Avez-vous déjà entendu parler des ondes cérébrales et vous êtes-vous peut-être demandé ce qu’elles sont? Dans cet article, nous expliquerons ce que sont les ondes cérébrales, comment elles peuvent être mesurées en laboratoire et en classe, et pourquoi il est intéressant de les mesurer.

EEG: Mesure de l’activité électrique dans le cerveau

Les cellules de votre cerveau sont appelées neurones, et votre cerveau en compte environ 86 milliards. Ces neurones sont très bavards, tout comme les étudiants dans une salle de classe. Au lieu d’utiliser des mots, les neurones communiquent via de minuscules signaux électriques qu’ils génèrent. Ces signaux montent et descendent en intensité, ressemblant à des ondes: ce sont vos ondes cérébrales. Nous pouvons mesurer les ondes cérébrales en utilisant une technique connue sous le nom d’électroencéphalographie (EEG), dans laquelle de petits détecteurs, appelés électrodes, sont placés sur la tête d’une personne. Habituellement, toutes ces électrodes (jusqu’à 256!) sont maintenus en place par un capuchon, bien que des appareils portables aient récemment été développés qui utilisent moins d’électrodes, dans des casques d’apparence plus chics. L’EEG ne peut pas mesurer l’activité électrique des cellules cérébrales individuelles, car les courants électriques générés par un neurone sont trop faibles. Ces courants ne peuvent être mesurés que lorsque de nombreux neurones transmettent des signaux électriques similaires en même temps. Imaginez un festival de musique avec des milliers de personnes. Quand une seule personne applaudit, le groupe sur scène ne l’entendra pas, mais quand tout le public applaudit en même temps, il le fera sûrement.

Ondes cérébrales: Lentes et rapides

Les ondes cérébrales varient en vitesse. Vous pouvez considérer les ondes cérébrales lentes comme de grandes vagues dans l’océan, déplaçant un navire de haut en bas, et les ondes cérébrales rapides comme de petites ondulations à la surface de l’eau. Lorsque nous utilisons l’EEG, nous obtenons un mélange d’ondes cérébrales rapides et lentes qui se produisent en même temps.

Alors pourquoi est-ce intéressant? Imaginez-vous tôt le matin, pas tout à fait éveillé et toujours rêveur. Si nous mesurions vos ondes cérébrales avec de l’EEG à ce moment précis, nous verrions des ondes cérébrales relativement lentes. Imaginez maintenant que vous êtes à l’école pour passer un examen, en vous concentrant intensément. Dans cette situation, nous pourrions détecter des ondes cérébrales plus rapides. Ces exemples montrent que la vitesse des ondes cérébrales est liée à l’état dans lequel vous vous trouvez. La vitesse des ondes cérébrales s’appelle la fréquence. Nous pouvons identifier différentes gammes de fréquences à l’aide de l’EEG. Par exemple, la plage Delta correspond à des ondes cérébrales relativement lentes qui montent et descendent 1 à 4 fois en une seconde, ou 1 à 4 Hertz (Hz), qui est l’unité de fréquence. La figure 1 présente un aperçu des plages de fréquences (également appelées bandes de fréquences) et de leur lien avec votre état mental.

Au-delà des potentiels lents et rapides liés aux événements

Bien que les bandes de fréquences EEG soient très intéressantes, toutes les questions ne peuvent pas être répondues en les examinant. Par exemple, que se passe-t-il si vous voulez savoir comment le cerveau comprend les mots que vous entendez ou comment il contrôle les impulsions, comme ne pas frapper votre sœur cadette si elle vous rend fou? Pour de telles questions, les chercheurs analysent les ondes cérébrales d’une autre manière: en calculant le potentiel lié à l’événement, ou ERP. Les ERP sont les réponses électriques du cerveau à des événements spécifiques, tels que la lecture d’un mot ou le contrôle d’une impulsion. Dans la méthode ERP, les parties du signal EEG causées par ces événements spécifiques sont examinées. Pour utiliser cette méthode, l’EEG est enregistré pendant que le participant effectue une tâche informatisée spécialement conçue pour étudier une certaine fonction du cerveau, par exemple le contrôle des impulsions.

Voici une description d’une telle tâche, appelée tâche ” Go/No-Go » (Figure 2). Différentes lettres apparaissent à l’écran, une par une. Un « X » signifie « appuyez sur le bouton » (Go!), et un « O” signifie « n’appuyez PAS sur le bouton » (Pas de go!). Le « X » dans cette tâche est présenté beaucoup plus fréquemment que le ”O », de sorte que les participants se préparent automatiquement à répondre chaque fois qu’une lettre apparaît à l’écran — même un ”O ». Les participants doivent contrôler leur impulsion pour appuyer sur le bouton dans le cas d’un ”O ». Lorsque la tâche est terminée, les chercheurs examinent l’EEG enregistré lors des présentations des X et des O à l’écran. Pouvez-vous deviner quelle lettre les intéresse le plus?

Les chercheurs sont les plus intéressés par la réponse EEG aux « O”, car c’est à ce moment que le participant doit contrôler l’impulsion pour appuyer sur le bouton. Pour examiner la réponse cérébrale aux « O », le chercheur isole la réponse EEG à chaque présentation d’un ”O » et fait la moyenne de toutes ces réponses ensemble. La réponse EEG moyenne à cet événement spécifique est l’ERP, et elle reflète la tentative du cerveau de contrôler une impulsion. Vous pouvez penser au processus de calcul de l’ERP comme tamis, en filtrant les éléments du signal EEG qui ne présentent aucun intérêt, ne laissant que les signaux qui intéressent le plus les chercheurs.

Les limites des expériences de laboratoire

Les scientifiques ont beaucoup appris sur le fonctionnement du cerveau en effectuant des expériences EEG et ERP en laboratoire. Lorsque nous faisons de telles expériences, nous mesurons généralement l’activité cérébrale lorsque les gens effectuent des tâches informatisées. De telles tâches sont conçues pour mesurer une certaine fonction cérébrale, par exemple lire des mots, faire de l’arithmétique ou contrôler des impulsions. Habituellement, ces tâches de laboratoire sont très différentes de ce que nous faisons dans notre vie quotidienne.

Par exemple, pensez à la tâche avec les « X » fréquents et les « O” rares utilisés pour étudier le contrôle des impulsions. Est-ce la même chose que de contrôler vos impulsions pour vous déplacer ou pour discuter avec un autre élève pendant que votre professeur donne des instructions? Dans le laboratoire d’EEG, vous seriez assis seul, dans une pièce calme, effectuant une tâche comme appuyer sur des boutons et essayant parfois de ne pas appuyer sur un bouton. Cette expérience de laboratoire peut nous dire certaines choses sur la façon dont le cerveau contrôle les impulsions, mais que dit-elle de la façon dont les enfants gèrent leurs impulsions à l’école? C’est une limitation des expériences de laboratoire: ils mesurent l’activité cérébrale dans des situations plutôt non naturelles.

Utilisation de l’EEG portable en classe

Un autre aspect du comportement humain difficile à étudier en laboratoire est la façon dont les gens interagissent les uns avec les autres, par exemple la façon dont les élèves interagissent les uns avec les autres à l’école. Les expériences de laboratoire sont extrêmement limitées pour répondre à cette question, mais les développements récents de l’EEG portable permettent désormais aux scientifiques de mener des recherches sur le cerveau en dehors du laboratoire.

C’est exactement ce qu’une équipe de chercheurs de l’Université de New York a récemment fait. Ils se sont associés à une école secondaire locale et ont mesuré l’activité cérébrale d’un enseignant et d’un groupe d’élèves au cours de 11 leçons de biologie (figure 3A). Dans chaque leçon, les élèves ont participé à différentes activités d’apprentissage, telles que des conférences, des vidéos pédagogiques et des discussions de groupe. Les chercheurs ont constaté que, lors de ces activités en classe, les ondes cérébrales des élèves étaient synchronisées. En d’autres termes, leurs ondes cérébrales montaient et descendaient ensemble, en synchronisation. Encore plus intéressant, les élèves qui ont déclaré être plus engagés en classe étaient encore plus en phase avec les autres élèves (figure 3B).

Les appareils EEG portables sont passionnants car ils peuvent être utilisés non seulement pour la recherche, mais aussi à des fins d’enseignement. Dans « BrainWaves », un programme de lycée en neurosciences développé à l’Université de New York, les étudiants utilisent l’EEG pour en apprendre davantage sur leur propre cerveau et sur le fonctionnement des neurosciences. Les étudiants travaillent avec un scientifique pour développer leurs propres projets de recherche. Par exemple, ils peuvent utiliser l’EEG pour explorer comment le cerveau réagit aux images de visages célèbres et non célèbres, ou comment l’écoute de la musique affecte notre capacité de concentration.

L’EEG portable n’a pas été inventé pour remplacer la recherche en laboratoire sur l’EEG. Au contraire, il complète la recherche en laboratoire en fournissant des informations sur les processus cérébraux dans des situations quotidiennes. Mais l’avantage d’étudier le cerveau dans un cadre plus naturel s’accompagne de quelques compromis. La qualité des données collectées par l’EEG portable n’est pas aussi élevée que celle des données collectées en laboratoire, car les appareils portables ont beaucoup moins d’électrodes et les participants se déplacent davantage. De plus, l’environnement extérieur au laboratoire n’est pas sous le contrôle du chercheur, de sorte que les résultats expérimentaux pourraient être plus difficiles à interpréter.

Cela Ressemble-T-Il À De La Science-Fiction ?

Alors, après avoir lu tout cela, qu’en penses-tu ? Seriez-vous intéressé à porter un appareil EEG dans votre classe, ou trouvez-vous cette idée un peu effrayante? Eh bien, pour vous rassurer, jusqu’à présent, l’EEG portable ne fournit qu’une mesure générale de l’activité cérébrale. L’EEG ne peut certainement pas lire dans vos pensées. Ainsi, vous n’avez pas à vous inquiéter que les chercheurs ou votre enseignant puissent lire vos pensées si jamais vous mettez l’un de ces appareils EEG dans votre école. Nous tenons à vous rassurer que la lecture de l’esprit reste de la science-fiction!

Certaines sociétés commerciales qui fabriquent et vendent des appareils EEG prétendent que l’EEG peut être utilisé pour surveiller les étudiants, en lisant la force des différentes ondes cérébrales et en les décodant en « concentré” ou « distrait. »Nous ne pensons pas que ce soit une très bonne idée, pour diverses raisons. Tout d’abord, nous devons faire beaucoup plus de recherches avant de comprendre suffisamment ce que les signaux EEG signifient en termes de fonctions cérébrales. Deuxièmement, les étudiants n’ont pas nécessairement besoin de se concentrer tout le temps. Nous savons que le cerveau a également besoin de temps pour se reposer et que l’errance mentale peut en fait être utile pour l’apprentissage.

Conclusion

Les appareils EEG portables offrent de grandes opportunités, telles que la possibilité d’étudier le fonctionnement du cerveau dans des environnements naturels, comme les salles de classe. L’étude du cerveau dans des situations naturelles peut particulièrement bénéficier à notre compréhension des interactions sociales, car l’EEG portable peut être utilisé pour mesurer l’activité cérébrale de plusieurs personnes à la fois, alors qu’elles interagissent les unes avec les autres. De plus, l’EEG portable peut également aider les élèves à mieux comprendre le fonctionnement du cerveau. Cependant, la science avance à petits pas, alors laissons la lecture à l’esprit pour les films de science-fiction, et discutons en attendant si nous voulons que cela devienne une réalité.

Glossaire

Ondes cérébrales : Cycles de courants électriques générés par des groupes de neurones actifs en même temps.

Neurones : Les cellules de votre cerveau qui communiquent entre elles en transmettant des signaux électriques.

EEG: Électroencéphalographie, une technique dans laquelle de petits détecteurs, appelés électrodes, sont placés sur le cuir chevelu d’une personne à l’aide d’un capuchon ou d’un casque. L’EEG mesure l’activité électrique de groupes de neurones qui transmettent des signaux électriques similaires en même temps.

Électrode: Un détecteur placé au niveau du cuir chevelu, utilisé en EEG pour enregistrer les courants électriques générés par les neurones du cerveau.

Fréquence: Vitesse d’une onde cérébrale; nombre de fois qu’une onde cérébrale monte et descend en 1 s. L’unité de fréquence en Hertz (Hz); 1 Hz signifie un cycle par seconde.

Bande de fréquence: Une gamme de fréquences d’ondes cérébrales associées à un certain état mental. Par exemple, les fréquences comprises entre 1 et 4 Hz sont appelées bande delta, associée au sommeil profond.

ERP: Potentiel lié aux événements, mesuré à l’aide d’EEG. Les ERP sont les réponses électriques du cerveau à des événements spécifiques, tels que l’audition d’un son ou la lecture d’un mot. Dans la méthode ERP, les participants effectuent une tâche informatisée dans laquelle l’événement spécifique d’intérêt est souvent répété. Les parties du signal EEG causées par ces événements sont moyennées ensemble. Cette moyenne fait que l’activité cérébrale aléatoire est moyennée et que la partie pertinente de l’EEG reste; c’est l’ERP.

Synchronie: Lorsque les ondes cérébrales montent et descendent ensemble. Cela peut être à l’intérieur d’un cerveau (par exemple, des ondes cérébrales provenant de différentes parties du cerveau) ou entre les cerveaux. Ce dernier exemple est appelé synchronie cerveau à cerveau.

Conflit d’intérêts

Les auteurs déclarent que la recherche a été menée en l’absence de relations commerciales ou financières pouvant être interprétées comme un conflit d’intérêts potentiel.

Remerciements

Nous tenons à remercier de tout cœur ceux qui ont aidé à la traduction des articles de cette Collection pour les rendre plus accessibles aux enfants en dehors des pays anglophones, et la Fondation Jacobs pour avoir fourni les fonds nécessaires à la traduction des articles. NA a traduit cet article en néerlandais.

L’illustration de la figure 2 a été réimprimée à partir de Dikker et al. , Copyright (2017), avec l’autorisation d’Elsevier.

Nous tenons à remercier les membres et les bailleurs de fonds du groupe de terrain émergent Portable Brain Technologies in Educational Neuroscience Research, financé par EARLI et la Fondation Jacobs. NA et TJ sont en outre soutenus par une subvention de départ du Conseil européen de la Recherche (#716736).

Le programme BrainWaves a été développé avec le soutien du programme de partenariat pour l’éducation scientifique des National Institutes of General Medical Sciences des États-Unis.