehrerer Personen gleichzeitig zu messen, während sie miteinander interagieren. Darüber hinaus kann das tragbare EEG den Schülern helfen, die Funktionsweise des Gehirns besser zu verstehen. Die Wissenschaft schreitet jedoch in kleinen Schritten voran, also lassen wir das Gedankenlesen für Science-Fiction-Filme und diskutieren in der Zwischenzeit, ob wir jemals wollen, dass dies Realität wird .

Glossar

Gehirnwellen: Zyklen elektrischer Ströme, die von Gruppen von Neuronen erzeugt werden, die gleichzeitig aktiv sind.Neuronen: Die Zellen in Ihrem Gehirn, die miteinander kommunizieren, indem sie elektrische Signale übertragen.EEG: Elektroenzephalographie, eine Technik, bei der kleine Detektoren, sogenannte Elektroden, mit einer Kappe oder einem Headset auf die Kopfhaut einer Person gelegt werden. Das EEG misst die elektrische Aktivität von Gruppen von Neuronen, die gleichzeitig ähnliche elektrische Signale übertragen.Elektrode: Ein Detektor an der Kopfhaut, der im EEG verwendet wird, um die von Neuronen im Gehirn erzeugten elektrischen Ströme aufzuzeichnen.

Frequenz: Geschwindigkeit einer Gehirnwelle; Anzahl der Auf- und Abgänge einer Gehirnwelle in 1 s. Die Frequenzeinheit in Hertz (Hz); 1 Hz bedeutet einen Zyklus pro Sekunde.

Frequenzband: Ein Bereich von Gehirnwellenfrequenzen, der mit einem bestimmten mentalen Zustand verbunden ist. Zum Beispiel werden Frequenzen im Bereich von 1-4 Hz als Delta-Band bezeichnet, das mit Tiefschlaf verbunden ist.ERP: Ereignisbezogenes Potential, gemessen mittels EEG. ERPs sind die elektrischen Reaktionen des Gehirns auf bestimmte Ereignisse, z. B. das Hören eines Tons oder das Lesen eines Wortes. Bei der ERP-Methode führen die Teilnehmer eine computergestützte Aufgabe aus, bei der das spezifische Ereignis von Interesse häufig wiederholt wird. Die durch diese Ereignisse verursachten Anteile des EEG-Signals werden zusammen gemittelt. Diese Mittelung bewirkt, dass die zufällige Gehirnaktivität gemittelt wird und der relevante Teil des EEG verbleibt.

Synchronität: Wenn Gehirnwellen zusammen auf und ab gehen. Dies kann entweder innerhalb eines Gehirns (z. B. Gehirnwellen aus verschiedenen Teilen des Gehirns) oder zwischen den Gehirnen sein. Dieses letztere Beispiel wird als Gehirn-zu-Gehirn-Synchronität bezeichnet.

Interessenkonflikt

Die Autoren erklären, dass die Forschung in Abwesenheit von kommerziellen oder finanziellen Beziehungen durchgeführt wurde, die als potenzieller Interessenkonflikt ausgelegt werden könnten.

Danksagung

Wir möchten uns von ganzem Herzen bei allen bedanken, die bei der Übersetzung der Artikel in dieser Sammlung geholfen haben, um sie Kindern außerhalb englischsprachiger Länder zugänglicher zu machen, und bei der Jacobs Foundation für die Bereitstellung der für die Übersetzung der Artikel erforderlichen Mittel. NA übersetzte diesen Artikel ins Niederländische.

Die Abbildung in Abbildung 2 wurde von Dikker et al. , Copyright (2017), mit Genehmigung von Elsevier.

Wir danken den Mitgliedern und Förderern der Emerging Field Group Portable Brain Technologies in Educational Neuroscience Research, die von EARLI und der Jacobs Foundation gefördert wird. NA und TJ werden außerdem durch einen Starting Grant des Europäischen Forschungsrats (#716736) unterstützt.Das BrainWaves-Programm wurde mit Unterstützung des Science Education Partnership Program an den US National Institutes of General Medical Sciences entwickelt.