ai auzit vreodată despre undele cerebrale și poate te-ai întrebat ce sunt? În acest articol, vom explica ce sunt undele creierului, cum pot fi măsurate în laborator și în clasă și de ce este interesant să le măsurăm.

EEG: Măsurarea activității electrice în creier

celulele din creier sunt numite neuroni, iar creierul are aproximativ 86 de miliarde dintre ei. Acești neuroni sunt foarte vorbăreți, la fel ca elevii dintr-o clasă. În loc să folosească cuvinte, neuronii comunică prin mici semnale electrice pe care le generează. Aceste semnale merg în sus și în jos în intensitate, asemănătoare undelor: acestea sunt undele creierului tău. Putem măsura undele cerebrale folosind o tehnică cunoscută sub numele de electroencefalografie (EEG), în care detectoarele mici, numite electrozi, sunt plasate pe capul unei persoane . De obicei, toți acești electrozi (până la 256!) sunt ținute pe loc de un capac, deși recent au fost dezvoltate dispozitive portabile care utilizează mai puțini electrozi, în Căști cu aspect mai crescător. EEG nu poate măsura activitatea electrică a celulelor creierului individuale, deoarece curenții electrici pe care îi generează un neuron sunt prea mici. Acești curenți pot fi măsurați numai atunci când mulți neuroni transmit semnale electrice similare în același timp. Imaginați-vă un festival de muzică cu mii de oameni. Când o singură persoană bate, trupa de pe scenă nu o va auzi, dar când întregul public bate în același timp, cu siguranță o vor face.

undele cerebrale: lente și rapide

undele cerebrale variază în viteză. Vă puteți gândi la undele cerebrale lente ca valuri mari în ocean, mișcând o navă în sus și în jos și undele cerebrale rapide ca mici valuri pe suprafața apei. Când folosim EEG, obținem un amestec de unde cerebrale rapide și lente care se întâmplă în același timp.

deci, de ce este interesant? Imaginați-vă dimineața devreme, nu destul de treaz și încă visător. Dacă am măsura undele cerebrale cu EEG chiar în acel moment, am vedea unde cerebrale relativ lente. Acum imaginați-vă că sunteți la școală luând un examen, concentrându-vă intens. În această situație, am putea detecta unde cerebrale mai rapide. Aceste exemple arată că viteza undelor cerebrale este legată de starea în care vă aflați. Viteza undelor cerebrale se numește frecvență. Putem identifica diferite intervale de frecvență folosind EEG. De exemplu, intervalul Delta corespunde undelor cerebrale relativ lente care urcă și coboară de 1-4 ori într-o secundă sau 1-4 Hertz (Hz), care este unitatea de frecvență. Figura 1 prezintă o prezentare generală a intervalelor de frecvență (numite și benzi de frecvență) și a modului în care acestea se raportează la starea dvs. mentală.

dincolo de lent și rapid: potențiale legate de evenimente

deși benzile de frecvență EEG sunt foarte interesante, nu toate întrebările pot fi răspuns prin examinarea lor. De exemplu, ce se întâmplă dacă vrei să știi cum creierul înțelege cuvintele pe care le auzi sau cum controlează impulsurile, cum ar fi să nu-ți lovești sora mai mică dacă te înnebunește? Pentru astfel de întrebări, cercetătorii analizează undele cerebrale într-un alt mod: prin calcularea potențialului legat de eveniment sau ERP. ERP-urile sunt răspunsurile electrice ale creierului la evenimente specifice, cum ar fi citirea unui cuvânt sau controlul unui impuls. În metoda ERP, sunt examinate părțile semnalului EEG cauzate de aceste evenimente specifice. Pentru a utiliza această metodă, EEG este înregistrat în timp ce participantul îndeplinește o sarcină computerizată care este special concepută pentru a studia o anumită funcție a creierului, de exemplu controlul impulsurilor.

iată o descriere a unei astfel de sarcini, numită sarcină „Go / No-Go” (Figura 2). Pe ecran apar diferite litere, una câte una. Un ” X „înseamnă” apăsați butonul ” (Du-te!), și un „O” înseamnă „nu apăsați butonul” (NU merge!). „X „în această sarcină este prezentat mult mai frecvent decât” o”, astfel încât participanții se pregătesc automat să răspundă ori de câte ori apare o literă pe ecran—chiar și un” O „participanții trebuie să-și controleze impulsul de a apăsa butonul în cazul unui” o”. când sarcina se termină, cercetătorii examinează EEG înregistrat în timpul prezentărilor X și O pe ecran. Puteți ghici ce scrisoare sunt cei mai interesați?

cercetătorii sunt cei mai interesați de răspunsul EEG la „O”, deoarece acesta este momentul în care participantul trebuie să controleze impulsul de a apăsa butonul. Pentru a examina răspunsul creierului la „O”, cercetătorul izolează răspunsul EEG la fiecare prezentare a unui „O” și mediază toate aceste răspunsuri împreună. Răspunsul EEG mediu la acest eveniment specific este ERP și reflectă încercarea creierului de a controla un impuls. Vă puteți gândi la procesul de calcul al ERP ca o sită, filtrând bucăți din semnalul EEG care nu prezintă interes, lăsând doar semnalele de care cercetătorii sunt cei mai interesați.

limitările experimentelor de laborator

oamenii de știință au învățat multe despre modul în care funcționează creierul făcând experimente EEG și ERP în laboratoare. Când facem astfel de experimente, măsurăm de obicei activitatea creierului atunci când oamenii îndeplinesc sarcini computerizate. Astfel de sarcini sunt concepute pentru a măsura o anumită funcție a creierului, de exemplu citirea cuvintelor, efectuarea aritmeticii sau controlul impulsurilor. De obicei, astfel de sarcini de laborator sunt destul de diferite de lucrurile pe care le facem în viața noastră de zi cu zi.

de exemplu, gândiți-vă la sarcina cu frecvențele „X”și rarele „O”folosite pentru a studia controlul impulsurilor. Este același lucru cu controlul impulsurilor dvs. de a vă deplasa sau de a discuta cu un alt elev în timp ce profesorul dvs. dă instrucțiuni? În laboratorul EEG, ați sta singur, într-o cameră liniștită, făcând o sarcină precum apăsarea butoanelor și, ocazional, încercând să nu apăsați un buton. Acest experiment de laborator ne poate spune câteva lucruri despre modul în care creierul controlează impulsurile, dar ce spune despre modul în care copiii se descurcă cu impulsurile lor la școală? Aceasta este o limitare a experimentelor de laborator: ele măsoară activitatea creierului în situații destul de nenaturale .

utilizarea EEG portabil în clasă

Un alt aspect al comportamentului uman care este dificil de studiat într-un laborator este modul în care oamenii interacționează între ei, de exemplu, modul în care elevii interacționează între ei în școală. Experimentele de laborator sunt extrem de limitate în a răspunde la această întrebare, dar evoluțiile recente ale EEG portabile permit acum oamenilor de știință să efectueze cercetări cerebrale în afara laboratorului.

exact asta a făcut recent o echipă de cercetători de la Universitatea din New York . Ei au colaborat cu un liceu local și au măsurat activitatea creierului unui profesor și a unui grup de elevi în timpul a 11 lecții de biologie (figura 3a). În fiecare lecție, elevii au participat la diferite activități de învățare, cum ar fi prelegeri, videoclipuri instructive și discuții de grup. Cercetătorii au descoperit că, în timpul acestor activități în clasă, undele cerebrale ale elevilor erau în sincronizare. Cu alte cuvinte, undele lor cerebrale au urcat și coborât împreună, în sincronizare. Chiar mai interesant, studenții care au raportat că au fost mai implicați în clasă au fost și mai sincronizați cu ceilalți studenți (figura 3b).

dispozitivele EEG portabile sunt interesante, deoarece pot fi utilizate nu doar pentru cercetare, ci și pentru scopuri didactice. În „BrainWaves”, un program de liceu de Neuroștiințe care a fost dezvoltat la Universitatea din New York, studenții folosesc EEG pentru a afla despre propriile creiere și despre modul în care funcționează neuroștiința. Elevii lucrează cu un om de știință pentru a-și dezvolta propriile proiecte de cercetare. De exemplu, ei pot folosi EEG pentru a explora modul în care creierul răspunde la imaginile fețelor celebre și non-celebre sau modul în care ascultarea muzicii ne afectează capacitatea de concentrare.

EEG portabil nu a fost inventat pentru a înlocui cercetarea EEG de laborator. Mai degrabă, completează cercetarea de laborator oferind informații despre procesele creierului în situațiile de zi cu zi. Dar avantajul studierii creierului într-un cadru mai natural vine cu unele compromisuri. Calitatea datelor colectate de EEG portabil nu este la fel de mare ca datele colectate în laborator, deoarece dispozitivele portabile au mult mai puțini electrozi și participanții se mișcă mai mult. De asemenea, mediul din afara laboratorului nu este sub controlul cercetătorului, astfel încât rezultatele experimentale ar putea fi mai dificil de interpretat.

sună ca Science Fiction?

deci, după ce ați citit toate acestea, ce credeți? V-ar interesa să purtați un dispozitiv EEG în sala de clasă sau vi se pare că acest gând este puțin înfricoșător? Ei bine, pentru a vă liniști, până acum EEG portabil oferă doar o măsură generală a activității creierului. EEG cu siguranță nu poate citi mintea ta. Deci, nu trebuie să vă faceți griji că cercetătorii sau profesorul dvs. vă pot citi gândurile dacă ați pus vreodată unul dintre aceste dispozitive EEG la școala dvs. Vrem să vă asigurăm că citirea minții este încă science fiction!

unele companii comerciale care produc și vând dispozitive EEG susțin că EEG poate fi folosit pentru a monitoriza studenții, citind puterea diferitelor unde cerebrale și decodificând acest lucru în „concentrat” sau „distras”.”Nu credem că este o idee foarte bună, din diverse motive. În primul rând, trebuie să facem mult mai multe cercetări înainte de a înțelege suficient despre ce înseamnă semnalele EEG în ceea ce privește funcțiile creierului. În al doilea rând, elevii nu trebuie neapărat să se concentreze tot timpul. Știm că creierul are nevoie și de ceva timp pentru a se odihni, iar rătăcirea minții poate fi de fapt utilă pentru învățare .

concluzie

dispozitivele EEG portabile oferă câteva oportunități deosebite, cum ar fi capacitatea de a studia modul în care funcționează creierul în medii naturale, cum ar fi sălile de clasă. Studiul creierului în situații naturale poate beneficia în special de înțelegerea interacțiunilor sociale, deoarece EEG portabil poate fi utilizat pentru a măsura activitatea creierului mai multor persoane simultan, în timp ce interacționează între ele. Mai mult, EEG portabil poate ajuta, de asemenea, elevii să înțeleagă mai bine cum funcționează creierul. Cu toate acestea, știința avansează în pași mici, așa că să lăsăm citirea minții pentru filmele de science fiction și, între timp, să discutăm dacă vom dori vreodată ca aceasta să fie o realitate .

Glosar

undele cerebrale: cicluri de curenți electrici generate de grupuri de neuroni care sunt activi în același timp.

neuroni: celulele din creier care comunică între ele prin transmiterea semnalelor electrice.

EEG: electroencefalografia, o tehnică în care detectoarele mici, numite electrozi, sunt plasate pe scalpul unei persoane folosind un capac sau un set cu cască. EEG măsoară activitatea electrică a grupurilor de neuroni care transmit semnale electrice similare în același timp.

electrod: un detector plasat la nivelul scalpului, utilizat în EEG pentru a înregistra curenții electrici generați de neuronii din creier.

frecvență: viteza unei unde cerebrale; de câte ori o undă cerebrală urcă și coboară în 1 s. unitatea de frecvență în Hertz (Hz); 1 Hz înseamnă un ciclu pe secundă.

banda de frecvență: o gamă de frecvențe ale undelor cerebrale care este asociată cu o anumită stare mentală. De exemplu, frecvențele în intervalul 1-4 Hz se numesc banda delta, care este asociată cu somnul profund.

ERP: potențial legat de evenimente, măsurat folosind EEG. ERP-urile sunt răspunsurile electrice ale creierului la evenimente specifice, cum ar fi auzul unui sunet sau citirea unui cuvânt. În metoda ERP, participanții efectuează o sarcină computerizată în care evenimentul specific de interes este adesea repetat. Părțile semnalului EEG cauzate de aceste evenimente sunt mediate împreună. Această medie face ca activitatea cerebrală aleatorie să fie mediată și partea relevantă a EEG să rămână; acesta este ERP.

Synchrony: când undele cerebrale merg în sus și în jos împreună. Acest lucru poate fi fie într-un singur creier (de exemplu, undele cerebrale din diferite părți ale creierului), fie între creier. Acest din urmă exemplu se numește sincronie creier-la-creier.

Conflict de interese

autorii declară că cercetarea a fost realizată în absența oricăror relații comerciale sau financiare care ar putea fi interpretate ca un potențial conflict de interese.

mulțumiri

am dori să mulțumim din toată inima celor care au ajutat la traducerea articolelor din această colecție pentru a le face mai accesibile copiilor din afara țărilor vorbitoare de limbă engleză și pentru Fundația Jacobs pentru furnizarea fondurilor necesare traducerii articolelor. NA tradus acest articol în limba olandeză.

ilustrația din Figura 2 a fost retipărită din Dikker și colab. , Drepturi de autor (2017), cu permisiunea Elsevier.dorim să mulțumim membrilor și finanțatorilor grupului emerging Field Portable Brain Technologies in Educational Neuroscience Research, finanțat de Earli și Fundația Jacobs. NA și TJ sunt sprijinite în continuare printr-un Grant de pornire din partea Consiliului European pentru cercetare (#716736).programul BrainWaves a fost dezvoltat cu sprijinul Programului de Parteneriat pentru educație științifică la Institutele Naționale de științe medicale generale din SUA.