har du nogensinde hørt om hjernebølger og måske spekuleret på, hvad de er? I denne artikel vil vi forklare, hvad hjernebølger er, hvordan de kan måles i laboratoriet og i klasseværelset, og hvorfor det er interessant at måle dem.

EEG: Måling af elektrisk aktivitet i hjernen

cellerne i din hjerne kaldes neuroner, og din hjerne har omkring 86 milliarder af dem. Disse neuroner er meget chatty, ligesom studerende i et klasseværelse. I stedet for at bruge ord kommunikerer neuroner via små elektriske signaler, som de genererer. Disse signaler går op og ned i intensitet, der ligner bølger: dette er dine hjernebølger. Vi kan måle hjernebølger ved hjælp af en teknik kendt som elektroencefalografi (EEG), hvor små detektorer, kaldet elektroder, placeres på en persons hoved . Normalt er alle disse elektroder (op til 256!) holdes på plads af en hætte, selvom bærbare enheder for nylig er blevet udviklet, der bruger færre elektroder, i mere avancerede headset. EEG kan ikke måle den elektriske aktivitet af individuelle hjerneceller, fordi de elektriske strømme, som en neuron genererer, er for små. Disse strømme kan kun måles, når mange neuroner transmitterer lignende elektriske signaler på samme tid. Forestil dig en musikfestival med tusindvis af mennesker. Når kun en person klapper, vil bandet på scenen ikke høre det, men når hele publikum klapper på samme tid, vil de helt sikkert.

hjernebølger: langsom og hurtig

hjernebølger varierer i hastighed. Du kan tænke på langsomme hjernebølger som store bølger i havet, flytte et skib op og ned og hurtige hjernebølger som små krusninger på vandets overflade. Når vi bruger EEG, får vi en blanding af hurtige og langsomme hjernebølger, der sker på samme tid.

så hvorfor er det interessant? Forestil dig dig selv tidligt om morgenen, ikke helt vågen og stadig drømmende. Hvis vi målte dine hjernebølger med EEG i det øjeblik, ville vi se relativt langsomme hjernebølger. Forestil dig nu, at du er i skole og tager en eksamen og fokuserer intenst. I denne situation kan vi opdage hurtigere hjernebølger. Disse eksempler viser, at hastigheden af hjernebølgerne er relateret til den tilstand, du er i. Hastigheden af hjernebølger kaldes frekvensen. Vi kan identificere forskellige frekvensområder ved hjælp af EEG. For eksempel svarer Deltområdet til relativt langsomme hjernebølger, der går op og ned 1-4 gange om et sekund, eller 1-4 Herts (HS), som er frekvensenheden. Figur 1 viser en oversigt over frekvensområder (også kaldet frekvensbånd) og hvordan de relaterer til din mentale tilstand.

ud over langsom og hurtig: Begivenhedsrelaterede potentialer

selvom EEG-frekvensbånd er meget interessante, kan ikke alle spørgsmål besvares ved at undersøge dem. For eksempel, hvad hvis du vil vide, hvordan hjernen forstår de ord, du hører, eller hvordan den styrer impulser, som ikke at ramme din yngre søster, hvis hun gør dig sur? For sådanne spørgsmål analyserer forskere hjernebølger på en anden måde: ved at beregne det begivenhedsrelaterede potentiale eller ERP. ERP ‘ er er de elektriske hjernesvar på specifikke begivenheder, såsom at læse et ord eller kontrollere en impuls. I ERP-metoden undersøges de dele af EEG-signalet, der er forårsaget af disse specifikke begivenheder. For at bruge denne metode registreres EEG, mens deltageren udfører en computeriseret opgave, der er specielt designet til at studere en bestemt funktion af hjernen, for eksempel impulskontrol.

Her er en beskrivelse af en sådan opgave, kaldet en “Go/No-Go” – opgave (figur 2). Forskellige bogstaver vises på skærmen, en efter en. Et ” H “betyder” tryk på knappen”(Gå!), og et “O” betyder “tryk ikke på knappen” (Nej gå!). “O “i denne opgave præsenteres meget oftere end” O”, så deltagerne forbereder sig automatisk på at svare, når et bogstav vises på skærmen—selv en” O”. deltagerne skal kontrollere deres impuls til at trykke på knappen i tilfælde af en” O”. når opgaven er forbi, undersøger forskerne EEG, der er optaget under præsentationerne af KS og O ‘ er på skærmen. Kan du gætte hvilket brev de er mest interesserede i?

forskere er mest interesserede i EEG-svaret på “O”s, fordi det er når deltageren skal styre impulsen for at trykke på knappen. For at undersøge hjernens respons på “O”s isolerer forskeren EEG-responset til hver præsentation af et “O” og Gennemsnit alle disse svar sammen. Det gennemsnitlige EEG-svar på denne specifikke begivenhed er ERP, og det afspejler hjernens forsøg på at kontrollere en impuls. Du kan tænke på processen med at beregne ERP som en sigte, filtrere stykker af EEG-signalet, der ikke er af interesse, og kun efterlade de signaler, som forskere er mest interesserede i.

begrænsningerne ved laboratorieforsøg

forskere har lært meget om, hvordan hjernen fungerer ved at udføre EEG-og ERP-eksperimenter i laboratorier. Når vi udfører sådanne eksperimenter, måler vi normalt hjerneaktivitet, når folk udfører computeriserede opgaver. Sådanne opgaver er designet til at måle en bestemt hjernefunktion, for eksempel at læse ord, lave aritmetiske eller kontrollere impulser. Normalt er sådanne laboratorieopgaver meget forskellige fra ting, vi gør i vores daglige liv.

tænk for eksempel på opgaven med de hyppige “h”s og sjældne “O”S, der bruges til at studere impulskontrol. Er det det samme som at kontrollere dine impulser til at bevæge dig rundt eller chatte med en anden studerende, mens din lærer giver instruktioner? I EEG-laboratoriet ville du sidde alene, i et stille rum, udføre en opgave som at trykke på knapper og lejlighedsvis forsøge ikke at trykke på en knap. Dette laboratorieeksperiment kan fortælle os nogle ting om, hvordan hjernen styrer impulser, men hvad siger det om, hvordan børn håndterer deres impulser i skolen? Dette er en begrænsning af laboratorieforsøg: de måler hjerneaktivitet i temmelig unaturlige situationer .

brug af bærbar EEG i klasseværelset

et andet aspekt af menneskelig adfærd, der er vanskeligt at studere i et laboratorium, er, hvordan folk interagerer med hinanden, for eksempel den måde, eleverne interagerer med hinanden i skolen. Laboratorieforsøg er ekstremt begrænsede til at besvare dette spørgsmål, men den seneste udvikling i bærbar EEG giver nu forskere mulighed for at udføre hjerneforskning uden for laboratoriet.

Dette er præcis, hvad et team af forskere ved Københavns Universitet gjorde for nylig . De samarbejdede med en lokal gymnasium og målte hjerneaktiviteten hos en lærer og en gruppe studerende i løbet af 11 biologilektioner (figur 3a). I hver lektion deltog eleverne i forskellige læringsaktiviteter, såsom foredrag, instruktionsvideoer og gruppediskussioner. Forskerne fandt ud af, at elevernes hjernebølger under disse klasseværelsesaktiviteter var synkroniserede. Med andre ord, deres hjernebølger gik op og ned sammen, synkroniseret. Endnu mere interessant var de studerende, der rapporterede at være mere engagerede i klassen, endnu mere synkroniserede med de andre studerende (figur 3b).

bærbare EEG-enheder er spændende, fordi de ikke kun kan bruges til forskning, men også til undervisningsformål. I” hjernebølger”, en neurovidenskab high school program, der blev udviklet på Ny York University, studerende bruger EEG til at lære om deres egne hjerner, og om, hvordan neurovidenskab fungerer. Studerende arbejder med en videnskabsmand for at udvikle deres egne forskningsprojekter. For eksempel kan de bruge EEG til at undersøge, hvordan hjernen reagerer på billeder af berømte og ikke-berømte ansigter, eller hvordan lytte til musik påvirker vores koncentrationsevne.

bærbar EEG blev ikke opfundet for at erstatte laboratorie-EEG-forskning. Det supplerer snarere laboratorieforskning ved at give indsigt i hjerneprocesser i daglige situationer. Men fordelen ved at studere hjernen i en mere naturlig indstilling kommer med nogle afvejninger. Kvaliteten af de data, der indsamles af portable EEG, er ikke så høj som de data, der indsamles i laboratoriet, fordi bærbare enheder har langt færre elektroder, og deltagerne bevæger sig mere rundt. Miljøet uden for laboratoriet er heller ikke under forskerens kontrol, så de eksperimentelle resultater kan være sværere at fortolke.

lyder det som Science Fiction?

så, efter at have læst alt dette, Hvad synes du? Vil du være interesseret i at bære en EEG-enhed i dit klasseværelse, eller finder du denne tanke lidt skræmmende? Nå, for at berolige dig, indtil videre giver bærbar EEG kun et generelt mål for hjerneaktivitet. EEG kan bestemt ikke læse dine tanker. Så du behøver ikke bekymre dig om, at forskere eller din lærer kunne læse dine tanker, hvis du nogensinde sætter på en af disse EEG-enheder på din skole. Vi vil forsikre dig om, at tankelæsning stadig er science fiction!nogle kommercielle virksomheder, der fremstiller og sælger EEG-enheder, hævder, at EEG kan bruges til at overvåge studerende ved at læse styrken af forskellige hjernebølger og afkode dette til “koncentreret” eller “distraheret.”Vi synes ikke, at dette er en særlig god ide af forskellige grunde. For det første skal vi gøre meget mere forskning, før vi forstår nok om, hvad EEG-signalerne betyder med hensyn til hjernefunktioner. For det andet behøver eleverne ikke nødvendigvis at koncentrere sig hele tiden. Vi ved, at hjernen også har brug for lidt tid til at hvile, og tankevandring kan faktisk være nyttig til læring .

konklusion

bærbare EEG-enheder tilbyder nogle gode muligheder, såsom evnen til at studere, hvordan hjernen fungerer i naturlige miljøer, som klasseværelser. Undersøgelse af hjernen i naturlige situationer kan især gavne vores forståelse af sociale interaktioner, da bærbar EEG kan bruges til at måle hjerneaktiviteten hos flere mennesker på en gang, mens de interagerer med hinanden. Desuden kan bærbar EEG også hjælpe eleverne til bedre at forstå, hvordan hjernen fungerer. Men videnskaben skrider frem i små trin, så lad os lade tankerne læse for science fiction-film, og i mellemtiden diskutere, om vi nogensinde vil have det til at være en realitet .

ordliste

hjernebølger: Cykler af elektriske strømme genereret af grupper af neuroner, der er aktive på samme tid.

neuroner: cellerne i din hjerne, der kommunikerer med hinanden ved at transmittere elektriske signaler.

EEG: elektroencefalografi, en teknik, hvor små detektorer, kaldet elektroder, placeres på en persons hovedbund ved hjælp af en hætte eller et headset. EEG måler den elektriske aktivitet af grupper af neuroner, der transmitterer lignende elektriske signaler på samme tid.

elektrode: en detektor placeret i hovedbunden, der bruges i EEG til at registrere de elektriske strømme genereret af neuroner i hjernen.

frekvens: hastigheden af en hjernebølge; antal gange en hjernebølge går op og ned i 1 s. frekvensenheden i Herts (HS); 1 HS betyder en cyklus pr.sekund.

frekvensbånd: en række hjernebølgefrekvenser, der er forbundet med en bestemt mental tilstand. For eksempel kaldes frekvenser i området 1-4 HS delta-båndet, som er forbundet med dyb søvn.

ERP: Hændelsesrelateret potentiale målt ved hjælp af EEG. ERP ‘ er er de elektriske hjernesvar på specifikke begivenheder, såsom at høre en lyd eller læse et ord. I ERP-metoden udfører deltagerne en computeriseret opgave, hvor den specifikke begivenhed af interesse ofte gentages. De dele af EEG-signalet, der er forårsaget af disse begivenheder, beregnes i gennemsnit sammen. Dette gennemsnit får tilfældig hjerneaktivitet til at blive gennemsnitligt, og den relevante del af EEG forbliver; dette er ERP.

synkronisering: når hjernebølger går op og ned sammen. Dette kan enten være inden for en hjerne (f.eks. hjernebølger fra forskellige dele af hjernen) eller mellem hjerner. Dette sidstnævnte eksempel kaldes hjerne-til-hjerne-synkronisering.

interessekonflikt

forfatterne erklærer, at forskningen blev udført i mangel af kommercielle eller økonomiske forhold, der kunne fortolkes som en potentiel interessekonflikt.

anerkendelser

vi vil gerne helhjertet takke dem, der hjalp med oversættelsen af artiklerne i denne samling for at gøre dem mere tilgængelige for børn uden for engelsktalende lande, og for Jacobs Foundation for at yde de nødvendige midler til at oversætte artiklerne. NA oversat denne artikel til hollandsk.

illustrationen i figur 2 er blevet genoptrykt fra Dikker et al. , Ophavsret (2017), med tilladelse fra Elsevier.

Vi vil gerne takke medlemmerne og finansiererne i den nye Feltgruppe Portable Brain Technologies in Educational Neuroscience Research, finansieret af EARLI og Jacobs Foundation. NA og TJ understøttes yderligere af et Startbevilling fra Det Europæiske Forskningsråd (#716736).

Hjernebølgeprogrammet er udviklet med støtte fra Science Education Partnership program på US National Institutes of General Medical Sciences.