Oletko koskaan kuullut aivoaalloista ja ehkä miettinyt, mitä ne ovat? Tässä artikkelissa kerromme, mitä aivoaallot ovat, miten niitä voidaan mitata laboratoriossa ja luokkahuoneessa ja miksi on mielenkiintoista mitata niitä.

EEG: Aivojen sähköisen toiminnan mittaaminen

aivojesi soluja kutsutaan neuroneiksi, ja aivoissasi niitä on noin 86 miljardia. Nämä hermosolut ovat hyvin puheliaita, aivan kuten oppilaat luokkahuoneessa. Sanojen sijaan hermosolut viestivät tuottamiensa pienten sähköisten signaalien välityksellä. Nämä signaalit menevät voimakkuudeltaan ylös ja alas, muistuttaen aaltoja: nämä ovat aivoaaltojasi. Voimme mitata aivoaaltoja elektroenkefalografiaksi (EEG) kutsutulla tekniikalla, jossa ihmisen päähän asetetaan pieniä ilmaisimia eli elektrodeja . Yleensä kaikki nämä elektrodit (jopa 256!) pidetään paikoillaan korkki, vaikka viime aikoina on kehitetty kannettavia laitteita, jotka käyttävät vähemmän elektrodeja, mielikuvituksellisemman näköisissä kuulokkeissa. EEG ei pysty mittaamaan yksittäisten aivosolujen sähköistä toimintaa, koska minkä tahansa hermosolun synnyttämät sähkövirrat ovat liian pieniä. Nämä virrat voidaan mitata vain, kun monet neuronit lähettävät samanlaisia sähköisiä signaaleja samaan aikaan. Kuvittele musiikkifestivaali, jossa on tuhansia ihmisiä. Kun vain yksi ihminen taputtaa, lavalla oleva bändi ei kuule sitä, mutta kun koko yleisö taputtaa yhtä aikaa, niin varmasti.

aivoaallot: hitaat ja nopeat

aivoaallot vaihtelevat nopeudeltaan. Hitaita aivoaaltoja voi ajatella suurina aaltoina meressä, laivan liikutteluna ylös ja alas, ja nopeita aivoaaltoja pieninä väreinä veden pinnalla. Kun käytämme EEG: tä, saamme sekoituksen nopeita ja hitaita aivoaaltoja, jotka tapahtuvat samaan aikaan.

miksi tämä sitten kiinnostaa? Kuvittele itsesi aikaisin aamulla, ei aivan hereillä ja silti unelma. Jos mittaisimme AIVOAALTOSI EEG: llä juuri sillä hetkellä, näkisimme suhteellisen hitaita aivoaaltoja. Kuvittele nyt, että olet koulussa suorittamassa koetta keskittyen voimakkaasti. Tässä tilanteessa voimme havaita nopeampia aivoaaltoja. Nämä esimerkit osoittavat, että aivoaaltojen nopeus on suhteessa siihen, missä tilassa olet. Aivoaaltojen nopeutta kutsutaan taajuudeksi. Voimme tunnistaa eri taajuusalueet EEG: n avulla. Delta-alue vastaa esimerkiksi suhteellisen hitaita aivoaaltoja, jotka menevät ylös ja alas 1-4 kertaa sekunnissa eli 1-4 hertsiä (Hz), joka on taajuuden yksikkö. Kuvassa 1 esitetään yleiskatsaus taajuusalueista (joita kutsutaan myös taajuusalueiksi) ja siitä, miten ne liittyvät mielentilaasi.

Beyond Slow and Fast: Event-Related Potentials

vaikka EEG-taajuusalueet ovat hyvin mielenkiintoisia, kaikkiin kysymyksiin ei voi vastata niitä tarkastelemalla. Entä jos haluat esimerkiksi tietää, miten aivot ymmärtävät kuulemasi sanat tai miten ne säätelevät impulsseja, kuten olla lyömättä pikkusiskoasi, jos hän tekee sinut hulluksi? Tällaisia kysymyksiä varten tutkijat analysoivat aivoaaltoja toisella tavalla: laskemalla tapahtumaan liittyvän potentiaalin eli ERP: n. ERP: t ovat aivojen sähköisiä vasteita tiettyihin tapahtumiin, kuten sanan lukemiseen tai impulssin hallintaan. TOIMINNANOHJAUSMENETELMÄSSÄ tarkastellaan näiden erityisten tapahtumien aiheuttamia EEG-signaalin osia. Tämän menetelmän käyttämiseksi EEG kirjataan, kun osallistuja suorittaa tietokoneistetun tehtävän, joka on erityisesti suunniteltu tutkimaan tiettyä aivojen toimintaa, esimerkiksi impulssikontrollia.

tässä on kuvaus tällaisesta tehtävästä, jota kutsutaan ”Go / No-Go” – tehtäväksi (kuva 2). Ruudulle ilmestyy yksi kerrallaan erilaisia kirjaimia. ”X” tarkoittaa ”paina nappia” (Go!), ja ”O” tarkoittaa ”älä paina nappia” (No Go!). Tässä tehtävässä ” X ”esitetään paljon useammin kuin” O”, joten osallistujat valmistautuvat automaattisesti vastaamaan aina, kun ruudulla näkyy kirjain—jopa” O”. osallistujien on ohjattava impulssiaan painaakseen nappia, jos kyseessä on” o”. Kun tehtävä on ohi, tutkijat tarkastelevat EEG: tä, joka on tallennettu X: n ja O: n esitysten aikana ruudulla. Arvaatko, mikä kirjain heitä kiinnostaa eniten?

tutkijoita kiinnostaa eniten EEG-vaste ”O”: lle, koska tällöin osallistujan täytyy hallita impulssia painaakseen nappia. Tutkiakseen aivojen vastetta ”O”: lle tutkija eristää EEG-vasteen jokaiseen” O”: n esitykseen ja laskee kaikki nämä vasteet yhteen. EEG: n keskimääräinen vaste tähän nimenomaiseen tapahtumaan on ERP, ja se heijastaa aivojen yritystä hallita impulssia. Voit ajatella ERP: n laskemista seulana, suodattamalla EEG-signaalin palasia, jotka eivät kiinnosta, jättäen vain ne signaalit, joista tutkijat ovat kiinnostuneimpia.

laboratoriokokeiden rajoitukset

tutkijat ovat oppineet paljon siitä, miten aivot toimivat tekemällä EEG-ja ERP-kokeita laboratorioissa. Kun teemme tällaisia kokeita, mittaamme yleensä aivojen toimintaa, kun ihmiset suorittavat tietokoneistettuja tehtäviä. Tällaiset tehtävät on suunniteltu tietyn aivotoiminnan mittaamiseen, esimerkiksi sanojen lukemiseen, aritmetiikan tekemiseen tai impulssien hallintaan. Yleensä tällaiset laboratoriotehtävät ovat aivan erilaisia kuin arkielämässämme tehtävät.

mieti esimerkiksi tehtävää, jossa impulssikontrollin tutkimiseen käytetään usein esiintyvää ”X”: ää ja harvinaista ”O”: ta. Onko tämä sama kuin hillitsisit mielijohteitasi liikkua tai keskustella toisen oppilaan kanssa, kun opettajasi antaa ohjeita? AIVOSÄHKÖKÄYRÄLABORATORIOSSA istuttiin yksin, hiljaisessa huoneessa, tehtiin tehtävää, kuten painettiin nappeja ja välillä yritettiin olla painamatta nappia. Tämä laboratoriokoe voi kertoa meille joitakin asioita siitä, miten aivot säätelevät impulsseja, mutta mitä se kertoo siitä, miten lapset käsittelevät impulssejaan koulussa? Tämä on rajoitus lab kokeet: ne mittaavat aivojen toimintaa melko luonnottomissa tilanteissa .

kannettavan EEG: n käyttäminen luokkahuoneessa

toinen ihmisen käyttäytymisen osa-alue, jota on vaikea tutkia laboratoriossa, on se, miten ihmiset ovat vuorovaikutuksessa keskenään, esimerkiksi se, miten oppilaat ovat vuorovaikutuksessa keskenään koulussa. Laboratoriokokeet ovat erittäin rajallinen vastaus tähän kysymykseen, mutta viimeaikainen kehitys kannettava EEG nyt antaa tutkijat tehdä aivotutkimusta ulkopuolella laboratorio.

juuri näin New Yorkin yliopiston tutkijaryhmä teki taannoin . He tekivät yhteistyötä paikallisen lukion kanssa ja mittasivat opettajan ja opiskelijaryhmän aivotoimintaa 11 biologian oppitunnin aikana (Kuva 3A). Jokaisella oppitunnilla oppilaat osallistuivat erilaisiin oppimistapahtumiin, kuten luentoihin, opetusvideoihin ja ryhmäkeskusteluihin. Tutkijat havaitsivat, että näiden luokkahuoneaktiviteettien aikana oppilaiden aivoaallot olivat synkroniassa. Toisin sanoen, heidän aivoaaltonsa menivät ylös ja alas yhdessä, synkronoituna. Vielä mielenkiintoisempaa oli, että oppilaat, jotka ilmoittivat olevansa enemmän mukana luokassa, olivat vielä enemmän samassa tahdissa muiden oppilaiden kanssa (kuva 3B).

Kannettavat EEG-laitteet ovat jännittäviä, koska niitä voidaan käyttää tutkimuksen lisäksi myös opetustarkoituksiin. New Yorkin yliopistossa kehitetyssä neurotieteiden lukio-ohjelmassa ”BrainWaves” opiskelijat käyttävät EEG: tä oppiakseen omista aivoistaan ja siitä, miten neurotiede toimii. Opiskelijat kehittävät tutkijan kanssa omia tutkimusprojektejaan. He voivat esimerkiksi tutkia EEG: n avulla, miten aivot reagoivat kuviin kuuluisista ja ei-kuuluisista kasvoista tai miten musiikin kuuntelu vaikuttaa kykyymme keskittyä.

kannettavaa EEG: tä ei keksitty korvaamaan laboratorion EEG-tutkimusta. Pikemminkin se täydentää laboratoriotutkimusta tarjoamalla oivalluksia aivojen prosesseista päivittäisissä tilanteissa. Mutta etu tutkia aivojen luonnollisemmassa ympäristössä tulee joitakin kompromisseja. Kannettavan EEG: n keräämän datan laatu ei ole yhtä korkea kuin laboratoriossa kerätyn datan, koska kannettavissa laitteissa on paljon vähemmän elektrodeja ja osallistujat liikkuvat enemmän. Myöskään laboratorion ulkopuolinen ympäristö ei ole tutkijan kontrollissa, joten koetuloksia voi olla vaikeampi tulkita.

Kuulostaako tämä Tieteiskirjallisuudelta?

joten, kun olet lukenut kaiken tämän, mitä mieltä olet? Kiinnostaisiko sinua käyttää EEG-laitetta luokkahuoneessasi, vai onko tämä ajatus sinusta hieman pelottava? Vakuutan, että tähän mennessä kannettava aivosähkökäyrä mittaa aivotoimintaa vain yleisesti. Aivosähkökäyrä ei voi lukea ajatuksiasi. Sinun ei siis tarvitse pelätä, että tutkijat tai opettajasi voisivat lukea ajatuksesi, jos joskus laitat koulussasi tällaisen EEG-laitteen. Haluamme vakuuttaa teille, että ajatustenlukeminen on edelleen tieteiskirjallisuutta!

jotkut kaupalliset yritykset, jotka valmistavat ja myyvät EEG-laitteita, väittävät, että EEG: tä voidaan käyttää opiskelijoiden tarkkailuun lukemalla eri aivoaaltojen voimakkuus ja purkamalla tämä ”keskittyneeksi” tai ”hajamieliseksi.”Emme pidä tätä kovin hyvänä ajatuksena eri syistä. Ensinnäkin meidän on tehtävä paljon enemmän tutkimusta, ennen kuin ymmärrämme tarpeeksi siitä, mitä EEG-signaalit tarkoittavat aivotoimintojen kannalta. Toiseksi, opiskelijoiden ei välttämättä tarvitse keskittyä koko ajan. Tiedämme, että aivot tarvitsevat myös jonkin verran aikaa levätä, ja mielen harhailusta voi itse asiassa olla hyötyä oppimisessa .

johtopäätös

Kannettavat EEG-laitteet tarjoavat hienoja mahdollisuuksia, kuten mahdollisuuden tutkia, miten aivot toimivat luonnollisissa ympäristöissä, kuten luokkahuoneissa. Aivojen tutkiminen luonnollisissa tilanteissa voi erityisesti edistää ymmärrystämme sosiaalisista vuorovaikutuksista, sillä kannettavaa EEG: tä voidaan käyttää useiden ihmisten aivotoiminnan mittaamiseen samanaikaisesti, kun he ovat vuorovaikutuksessa keskenään. Lisäksi kannettava EEG voi myös auttaa oppilaita ymmärtämään paremmin, miten aivot toimivat. Tiede edistyy kuitenkin pienin askelin, joten jättäkäämme ajatustenlukeminen tieteiselokuviin ja keskustelkaamme sillä välin siitä, haluammeko tämän koskaan toteutuvan .

Sanasto

aivoaallot: samanaikaisesti aktiivisten hermosoluryhmien tuottamien sähkövirtojen syklit.

neuronit ovat aivojesi soluja, jotka kommunikoivat keskenään sähköisiä signaaleja välittämällä.

EEG: elektroenkefalografia, tekniikka, jossa pienet ilmaisimet eli elektrodit asetetaan ihmisen päänahkaan lippalakin tai kuulokkeiden avulla. EEG mittaa samaan aikaan samanlaisia sähköisiä signaaleja välittävien hermosoluryhmien sähköistä toimintaa.

elektrodi: päänahkaan sijoitettu detektori, jota käytetään EEG: ssä tallentamaan aivojen neuronien tuottamia sähkövirtoja.

taajuus: Aivoaallon nopeus; kuinka monta kertaa aivoaalto menee ylös ja alas 1 sekunnissa. taajuuden yksikkö hertseinä (Hz); 1 Hz tarkoittaa yhtä sykliä sekunnissa.

Taajuusalue: joukko aivoaaltojen taajuuksia, jotka liittyvät tiettyyn mielentilaan. Esimerkiksi taajuuksia välillä 1-4 Hz kutsutaan Delta-kaistaksi, joka liittyy syvään uneen.

ERP: tapahtumaan liittyvä potentiaali, mitattuna EEG: llä. ERP: t ovat aivojen sähköisiä vasteita tiettyihin tapahtumiin, kuten äänen kuulemiseen tai sanan lukemiseen. TOIMINNANOHJAUSMENETELMÄSSÄ osallistujat suorittavat tietokoneistetun tehtävän, jossa tietty kiinnostava tapahtuma toistetaan usein. Näiden tapahtumien aiheuttamat EEG-signaalin osat lasketaan yhteen keskimäärin. Tämä keskiarvo aiheuttaa satunnaisen aivotoiminnan keskiarvon ja olennaisen osan EEG: stä jäävän; tämä on ERP.

Synchrony: When brain waves go up and down together. Tämä voi olla joko yhden aivojen sisällä (esim.aivoaaltoja aivojen eri osista) tai aivojen välillä. Tätä jälkimmäistä esimerkkiä kutsutaan aivosynkroniaksi.

eturistiriita

kirjoittajat toteavat, että tutkimus tehtiin ilman kaupallisia tai taloudellisia suhteita, jotka voitaisiin tulkita mahdollisiksi eturistiriidoiksi.

kiitokset

haluamme koko sydämestämme kiittää niitä, jotka avustivat tämän kokoelman artikkelien kääntämisessä, jotta ne olisivat paremmin englanninkielisten maiden ulkopuolisten lasten saatavilla, sekä Jacobsin säätiötä siitä, että se on antanut tarvittavat varat artikkelien kääntämiseen. NA käänsi tämän artikkelin hollanniksi.

Kuvan 2 kuvituksesta on otettu uusintapainos teoksesta Dikker et al. , Copyright (2017), luvalla Elsevier.

haluamme kiittää Earlin ja Jacobsin säätiön rahoittaman Portable Brain Technologies in Educational Neuroscience Research-tutkimusryhmän jäseniä ja rahoittajia. NA: ta ja TJ: tä tuetaan lisäksi Euroopan tutkimusneuvoston (#716736) Aloitusapurahalla.

Aivoaalto-ohjelma on kehitetty Yhdysvaltain National Institutes of General Medical Sciencesin Science Education Partnership-ohjelman tuella.