Hai mai sentito parlare delle onde cerebrali e forse ti sei chiesto cosa siano? In questo articolo, spiegheremo quali sono le onde cerebrali, come possono essere misurate in laboratorio e in classe e perché è interessante misurarle.

EEG: Misurare l’attività elettrica nel cervello

Le cellule del tuo cervello sono chiamate neuroni e il tuo cervello ne ha circa 86 miliardi. Questi neuroni sono molto chiacchieroni, proprio come gli studenti in classe. Invece di usare le parole, i neuroni comunicano tramite piccoli segnali elettrici che generano. Questi segnali vanno su e giù di intensità, simili a onde: queste sono le tue onde cerebrali. Possiamo misurare le onde cerebrali usando una tecnica nota come elettroencefalografia (EEG), in cui piccoli rivelatori, chiamati elettrodi, sono posizionati sulla testa di una persona . Di solito, tutti questi elettrodi (fino a 256!) sono tenuti in posizione da un cappuccio, anche se recentemente sono stati sviluppati dispositivi portatili che utilizzano meno elettrodi, in cuffie dall’aspetto più elaborato. L’EEG non può misurare l’attività elettrica delle singole cellule cerebrali, perché le correnti elettriche che ogni neurone genera sono troppo piccole. Queste correnti possono essere misurate solo quando molti neuroni trasmettono segnali elettrici simili allo stesso tempo. Immaginate un festival musicale con migliaia di persone. Quando una sola persona applaude, la band sul palco non lo sentirà, ma quando tutto il pubblico applaude allo stesso tempo, sicuramente lo farà.

Onde cerebrali: Lento e veloce

Onde cerebrali variano in velocità. Puoi pensare a onde cerebrali lente come grandi onde nell’oceano, spostando una nave su e giù, e onde cerebrali veloci come piccole increspature sulla superficie dell’acqua. Quando usiamo EEG, otteniamo una miscela di onde cerebrali veloci e lente che si verificano allo stesso tempo.

Allora perché è interessante? Immaginatevi la mattina presto, non del tutto sveglio e ancora sognante. Se misurassimo le tue onde cerebrali con EEG in quel momento, vedremmo onde cerebrali relativamente lente. Ora immagina di essere a scuola a sostenere un esame, concentrandoti intensamente. In questa situazione, potremmo rilevare onde cerebrali più veloci. Questi esempi mostrano che la velocità delle onde cerebrali è correlata allo stato in cui ti trovi. La velocità delle onde cerebrali è chiamata frequenza. Possiamo identificare diverse gamme di frequenza utilizzando EEG. Ad esempio, l’intervallo Delta corrisponde a onde cerebrali relativamente lente che salgono e scendono 1-4 volte in un secondo, o 1-4 Hertz (Hz), che è l’unità di frequenza. Figura 1 mostra una panoramica delle gamme di frequenza (chiamate anche bande di frequenza) e come si riferiscono al vostro stato mentale.

Beyond Slow and Fast: Event-Related Potentials

Sebbene le bande di frequenza EEG siano molto interessanti, non tutte le domande possono essere risolte esaminandole. Ad esempio, cosa succede se vuoi sapere come il cervello capisce le parole che senti o come controlla gli impulsi, come non colpire tua sorella minore se ti fa impazzire? Per tali domande, i ricercatori analizzano le onde cerebrali in un altro modo: calcolando il potenziale correlato all’evento, o ERP. Gli ERP sono le risposte elettriche del cervello a eventi specifici, come la lettura di una parola o il controllo di un impulso. Nel metodo ERP, vengono esaminate le parti del segnale EEG causate da questi eventi specifici. Per utilizzare questo metodo, l’EEG viene registrato mentre il partecipante esegue un’attività computerizzata specificamente progettata per studiare una determinata funzione del cervello, ad esempio il controllo degli impulsi.

Ecco una descrizione di tale attività, chiamata attività “Go / No-Go” (Figura 2). Diverse lettere appaiono sullo schermo, uno per uno. Una ” X “significa” premere il pulsante “(Vai!), e una “O” significa” NON premere il pulsante ” (No Go!). La ” X “in questo compito viene presentata molto più frequentemente della” O”, quindi i partecipanti si preparano automaticamente a rispondere ogni volta che appare una lettera sullo schermo—anche una” O”. I partecipanti devono controllare il loro impulso a premere il pulsante nel caso di una” O”. Quando l’attività è finita, i ricercatori esaminano l’EEG registrato durante le presentazioni delle X e delle O sullo schermo. Riesci a indovinare quale lettera sono più interessati?

I ricercatori sono più interessati alla risposta EEG alle “O”, perché questo è quando il partecipante deve controllare l’impulso per premere il pulsante. Per esaminare la risposta cerebrale alla “O”s, il ricercatore isola la risposta EEG ad ogni presentazione di una “O” e medie tutte queste risposte insieme. La risposta EEG media a questo evento specifico è l’ERP e riflette il tentativo del cervello di controllare un impulso. Puoi pensare al processo di calcolo dell’ERP come un setaccio, filtrando pezzi del segnale EEG che non hanno alcun interesse, lasciando solo i segnali a cui i ricercatori sono più interessati.

I limiti degli esperimenti di laboratorio

Gli scienziati hanno imparato molto su come funziona il cervello facendo esperimenti EEG e ERP nei laboratori. Quando facciamo tali esperimenti, di solito misuriamo l’attività cerebrale quando le persone eseguono compiti computerizzati. Tali compiti sono progettati per misurare una certa funzione cerebrale, ad esempio leggere parole, fare aritmetica o controllare gli impulsi. Di solito, tali compiti di laboratorio sono molto diversi dalle cose che facciamo nella nostra vita quotidiana.

Ad esempio, pensa all’attività con le frequenti “X”e le rare “O”utilizzate per studiare il controllo degli impulsi. È lo stesso che controllare i tuoi impulsi per muoverti o chattare con un altro studente mentre il tuo insegnante sta dando istruzioni? Nel laboratorio EEG, si sarebbe seduto da solo, in una stanza tranquilla, facendo un compito come premere i pulsanti e, occasionalmente, cercando di non premere un pulsante. Questo esperimento di laboratorio può dirci alcune cose su come il cervello controlla gli impulsi, ma cosa dice su come i bambini affrontano i loro impulsi a scuola? Questa è una limitazione degli esperimenti di laboratorio: misurano l’attività cerebrale in situazioni piuttosto innaturali .

Utilizzo di EEG portatile in classe

Un altro aspetto del comportamento umano che è difficile da studiare in laboratorio è come le persone interagiscono tra loro, ad esempio, il modo in cui gli studenti interagiscono tra loro a scuola. Gli esperimenti di laboratorio sono estremamente limitati nel rispondere a questa domanda, ma i recenti sviluppi nell’EEG portatile ora consentono agli scienziati di condurre ricerche sul cervello al di fuori del laboratorio.

Questo è esattamente ciò che un team di ricercatori della New York University ha fatto di recente . Hanno collaborato con una scuola superiore locale e misurato l’attività cerebrale di un insegnante e di un gruppo di studenti durante 11 lezioni di biologia (Figura 3A). In ogni lezione, gli studenti hanno partecipato a diverse attività di apprendimento, come lezioni, video didattici e discussioni di gruppo. I ricercatori hanno scoperto che, durante queste attività in classe, le onde cerebrali degli studenti erano in sincronia. In altre parole, le loro onde cerebrali andavano su e giù insieme, in sincronia. Ancora più interessante, gli studenti che hanno riferito di essere più impegnati in classe erano ancora più in sincronia con gli altri studenti (Figura 3B).

I dispositivi EEG portatili sono eccitanti perché possono essere utilizzati non solo per la ricerca, ma anche per scopi didattici. In “BrainWaves”, un programma di scuola superiore di neuroscienze sviluppato alla New York University, gli studenti usano l’EEG per conoscere il proprio cervello e come funziona la neuroscienza. Gli studenti lavorano con uno scienziato per sviluppare i propri progetti di ricerca. Ad esempio, possono usare l’EEG per esplorare come il cervello risponde alle immagini di volti famosi e non famosi, o come l’ascolto della musica influisce sulla nostra capacità di concentrazione.

L’EEG portatile non è stato inventato per sostituire la ricerca EEG di laboratorio. Piuttosto, integra la ricerca di laboratorio fornendo approfondimenti sui processi cerebrali in situazioni quotidiane. Ma il vantaggio di studiare il cervello in un ambiente più naturale viene fornito con alcuni compromessi. La qualità dei dati raccolti dall’EEG portatile non è così alta come i dati raccolti in laboratorio, perché i dispositivi portatili hanno molti meno elettrodi e i partecipanti si muovono di più. Inoltre, l’ambiente al di fuori del laboratorio non è sotto il controllo del ricercatore, quindi i risultati sperimentali potrebbero essere più difficili da interpretare.

Questo suona come fantascienza?

Quindi, dopo aver letto tutto questo, cosa ne pensi? Saresti interessato a indossare un dispositivo EEG nella tua classe, o trovi questo pensiero un po ‘ spaventoso? Bene, per rassicurarti, finora l’EEG portatile fornisce solo una misura generale dell’attività cerebrale. EEG certamente non può leggere la tua mente. Quindi, non devi preoccuparti che i ricercatori o il tuo insegnante possano leggere i tuoi pensieri se mai indossi uno di questi dispositivi EEG nella tua scuola. Vogliamo rassicurarvi che la lettura della mente è ancora fantascienza!

Alcune aziende commerciali che producono e vendono dispositivi EEG sostengono che l’EEG può essere utilizzato per monitorare gli studenti, leggendo la forza delle diverse onde cerebrali e decodificando questo in “concentrato” o “distratto.”Non pensiamo che questa sia una buona idea, per vari motivi. In primo luogo, abbiamo bisogno di fare molte più ricerche prima di capire abbastanza su ciò che i segnali EEG significano in termini di funzioni cerebrali. In secondo luogo, gli studenti non hanno necessariamente bisogno di concentrarsi tutto il tempo. Sappiamo che anche il cervello ha bisogno di un po ‘ di tempo per riposare, e il vagare della mente può essere utile per l’apprendimento .

Conclusione

I dispositivi EEG portatili offrono alcune grandi opportunità, come la capacità di studiare come funziona il cervello in ambienti naturali, come le aule. Lo studio del cervello in situazioni naturali può essere particolarmente utile per la nostra comprensione delle interazioni sociali, poiché l’EEG portatile può essere utilizzato per misurare l’attività cerebrale di più persone contemporaneamente, mentre interagiscono tra loro. Inoltre, l’EEG portatile può anche aiutare gli studenti a capire meglio come funziona il cervello. Tuttavia, la scienza avanza a piccoli passi, quindi lasciamo la lettura della mente per i film di fantascienza, e nel frattempo discutiamo se vorremo mai che sia una realtà .

Glossario

Onde cerebrali: Cicli di correnti elettriche generate da gruppi di neuroni attivi contemporaneamente.

Neuroni: Le cellule del cervello che comunicano tra loro trasmettendo segnali elettrici.

EEG: Elettroencefalografia, una tecnica in cui piccoli rivelatori, chiamati elettrodi, vengono posizionati sul cuoio capelluto di una persona usando un cappuccio o un auricolare. EEG misura l’attività elettrica di gruppi di neuroni che trasmettono segnali elettrici simili allo stesso tempo.

Elettrodo: un rilevatore posizionato sul cuoio capelluto, utilizzato in EEG per registrare le correnti elettriche generate dai neuroni nel cervello.

Frequenza: Velocità di un’onda cerebrale; numero di volte che un’onda cerebrale sale e scende in 1 s. L’unità di frequenza in Hertz (Hz); 1 Hz significa un ciclo al secondo.

Banda di frequenza: Una gamma di frequenze delle onde cerebrali che è associato con un certo stato mentale. Ad esempio, le frequenze nell’intervallo di 1-4 Hz sono chiamate banda delta, che è associata al sonno profondo.

ERP: potenziale correlato agli eventi, misurato utilizzando EEG. Gli ERP sono le risposte elettriche del cervello a eventi specifici, come l’udito di un suono o la lettura di una parola. Nel metodo ERP, i partecipanti eseguono un’attività computerizzata in cui viene spesso ripetuto l’evento specifico di interesse. Le parti del segnale EEG causate da questi eventi sono mediate insieme. Questa media fa sì che l’attività cerebrale casuale sia mediata e che la parte rilevante dell’EEG rimanga; questo è l’ERP.

Synchrony: Quando le onde cerebrali vanno su e giù insieme. Questo può essere all’interno di un cervello (ad esempio, onde cerebrali da diverse parti del cervello) o tra i cervelli. Quest’ultimo esempio è chiamato sincronia cervello-cervello.

Conflitto di interessi

Gli autori dichiarano che la ricerca è stata condotta in assenza di rapporti commerciali o finanziari che potrebbero essere interpretati come un potenziale conflitto di interessi.

Ringraziamenti

Vorremmo ringraziare di cuore coloro che hanno aiutato nella traduzione degli articoli di questa Raccolta per renderli più accessibili ai bambini al di fuori dei paesi di lingua inglese, e per la Fondazione Jacobs per aver fornito i fondi necessari per tradurre gli articoli. NA tradotto questo articolo in olandese.

L’illustrazione in Figura 2 è stata ristampata da Dikker et al. , Copyright (2017), con il permesso di Elsevier.

Vorremmo ringraziare i membri e i finanziatori del gruppo emergente Portable Brain Technologies in Educational Neuroscience Research, finanziato da EARLI e dalla Jacobs Foundation. NA e TJ sono ulteriormente sostenuti da una sovvenzione iniziale del Consiglio europeo della ricerca (#716736).

Il programma BrainWaves è stato sviluppato con il supporto del programma Science Education Partnership presso il National Institutes of General Medical Sciences degli Stati Uniti.