Határok a Fiatal Elméket
Absztrakt
Agy kutatók használt tanulni a működését az agy csak speciális laboratóriumok az egyetemeken, kórházakban. A közelmúltban a kutatók olyan hordozható eszközöket kezdtek használni, amelyeket az emberek a laboratóriumon kívül viselhetnek a fejükön. Például ezek az eszközök lehetővé teszik a kutatók számára, hogy mérjék a diákok agyi aktivitását az osztálytermekben, ahogy az iskolai napon mennek keresztül. Ez futurisztikusnak hangzik, és talán egy kicsit riasztónak is. Ebben a cikkben elmagyarázzuk, mit csinálnak az ilyen eszközök, nem mérnek-például nem tudják olvasni az elmédet! Azt is elmagyarázzuk, hogy ez a fajta kutatás hasznos lehet Önnek és osztálytársainak.
hallottál már valaha az agyhullámokról, és talán azon tűnődtél, mik azok? Ebben a cikkben elmagyarázzuk, milyen agyhullámok vannak, hogyan lehet őket mérni a laborban és az osztályteremben, és miért érdekes mérni őket.
EEG: Az agy elektromos aktivitásának mérése
az agy sejtjeit neuronoknak nevezik, az agynak pedig körülbelül 86 milliárdja van. Ezek a neuronok nagyon beszédesek, csakúgy, mint a diákok egy osztályteremben. A szavak használata helyett a neuronok apró elektromos jeleken keresztül kommunikálnak, amelyeket generálnak. Ezek a jelek intenzitással emelkednek fel-le, hullámokra hasonlítanak: ezek az agyhullámok. Az agyhullámokat elektroencefalográfiának (EEG) nevezett technikával mérhetjük, amelyben kis detektorokat, úgynevezett elektródákat helyeznek az ember fejére . Általában ezek az elektródák (akár 256!) egy kupak tartja a helyén, bár a közelmúltban olyan hordozható eszközöket fejlesztettek ki, amelyek kevesebb elektródát használnak, a képzeletesebb megjelenésű fejhallgatókban. Az EEG nem tudja mérni az egyes agysejtek elektromos aktivitását, mert az elektromos áramok, amelyeket bármelyik neuron generál, túl kicsiek. Ezeket az áramokat csak akkor lehet mérni, ha sok neuron egyidejűleg hasonló elektromos jeleket továbbít. Képzeljünk el egy zenei fesztivál több ezer ember. Amikor csak egy ember tapsol, a színpadon lévő zenekar nem fogja hallani, de amikor az egész közönség egyszerre tapsol, biztosan meg fogják.
agyhullámok: lassú és gyors
az agyhullámok sebessége változó. A lassú agyhullámokra gondolhatunk, mint az óceán nagy hullámaira, egy hajó felfelé-lefelé mozgatására, valamint a gyors agyhullámokra, mint a víz felszínén kis hullámokra. Amikor az EEG-t használjuk, gyors és lassú agyhullámok keverékét kapjuk egyszerre.
tehát miért érdekes ez? Képzeld magad korán reggel, nem egészen ébren, még mindig álmodozó. Ha ebben a pillanatban megmérnénk az agyhullámokat az EEG-vel, viszonylag lassú agyhullámokat látnánk. Most képzelje el, hogy az iskolában vizsgázik, intenzíven összpontosítva. Ebben a helyzetben gyorsabb agyhullámokat észlelhetünk. Ezek a példák azt mutatják, hogy az agyhullámok sebessége az Ön állapotához kapcsolódik. Az agyhullámok sebességét frekvenciának nevezik. Az EEG segítségével különböző frekvenciatartományokat tudunk azonosítani. Például a Delta tartomány megfelel a viszonylag lassú agyhullámoknak, amelyek másodpercenként 1-4 alkalommal, vagy 1-4 Hertz (Hz), ami a frekvencia egysége. Az 1. ábra a frekvenciatartományok (más néven frekvenciasávok) áttekintését mutatja, valamint azt, hogy ezek hogyan kapcsolódnak az Ön mentális állapotához.
- 1.ábra – EEG frekvenciasávok a lassútól a gyorsig, és hogyan kapcsolódnak a mentális állapothoz.
- az agyhullám frekvenciáját Hertzben (Hz) mérik, ami a hullámok száma másodpercenként.
Beyond Slow and Fast: Event-Related Potentials
bár az EEG frekvenciasávok nagyon érdekesek, nem minden kérdésre lehet válaszolni vizsgálatukkal. Például, mi van, ha szeretné tudni, hogy az agy megérti a hallott szavakat, vagy hogyan szabályozza az impulzusokat, mint például nem üti meg a húgát, ha megőrül? Ilyen kérdések esetén a kutatók más módon elemzik az agyhullámokat: az eseményekkel kapcsolatos potenciál vagy az ERP kiszámításával. Az ERP-k az elektromos agy válaszai bizonyos eseményekre, például egy szó olvasására vagy egy impulzus vezérlésére. Az ERP módszer során megvizsgálják az EEG jel ezen események által okozott részeit. Ennek a módszernek a használatához az EEG-t rögzítik, miközben a résztvevő számítógépes feladatot végez, amelyet kifejezetten az agy bizonyos funkcióinak tanulmányozására terveztek, például impulzusvezérlés.
itt van egy ilyen feladat leírása, amelyet “Go / No-Go” feladatnak neveznek (2.ábra). Különböző betűk jelennek meg a képernyőn, egyenként. Az ” X “azt jelenti, hogy ” nyomja meg a gombot”(menj!), az ” O “pedig azt jelenti, hogy” ne nyomja meg a gombot ” (nem megy!). Az “X” ez a feladat bemutatni, sokkal gyakrabban, mint az “O”, így a résztvevők automatikusan készülj fel, hogy válaszoljon, amikor egy levél jelenik meg a képernyőn, még egy “O”. a Résztvevők kell, hogy ellenőrizzék a késztetést, hogy nyomja meg a gombot, abban az esetben egy “o-t”, Ha a feladat vége, a kutatók megvizsgálják az EEG során rögzített előadások az X vagy O a képernyőn. Meg tudja tippelni, hogy melyik levél érdekli őket leginkább?
- 2.ábra – A Go/No-Go feladat.
- az X és O betűk egyenként jelennek meg a képernyőn. A résztvevőket arra kérjük, hogy amint meglátják az X gombot, ne nyomják meg a gombot, amikor O-t látnak. az X nagyon gyakran jelenik meg, az O csak alkalmanként jelenik meg. Ez megnehezíti az impulzus gátlását, hogy megnyomja a gombot, amikor egy O jelenik meg a képernyőn.
a kutatókat leginkább az”O” – kra adott EEG válasz érdekli, mert ez az, amikor a résztvevőnek ellenőriznie kell az impulzust a gomb megnyomásához. Az “O” – kra adott agyi válasz vizsgálata érdekében a kutató elkülöníti az EEG-választ az “O” minden egyes megjelenítésére, és ezeket a válaszokat együtt átlagolja. Az átlagolt EEG válasz erre a konkrét eseményre az ERP, és tükrözi az agy kísérletét, hogy ellenőrizzék egy impulzus. Gondolhat az ERP szitaként történő kiszámításának folyamatára, kiszűrve az EEG jel darabjait, amelyek nem érdekesek, csak azokat a jeleket hagyva, amelyek a kutatókat leginkább érdeklik.
A laboratóriumi kísérletek korlátai
a tudósok sokat tanultak arról, hogy az agy hogyan működik az EEG és ERP laboratóriumi kísérletekből. Amikor ilyen kísérleteket végzünk, általában az agyi aktivitást mérjük, amikor az emberek számítógépes feladatokat végeznek. Az ilyen feladatok célja egy bizonyos agyi funkció mérése, például szavak olvasása, aritmetika elvégzése vagy impulzusok vezérlése. Általában az ilyen laboratóriumi feladatok meglehetősen különböznek a mindennapi életünkben végzett dolgoktól.
például gondoljon a feladatra a gyakori “X” – ekkel és az impulzuskontroll tanulmányozására használt ritka “O” – kkal. Ez ugyanaz, mint a mozgás impulzusainak ellenőrzése, vagy beszélgetni egy másik hallgatóval, miközben a tanár utasításokat ad? Az EEG laborban egyedül ülne, egy csendes szobában, olyan feladatot végezne, mint a gombok megnyomása, néha megpróbálva nem nyomni egy gombot. Ez a laboratóriumi kísérlet elmondhat nekünk néhány dolgot arról, hogy az agy hogyan szabályozza az impulzusokat, de mit mond arról, hogy a gyerekek hogyan kezelik impulzusaikat az iskolában? Ez a laboratóriumi kísérletek korlátozása: az agyi aktivitást meglehetősen természetellenes helyzetekben mérik .
hordozható EEG használata az osztályteremben
az emberi viselkedés egy másik aspektusa, amelyet nehéz laboratóriumban tanulmányozni, az, hogy az emberek hogyan kölcsönhatásba lépnek egymással, például a diákok kölcsönhatása egymással az iskolában. A laboratóriumi kísérletek rendkívül korlátozottak a kérdés megválaszolásában, de a hordozható EEG legújabb fejleményei lehetővé teszik a tudósok számára, hogy agykutatást végezzenek a laboratóriumon kívül.
pontosan ezt tette a New York-i Egyetem kutatócsoportja a közelmúltban . Együttműködtek egy helyi Középiskolával, és 11 biológia óra alatt egy tanár és egy diákcsoport agyi aktivitását mérték (3a ábra). Minden leckében a diákok különböző tanulási tevékenységekben vettek részt, például előadásokban, oktatóvideókban és csoportos beszélgetésekben. A kutatók azt találták, hogy ezen osztálytermi tevékenységek során a diákok agyhullámai szinkronban voltak. Más szavakkal, az agyhullámaik együtt, szinkronban mentek fel és le. Még érdekesebb, hogy azok a diákok, akik arról számoltak be, hogy jobban részt vesznek az osztályban, még inkább szinkronban voltak a többi hallgatóval (3b ábra).
- 3.ábra – a) az EEG használható a diákok agyhullámainak mérésére egy középiskolai osztályban (from: Dikker et al. ).
- (B) a diákok agyhullámai magas szinkront mutathatnak más diákokkal, amelyeket olyan hallgatók számára találtak, akik jobban részt vettek az osztályban (balra). Alacsony szinkron más diákokkal (jobbra) találtak olyan hallgatók számára, akik kevésbé voltak elkötelezettek.
a hordozható EEG eszközök izgalmasak, mert nem csak kutatásra, hanem oktatási célokra is felhasználhatók. Az “agyhullámok” – ban, a New York-i Egyetemen kifejlesztett neuroscience high school programban a hallgatók az EEG-t használják, hogy megismerjék saját agyukat, valamint arról, hogyan működik az idegtudomány. A diákok együtt dolgoznak egy tudóssal, hogy saját kutatási projekteket fejlesszenek ki. Például az EEG segítségével felfedezhetik, hogy az agy hogyan reagál a híres és nem híres arcok képeire, vagy hogyan befolyásolja a zenehallgatás a koncentrációs képességünket.
A hordozható EEG-t nem találták fel a laboratóriumi EEG-kutatás helyettesítésére. Inkább kiegészíti a laboratóriumi kutatást azáltal, hogy betekintést nyújt az agyi folyamatokba napi helyzetekben. De az agy természetes környezetben történő tanulmányozásának előnye néhány kompromisszummal jár. A hordozható EEG által gyűjtött adatok minősége nem olyan magas, mint a laborban gyűjtött adatok, mivel a hordozható eszközök sokkal kevesebb elektródával rendelkeznek, a résztvevők pedig többet mozognak. Továbbá a laboratóriumon kívüli környezet nem a kutató irányítása alatt áll, így a kísérleti eredményeket nehezebb értelmezni.
ez úgy hangzik, mint a sci-fi?
tehát, miután elolvasta mindezt, mit gondolsz? Érdekelne egy EEG-eszköz viselése az osztályteremben, vagy kissé ijesztőnek találja ezt a gondolatot? Nos, megnyugtatni téged, eddig a hordozható EEG csak az agyi aktivitás általános mértékét biztosítja. Az EEG biztosan nem tudja elolvasni az elmédet. Tehát nem kell aggódnia, hogy a kutatók vagy a tanár el tudja olvasni a gondolatait, ha valaha is felveszi az egyik ilyen EEG eszközt az iskolában. Szeretnénk megnyugtatni Önt, hogy az elmeolvasás még mindig sci-fi!
egyes EEG-eszközöket gyártó és értékesítő kereskedelmi cégek azt állítják, hogy az EEG-t a különböző agyhullámok erősségének leolvasásával, “koncentrált” vagy “zavart” – ra dekódolva lehet használni a diákok megfigyelésére.”Nem hiszem, hogy ez egy nagyon jó ötlet, különböző okok miatt. Először is sokkal több kutatást kell végeznünk, mielőtt eléggé megértenénk, hogy mit jelentenek az EEG jelek az agyi funkciók szempontjából. Másodszor, a diákoknak nem feltétlenül kell állandóan koncentrálniuk. Tudjuk, hogy az agynak is szüksége van egy kis időre a pihenésre, és az elme vándorlás valóban hasznos lehet a tanuláshoz .
következtetés
a hordozható EEG eszközök nagyszerű lehetőségeket kínálnak, például az agy működésének tanulmányozására természetes környezetben, például osztálytermekben. Az agy tanulmányozása természetes helyzetekben különösen előnyös lehet a társadalmi interakciók megértésében, mivel a hordozható EEG felhasználható több ember agyi aktivitásának mérésére egyszerre, miközben kölcsönhatásba lépnek egymással. Ezenkívül a hordozható EEG segíthet a diákoknak abban is, hogy jobban megértsék az agy működését. A tudomány azonban kis lépésekben halad előre, úgyhogy hagyjuk a tudományos fantasztikus filmek olvasását, és addig is beszéljük meg, hogy valaha is akarjuk-e, hogy ez valóság legyen .
Szójegyzék
agyhullámok: az egyidejűleg aktív neuronok csoportjai által generált elektromos áram ciklusai.
neuronok: az agy sejtjei, amelyek elektromos jelek továbbításával kommunikálnak egymással.
EEG: elektroencefalográfia, olyan technika, amelyben kis detektorokat, úgynevezett elektródákat helyeznek egy személy fejbőrére kupakkal vagy fejhallgatóval. Az EEG olyan neuroncsoportok elektromos aktivitását méri, amelyek egyidejűleg hasonló elektromos jeleket továbbítanak.
elektróda: a fejbőrön elhelyezett detektor, amelyet az EEG-ben használnak az agy neuronjai által generált elektromos áramok rögzítésére.
frekvencia: az agyhullám sebessége; az agyhullám száma 1 s-ban fel-le megy. a frekvencia egysége Hertzben( Hz); 1 Hz másodpercenként egy ciklust jelent.
frekvenciasáv: az agyhullám frekvenciáinak tartománya, amely egy bizonyos mentális állapothoz kapcsolódik. Például az 1-4 Hz tartományban lévő frekvenciákat delta-sávnak nevezik, amely a mély alváshoz kapcsolódik.
ERP: eseményekkel kapcsolatos potenciál, EEG-vel mérve. Az ERP-k az elektromos agy válaszai bizonyos eseményekre, például egy hang hallására vagy egy szó olvasására. Az ERP módszerben a résztvevők számítógépes feladatot hajtanak végre, amelyben az adott érdekes esemény gyakran megismétlődik. Az EEG jel ezen események által okozott részeit átlagolják. Ez az átlagolás a véletlenszerű agyi aktivitás átlagolását és az EEG releváns részének fennmaradását okozza; ez az ERP.
Synchrony: amikor az agyhullámok fel-le együtt mennek. Ez lehet egy agyban (például az agy különböző részeiből származó agyhullámok) vagy az agy között. Ez utóbbi példa az úgynevezett agy-agy szinkron.
összeférhetetlenség
a szerzők kijelentik, hogy a kutatást olyan kereskedelmi vagy pénzügyi kapcsolatok hiányában végezték, amelyek potenciális összeférhetetlenségnek tekinthetők.
köszönetnyilvánítások
teljes szívvel szeretnénk köszönetet mondani azoknak, akik segítettek a gyűjtemény cikkeinek fordításában, hogy hozzáférhetőbbé tegyék őket az angol nyelvű országokon kívüli gyerekek számára, valamint a Jacobs Alapítvány számára a cikkek lefordításához szükséges pénzeszközök biztosításáért. NA lefordította ezt a cikket Holland.
a 2.ábrán látható ábrát Dikker et al. , Szerzői jog (2017), Elsevier engedélyével.
szeretnénk köszönetet mondani az EARLI és a Jacobs Alapítvány által finanszírozott, a Portable Brain Technologies in Educational Neuroscience Research feltörekvő Mezőcsoport tagjainak és finanszírozóinak. A NA-t és a TJ-t tovább támogatja az Európai Kutatási Tanács (#716736) induló támogatása.
az agyhullámok programot az Amerikai Országos Általános Orvostudományi intézetek tudományos oktatási partnerségi programjának támogatásával fejlesztették ki.
Leave a Reply