słyszałeś kiedyś o falach mózgowych i może zastanawiałeś się czym one są? W tym artykule wyjaśnimy, czym są fale mózgowe, w jaki sposób można je mierzyć w laboratorium i w klasie oraz dlaczego warto je mierzyć.

EEG: Pomiar aktywności elektrycznej w mózgu

komórki w mózgu nazywane są neuronami, a mózg ma ich około 86 miliardów. Te neurony są bardzo gadatliwe, tak jak uczniowie w klasie. Zamiast używać słów, neurony komunikują się za pomocą małych sygnałów elektrycznych, które generują. Sygnały te idą w górę i w dół w intensywności, przypominając fale: to są fale mózgowe. Możemy mierzyć fale mózgowe za pomocą techniki znanej jako elektroencefalografia (EEG), w której małe detektory, zwane elektrodami, są umieszczane na głowie osoby . Zazwyczaj wszystkie te elektrody (do 256!) są utrzymywane w miejscu przez nasadkę, chociaż niedawno opracowano przenośne urządzenia, które wykorzystują mniej elektrod, w bardziej wyglądających zestawach słuchawkowych. EEG nie może mierzyć aktywności elektrycznej poszczególnych komórek mózgu, ponieważ prądy elektryczne generowane przez każdy neuron są zbyt małe. Te prądy mogą być mierzone tylko wtedy, gdy wiele neuronów przekazuje podobne sygnały elektryczne w tym samym czasie. Wyobraź sobie festiwal muzyczny z tysiącami ludzi. Kiedy tylko jedna osoba klaszcze, zespół na scenie tego nie usłyszy, ale kiedy cała publiczność klaszcze w tym samym czasie, na pewno to usłyszy.

fale mózgowe: powolne i szybkie

fale mózgowe różnią się szybkością. Można myśleć o powolnych falach mózgowych jako dużych falach w oceanie, poruszających statkiem w górę i w dół, i szybkich falach mózgowych jako małych falach na powierzchni wody. Kiedy używamy EEG, otrzymujemy mieszankę szybkich i wolnych fal mózgowych zachodzących w tym samym czasie.

więc dlaczego jest to interesujące? Wyobraź sobie, że jesteś wcześnie rano, nie całkiem przytomny i wciąż marzycielski. Gdybyśmy zmierzyli fale mózgowe za pomocą EEG w tym momencie, zobaczylibyśmy stosunkowo powolne fale mózgowe. Teraz wyobraź sobie, że jesteś w szkole, przystępując do egzaminu, intensywnie się skupiając. W tej sytuacji możemy wykryć szybsze fale mózgowe. Te przykłady pokazują, że prędkość fal mózgowych jest związana ze stanem, w którym się znajdujesz. Prędkość fal mózgowych nazywana jest częstotliwością. Możemy zidentyfikować różne zakresy Częstotliwości za pomocą EEG. Na przykład zakres Delta odpowiada stosunkowo powolnym falom mózgowym, które poruszają się w górę i w dół 1-4 razy w ciągu sekundy Lub 1-4 herców (Hz), co jest jednostką częstotliwości. Rysunek 1 pokazuje przegląd zakresów częstotliwości (zwanych również pasmami częstotliwości) i ich związek z twoim stanem psychicznym.

poza wolnymi i szybkimi: potencjały związane z zdarzeniami

chociaż pasma częstotliwości EEG są bardzo interesujące, nie na wszystkie pytania można odpowiedzieć, badając je. Na przykład, co zrobić, jeśli chcesz wiedzieć, jak mózg rozumie słowa, które słyszysz lub jak kontroluje impulsy, na przykład nie bicie młodszej siostry, jeśli doprowadza cię do szaleństwa? W przypadku takich pytań Naukowcy analizują fale mózgowe w inny sposób: obliczając potencjał związany z zdarzeniami lub ERP. ERP to elektryczne reakcje mózgu na określone zdarzenia, takie jak czytanie słowa lub kontrolowanie impulsu. W metodzie ERP badane są części sygnału EEG wywołane tymi konkretnymi zdarzeniami. Aby użyć tej metody, EEG jest rejestrowane, podczas gdy uczestnik wykonuje skomputeryzowane zadanie, które jest specjalnie zaprojektowane do badania pewnej funkcji mózgu, na przykład kontroli impulsów.

oto opis takiego zadania, zwanego „Go/No-Go” (Rysunek 2). Na ekranie pojawiają się różne litery, jedna po drugiej. „X” oznacza ” naciśnij przycisk „(Go!), A „O” oznacza ” nie naciskaj przycisku „(No Go!). „X” w tym zadaniu jest prezentowany znacznie częściej niż” O”, więc uczestnicy automatycznie przygotowują się do odpowiedzi za każdym razem, gdy na ekranie pojawi się litera—nawet” o”. uczestnicy muszą kontrolować swój impuls, aby nacisnąć przycisk w przypadku” o”. Po zakończeniu zadania naukowcy badają EEG zarejestrowane podczas prezentacji X I O na ekranie. Czy możesz zgadnąć, który List są najbardziej zainteresowani?

naukowcy są najbardziej zainteresowani odpowiedzią EEG na „O”s, ponieważ wtedy uczestnik musi kontrolować impuls, aby nacisnąć przycisk. Aby zbadać odpowiedź mózgu na „O”, badacz izoluje odpowiedź EEG na każdą prezentację „O” i uśrednia wszystkie te odpowiedzi razem. Uśrednioną odpowiedzią EEG na to konkretne zdarzenie jest ERP, który odzwierciedla próbę kontrolowania impulsu przez mózg. Możesz myśleć o procesie obliczania ERP jako sito, filtrując fragmenty sygnału EEG, które nie są interesujące, pozostawiając tylko sygnały, które najbardziej interesują naukowców.

ograniczenia eksperymentów laboratoryjnych

naukowcy nauczyli się wiele o tym, jak działa mózg, wykonując eksperymenty EEG i ERP w laboratoriach. Kiedy wykonujemy takie eksperymenty, Zwykle mierzymy aktywność mózgu, gdy ludzie wykonują skomputeryzowane zadania. Takie zadania są przeznaczone do pomiaru określonej funkcji mózgu, na przykład czytania słów, robienia arytmetyki lub kontrolowania impulsów. Zazwyczaj takie zadania laboratoryjne są zupełnie inne od rzeczy, które robimy w naszym codziennym życiu.

pomyśl na przykład o zadaniu z częstymi „X”i rzadkimi „O”używanymi do badania kontroli impulsów. Czy to jest to samo, co kontrolowanie impulsów do poruszania się lub rozmawiania z innym uczniem, gdy nauczyciel daje instrukcje? W laboratorium EEG siedziałbyś sam, w cichym pokoju, wykonując zadanie takie jak naciśnięcie przycisków i czasami próbując nie nacisnąć przycisku. Ten eksperyment laboratoryjny może nam powiedzieć kilka rzeczy o tym, jak mózg kontroluje impulsy, ale co mówi o tym, jak dzieci radzą sobie z impulsami w szkole? Jest to ograniczenie eksperymentów laboratoryjnych: mierzą aktywność mózgu w raczej nienaturalnych sytuacjach .

Korzystanie z przenośnego EEG w klasie

innym aspektem ludzkiego zachowania, który jest trudny do zbadania w laboratorium, jest sposób, w jaki ludzie wchodzą ze sobą w interakcje, na przykład sposób, w jaki uczniowie wchodzą ze sobą w interakcje w szkole. Eksperymenty laboratoryjne są bardzo ograniczone w odpowiedzi na to pytanie, ale ostatnie osiągnięcia w przenośnym EEG pozwalają teraz naukowcom na prowadzenie badań mózgu poza laboratorium.

To właśnie zrobił niedawno zespół naukowców z New York University . Nawiązali współpracę z lokalnym liceum i zmierzyli aktywność mózgu nauczyciela i grupy uczniów podczas 11 lekcji biologii (rysunek 3A). W każdej lekcji uczniowie uczestniczyli w różnych zajęciach edukacyjnych, takich jak wykłady, filmy instruktażowe i dyskusje grupowe. Naukowcy odkryli, że podczas tych zajęć w klasie fale mózgowe uczniów były synchroniczne. Innymi słowy, ich fale mózgowe były zsynchronizowane. Co jeszcze ciekawsze, uczniowie, którzy zgłaszali, że są bardziej zaangażowani w zajęcia, byli jeszcze bardziej zsynchronizowani z innymi uczniami (rysunek 3B).

przenośne urządzenia EEG są ekscytujące, ponieważ mogą być używane nie tylko do badań, ale także do celów dydaktycznych. W” BrainWaves”, programie Neuroscience high school, który został opracowany na Uniwersytecie Nowojorskim, studenci używają EEG, aby dowiedzieć się o własnych mózgach i o tym, jak działa neuroscience. Studenci współpracują z naukowcem przy opracowywaniu własnych projektów badawczych. Mogą na przykład użyć EEG do zbadania, jak mózg reaguje na obrazy znanych i nie znanych twarzy lub jak słuchanie muzyki wpływa na naszą zdolność koncentracji.

Przenośne EEG nie zostało wynalezione w celu zastąpienia badań laboratoryjnych EEG. Przeciwnie, uzupełnia badania laboratoryjne, dostarczając wgląd w procesy mózgu w codziennych sytuacjach. Ale zaleta badania mózgu w bardziej naturalnym otoczeniu wiąże się z pewnymi kompromisami. Jakość danych zebranych przez przenośne EEG nie jest tak wysoka, jak dane zebrane w laboratorium, ponieważ urządzenia przenośne mają znacznie mniej elektrod, a uczestnicy poruszają się więcej. Ponadto, środowisko poza laboratorium nie jest pod kontrolą badacza, więc wyniki eksperymentalne mogą być trudniejsze do zinterpretowania.

czy to brzmi jak Science Fiction?

więc po przeczytaniu tego wszystkiego, co o tym myślisz? Czy byłbyś zainteresowany noszeniem urządzenia EEG w swojej klasie, czy uważasz, że ta myśl jest trochę przerażająca? Dla pewności, jak na razie przenośne EEG dostarcza jedynie ogólnej miary aktywności mózgu. EEG z pewnością nie potrafi czytać w myślach. Nie musisz się więc martwić, że naukowcy lub twój nauczyciel będą mogli czytać twoje myśli, jeśli kiedykolwiek założysz jedno z tych urządzeń EEG w swojej szkole. Chcemy was zapewnić, że czytanie w myślach to nadal science fiction!

niektóre firmy komercyjne produkujące i sprzedające urządzenia EEG twierdzą, że EEG może być używane do monitorowania uczniów, poprzez odczytywanie siły różnych fal mózgowych i dekodowanie ich na „skoncentrowane” lub „rozproszone.”Nie uważamy, że jest to dobry pomysł, z różnych powodów. Po pierwsze, musimy przeprowadzić o wiele więcej badań, zanim wystarczająco zrozumiemy, co sygnały EEG oznaczają w kategoriach funkcji mózgu. Po drugie, uczniowie niekoniecznie muszą się cały czas koncentrować. Wiemy, że mózg również potrzebuje czasu na odpoczynek, a wędrowanie umysłu może być przydatne do nauki .

podsumowanie

przenośne urządzenia EEG oferują ogromne możliwości, takie jak możliwość badania działania mózgu w środowisku naturalnym, takim jak sale lekcyjne. Badanie mózgu w naturalnych sytuacjach może szczególnie korzystnie wpłynąć na nasze zrozumienie interakcji społecznych, ponieważ przenośne EEG może być używane do pomiaru aktywności mózgu kilku osób jednocześnie, gdy wchodzą one w interakcję ze sobą. Co więcej, przenośne EEG może również pomóc uczniom lepiej zrozumieć, jak działa mózg. Jednak nauka postępuje małymi krokami, więc zostawmy czytanie w myślach dla filmów science fiction, a w międzyczasie zastanówmy się, czy kiedykolwiek będziemy chcieli, aby stało się to rzeczywistością .

Słowniczek

fale mózgowe: cykle prądów elektrycznych generowanych przez grupy neuronów, które są aktywne w tym samym czasie.

neurony: komórki w mózgu, które komunikują się ze sobą poprzez przekazywanie sygnałów elektrycznych.

EEG: elektroencefalografia, Technika, w której małe detektory, zwane elektrodami, są umieszczane na skórze głowy osoby za pomocą czapki lub zestawu słuchawkowego. EEG mierzy aktywność elektryczną grup neuronów, które przekazują podobne sygnały elektryczne w tym samym czasie.

elektroda: detektor umieszczony na skórze głowy, używany w EEG do rejestrowania prądów elektrycznych generowanych przez neurony w mózgu.

częstotliwość: prędkość fali mózgowej; liczba razy fala mózgowa porusza się w górę i w dół w ciągu 1 s. jednostka częstotliwości w hercach (Hz); 1 Hz oznacza jeden cykl na sekundę.

pasmo częstotliwości: zakres częstotliwości fal mózgowych, który jest związany z pewnym stanem psychicznym. Na przykład częstotliwości w zakresie 1-4 Hz nazywane są pasmem delta, które jest związane z głębokim snem.

ERP: potencjał związany ze zdarzeniami, mierzony za pomocą EEG. ERP to elektryczne reakcje mózgu na określone zdarzenia, takie jak słyszenie dźwięku lub czytanie słowa. W metodzie ERP uczestnicy wykonują skomputeryzowane zadanie, w którym często powtarza się konkretne zdarzenie będące przedmiotem zainteresowania. Części sygnału EEG spowodowane tymi zdarzeniami są uśrednione razem. Uśrednianie to powoduje uśrednianie przypadkowej aktywności mózgu i pozostanie odpowiedniej części EEG; jest to ERP.

synchronizacja: kiedy fale mózgowe idą w górę iw dół razem. Może to być w obrębie jednego mózgu (np. fale mózgowe z różnych części mózgu) lub między mózgami. Ten ostatni przykład nazywa się synchronizacją mózg-mózg.

konflikt interesów

autorzy oświadczają, że badania zostały przeprowadzone przy braku jakichkolwiek relacji handlowych lub finansowych, które mogłyby być interpretowane jako potencjalny konflikt interesów.

podziękowania

chcielibyśmy serdecznie podziękować tym, którzy pomogli w tłumaczeniu artykułów w tej kolekcji, aby uczynić je bardziej dostępnymi dla dzieci spoza krajów anglojęzycznych, oraz Fundacji Jacobsa za zapewnienie funduszy niezbędnych do przetłumaczenia artykułów. NA przetłumaczył ten artykuł na Holenderski.

ilustracja na rysunku 2 została przedrukowana przez Dikkera et al. , Copyright (2017), za zgodą Elsevier.

chcielibyśmy podziękować członkom i fundatorom powstającej grupy Portable Brain Technologies in Educational Neuroscience Research, finansowanej przez EARLI i Jacobs Foundation. NA i TJ są dodatkowo wspierane przez Grant początkowy Europejskiej Rady ds. badań naukowych (#716736).

program BrainWaves został opracowany przy wsparciu Science Education Partnership program w U. S. National Institutes of General Medical Sciences.