har du någonsin hört talas om hjärnvågor och kanske undrat vad de är? I den här artikeln kommer vi att förklara vad hjärnvågor är, hur de kan mätas i laboratoriet och i klassrummet och varför det är intressant att mäta dem.

EEG: Mätning av elektrisk aktivitet i hjärnan

cellerna i din hjärna kallas neuroner, och din hjärna har ungefär 86 miljarder av dem. Dessa neuroner är mycket pratsam, precis som studenter i ett klassrum. Istället för att använda ord kommunicerar neuroner via små elektriska signaler som de genererar. Dessa signaler går upp och ner i intensitet, som liknar vågor: det här är dina hjärnvågor. Vi kan mäta hjärnvågor med hjälp av en teknik som kallas elektroencefalografi (EEG), där små detektorer, kallade elektroder, placeras på en persons huvud . Vanligtvis alla dessa elektroder (upp till 256!) hålls på plats av ett lock, även om bärbara enheter nyligen har utvecklats som använder färre elektroder, i snyggare headset. EEG kan inte mäta den elektriska aktiviteten hos enskilda hjärnceller, eftersom de elektriska strömmarna som någon neuron genererar är för små. Dessa strömmar kan endast mätas när många neuroner sänder liknande elektriska signaler samtidigt. Föreställ dig en musikfestival med tusentals människor. När bara en person klappar kommer bandet på scenen inte att höra det, men när hela publiken klappar samtidigt kommer de säkert att göra det.

hjärnvågor: långsamma och snabba

hjärnvågor varierar i hastighet. Du kan tänka på långsamma hjärnvågor som stora vågor i havet, flytta ett fartyg upp och ner och snabba hjärnvågor som små krusningar på vattenytan. När vi använder EEG får vi en blandning av snabba och långsamma hjärnvågor som händer samtidigt.

så varför är detta intressant? Tänk dig själv tidigt på morgonen, inte riktigt vaken och fortfarande drömmande. Om vi mätte dina hjärnvågor med EEG just nu skulle vi se relativt långsamma hjärnvågor. Tänk dig nu att du är i skolan och tar en tentamen och fokuserar intensivt. I den här situationen kan vi upptäcka snabbare hjärnvågor. Dessa exempel visar att hjärnvågornas hastighet är relaterad till det tillstånd du befinner dig i. Hastigheten på hjärnvågor kallas frekvensen. Vi kan identifiera olika frekvensområden med EEG. Till exempel motsvarar deltaområdet relativt långsamma hjärnvågor som går upp och ner 1-4 gånger på en sekund, eller 1-4 Hertz (Hz), vilket är frekvensenheten. Figur 1 visar en översikt över frekvensområden (även kallade frekvensband) och hur de relaterar till ditt mentala tillstånd.

utöver långsam och snabb: händelserelaterade potentialer

även om EEG-frekvensband är mycket intressanta kan inte alla frågor besvaras genom att undersöka dem. Till exempel, vad händer om du vill veta hur hjärnan förstår orden du hör eller hur den styr impulser, som att inte slå din yngre syster om hon gör dig arg? För sådana frågor analyserar forskare hjärnvågor på ett annat sätt: genom att beräkna händelserelaterad potential eller ERP. ERP är de elektriska hjärnresponserna på specifika händelser, som att läsa ett ord eller kontrollera en impuls. I ERP-metoden undersöks de delar av EEG-signalen som orsakas av dessa specifika händelser. För att använda denna metod registreras EEG medan deltagaren utför en datoriserad uppgift som är speciellt utformad för att studera en viss funktion i hjärnan, till exempel impulskontroll.

här är en beskrivning av en sådan uppgift, kallad en ”Go/No-Go” – uppgift (Figur 2). Olika bokstäver visas på skärmen, en efter en. Ett ” X ”betyder” tryck på knappen ” (Gå!), och ett” O ” betyder ”tryck inte på knappen” (Nej gå!). ”X ”i denna uppgift presenteras mycket oftare än” O”, så deltagarna förbereder sig automatiskt för att svara när ett brev visas på skärmen—även en” O. ”deltagarna måste kontrollera sin impuls för att trycka på knappen i fallet med en” O. ” när uppgiften är över undersöker forskarna EEG som spelats in under presentationerna av X och O på skärmen. Kan du gissa vilket brev de är mest intresserade av?

forskare är mest intresserade av EEG-svaret på ”O”s, eftersom det är när deltagaren behöver styra impulsen för att trycka på knappen. För att undersöka hjärnans svar på”O ”s isolerar forskaren EEG-svaret på varje presentation av ett” O ” och medelvärden alla dessa svar tillsammans. Det genomsnittliga EEG-svaret på denna specifika händelse är ERP, och det återspeglar hjärnans försök att kontrollera en impuls. Du kan tänka på processen att beräkna ERP som en sikt, filtrera bort bitar av EEG-signalen som inte är intressanta, vilket bara lämnar de signaler som forskare är mest intresserade av.

begränsningarna av laboratorieexperiment

forskare har lärt sig mycket om hur hjärnan fungerar genom att göra EEG-och ERP-experiment i laboratorier. När vi gör sådana experiment mäter vi vanligtvis hjärnaktivitet när människor utför datoriserade uppgifter. Sådana uppgifter är utformade för att mäta en viss hjärnfunktion, till exempel läsa ord, göra aritmetik eller kontrollera impulser. Vanligtvis är sådana laboratorieuppgifter helt annorlunda än saker som vi gör i vårt dagliga liv.tänk till exempel på uppgiften med de frekventa ”X”s och sällsynta ”O”S som används för att studera impulskontroll. Är det samma sak som att kontrollera dina impulser för att flytta runt eller chatta med en annan elev medan din lärare ger instruktioner? I EEG-labbet skulle du sitta ensam, i ett tyst rum, göra en uppgift som att trycka på knappar och ibland försöka att inte trycka på en knapp. Detta laboratorieexperiment kan berätta några saker om hur hjärnan kontrollerar impulser, men vad säger det om hur barn hanterar sina impulser i skolan? Detta är en begränsning av laboratorieexperiment: de mäter hjärnaktivitet i ganska onaturliga situationer .

använda bärbar EEG i klassrummet

en annan aspekt av mänskligt beteende som är svårt att studera i ett laboratorium är hur människor interagerar med varandra, till exempel hur eleverna interagerar med varandra i skolan. Laboratorieexperiment är extremt begränsade för att svara på denna fråga, men den senaste utvecklingen inom bärbar EEG tillåter nu forskare att bedriva hjärnforskning utanför laboratoriet.

detta är precis vad ett team av forskare vid New York University gjorde nyligen . De samarbetade med en lokal gymnasium och mätte hjärnaktiviteten hos en lärare och en grupp studenter under 11 biologilektioner (figur 3a). I varje lektion deltog eleverna i olika inlärningsaktiviteter, såsom föreläsningar, instruktionsvideor och gruppdiskussioner. Forskarna fann att under dessa klassrumsaktiviteter var elevernas hjärnvågor synkroniserade. Med andra ord gick deras hjärnvågor upp och ner tillsammans, synkroniserade. Ännu mer intressant var studenter som rapporterade att de var mer engagerade i klassen ännu mer synkroniserade med de andra studenterna (figur 3B).

bärbara EEG-enheter är spännande eftersom de kan användas inte bara för forskning utan också för undervisningsändamål. I” BrainWaves”, ett neuroscience high school-program som utvecklades vid New York University, använder studenter EEG för att lära sig om sina egna hjärnor och om hur neurovetenskap fungerar. Studenter arbetar med en forskare för att utveckla sina egna forskningsprojekt. De kan till exempel använda EEG för att utforska hur hjärnan svarar på bilder av kända och icke-kända ansikten, eller hur lyssnande på musik påverkar vår koncentrationsförmåga.

bärbar EEG uppfanns inte för att ersätta laboratorie EEG-forskning. Snarare kompletterar den laboratorieforskning genom att ge insikter om hjärnprocesser i dagliga situationer. Men fördelen med att studera hjärnan i en mer naturlig miljö kommer med några avvägningar. Kvaliteten på data som samlas in av bärbar EEG är inte lika hög som data som samlas in i laboratoriet, eftersom bärbara enheter har mycket färre elektroder och deltagarna rör sig mer. Dessutom är miljön utanför laboratoriet inte under forskarens kontroll, så de experimentella resultaten kan vara svårare att tolka.

låter det här som Science Fiction?

så, efter att ha läst allt detta, vad tycker du? Skulle du vara intresserad av att bära en EEG-enhet i ditt klassrum, eller tycker du att den här tanken är lite skrämmande? Tja, för att försäkra dig, hittills ger bärbar EEG bara ett allmänt mått på hjärnaktivitet. EEG kan verkligen inte läsa ditt sinne. Så du behöver inte oroa dig för att forskare eller din lärare kan läsa dina tankar om du någonsin sätter på en av dessa EEG-enheter på din skola. Vi vill försäkra dig om att tankeläsning fortfarande är science fiction!

vissa kommersiella företag som tillverkar och säljer EEG-enheter hävdar att EEG kan användas för att övervaka studenter genom att läsa styrkan hos olika hjärnvågor och avkoda detta till ”koncentrerad” eller ”distraherad.”Vi tycker inte att det här är en mycket bra ide, av olika skäl. Först måste vi göra mycket mer forskning innan vi förstår tillräckligt om vad EEG-signalerna betyder när det gäller hjärnfunktioner. För det andra behöver eleverna inte nödvändigtvis koncentrera sig hela tiden. Vi vet att hjärnan också behöver lite tid att vila, och sinnesvandring kan faktiskt vara användbart för lärande .

slutsats

bärbara EEG-enheter erbjuder några stora möjligheter, till exempel förmågan att studera hur hjärnan fungerar i naturliga miljöer, som klassrum. Studie av hjärnan i naturliga situationer kan särskilt gynna vår förståelse av sociala interaktioner, eftersom bärbar EEG kan användas för att mäta hjärnaktiviteten hos flera personer samtidigt, medan de interagerar med varandra. Dessutom kan bärbar EEG också hjälpa eleverna att bättre förstå hur hjärnan fungerar. Vetenskapen går dock framåt i små steg, så låt oss lämna tankeläsning för science fiction-filmer och under tiden diskutera om vi någonsin vill att det ska bli verklighet .

ordlista

hjärnvågor: cykler av elektriska strömmar som genereras av grupper av neuroner som är aktiva samtidigt.

neuroner: cellerna i din hjärna som kommunicerar med varandra genom att sända elektriska signaler.

EEG: elektroencefalografi, en teknik där små detektorer, kallade elektroder, placeras på en persons hårbotten med ett lock eller ett headset. EEG mäter den elektriska aktiviteten hos grupper av neuroner som sänder liknande elektriska signaler samtidigt.

elektrod: en detektor placerad i hårbotten, som används i EEG för att registrera de elektriska strömmarna som genereras av neuroner i hjärnan.

frekvens: hastighet på en hjärnvåg; antal gånger en hjärnvåg går upp och ner i 1 s. frekvensenheten i Hertz (Hz); 1 Hz betyder en cykel per sekund.

frekvensband: ett intervall av hjärnvågfrekvenser som är associerade med ett visst mentalt tillstånd. Till exempel kallas frekvenser i intervallet 1-4 Hz delta-bandet, vilket är förknippat med djup sömn.

ERP: händelserelaterad potential, mätt med EEG. ERP är de elektriska hjärnresponserna på specifika händelser, som att höra ett ljud eller läsa ett ord. I ERP-metoden utför deltagarna en datoriserad uppgift där den specifika händelsen av intresse ofta upprepas. De delar av EEG-signalen som orsakas av dessa händelser är i genomsnitt tillsammans. Detta medelvärde orsakar slumpmässig hjärnaktivitet i genomsnitt och den relevanta delen av EEG förblir; detta är ERP.Synchrony: när hjärnvågor går upp och ner tillsammans. Detta kan antingen vara inom en hjärna (t.ex. hjärnvågor från olika delar av hjärnan) eller mellan hjärnor. Detta senare exempel kallas brain-to-brain synchrony.

intressekonflikt

författarna förklarar att forskningen genomfördes i avsaknad av kommersiella eller finansiella relationer som kan tolkas som en potentiell intressekonflikt.

erkännanden

vi vill helhjärtat tacka dem som hjälpte till med översättningen av artiklarna i denna samling för att göra dem mer tillgängliga för barn utanför engelsktalande länder och för Jacobs Foundation för att tillhandahålla de medel som behövs för att översätta artiklarna. NA översatt den här artikeln till nederländska.

illustrationen i Figur 2 har tryckts om från Dikker et al. , Copyright (2017), med tillstånd från Elsevier.

vi vill tacka medlemmarna och finansiärerna i den framväxande Fältgruppen Portable Brain Technologies i pedagogisk neurovetenskaplig forskning, finansierad av EARLI och Jacobs Foundation. NA och TJ stöds vidare av ett startbidrag från Europeiska forskningsrådet (#716736).

BrainWaves-programmet har utvecklats med stöd från Science Education Partnership program vid US National Institutes of General Medical Sciences.