האם אי פעם שמעתם על גלי מוח, ואולי תהיתם מה הם? במאמר זה נסביר מהם גלי מוח, כיצד אפשר למדוד אותם במעבדה ובכיתה, ומדוע מעניין למדוד אותם.

אלקטרואנצפלוגרפיה: מדידת פעילות חשמלית במוח

התאים במוחכם נקראים תאי עָצָב (נוירונים), ומוחכם מכיל 86 מיליארד מהם בקירוב. תאי העצב האלה פטפטנים מאוד, ממש כמו תלמידים בכיתה. במקום להשתמש במילים, תאי עצב מְתַקְשְׁרִים באמצעות אותות חשמליים זעירים שהם מייצרים. האותות האלה עולים ויורדים באינטנסיביות שלהם, בדומה לגלים: אלה גלי המוח שלכם. אנו יכולים למדוד גלי מוח באמצעות שיטה שידועה כאלקטרואנצפלוגרפיה (EEG), שבה חיישנים קטנים, שנקראים אלקטרודות, ממוקמים על ראשו של האדם [1]. בדרך כלל, כל האלקטרודות האלה (עד ל-256)! מוחזקות במקום על ידי כיסוי לראש, אף על פי שלאחרונה פותחו מכשירים ניידים שמשתמשים בפחות אלקטרודות ומגיעים בצורת אוזניות יוקרתיות. אלקטרואנצפלוגרפיה לא יכולה למדוד פעילות חשמלית של תאים בודדים במוח מאחר שהזרמים החשמליים שתא עצב אחד מייצר קטנים מדי. הזרמים האלה יכולים להימדד רק כשהרבה תאי עצב מעבירים אותות דומים באותו הזמן. דמיינו פסטיבל מוזיקלי עם אלפי אנשים. כאשר רק אדם אחד מוחא כפיים הלהקה שעל הבמה לא תשמע אותו, אולם כשכל הקהל מוחא כפיים באותו הזמן, היא ודאי תשמע.

גלי מוח: איטיים ומהירים

גלי מוח שונים במהירותם. אתם יכולים לחשוב על גלי מוח איטיים כמו גלים גדולים באוקיינוס, שמזיזים ספינה למעלה ולמטה, ועל גלי מוח מהירים כאדוות קטנות על פני השטח של המים. כאשר אנו משתמשים באלקטרואנצפלוגרפיה אנו מקבלים שילוב של גלי מוח מהירים ואיטיים שמתקיימים באותו הזמן.

אם כן, מדוע זה מעניין? דמיינו שעכשיו מוקדם בבוקר, ואתם חצי ערים וחצי ישנים. אם היינו מודדים את גלי המוח שלכם באמצעות אלקטרואנצפלוגרפיה באותו הרגע, היינו רואים גלי מוח איטיים יחסית. כעת, דמיינו שאתם נבחנים בבית הספר, ומתמקדים במבחן באופן אינטנסיבי. בסיטואציה הזו, אנו עשויים לְאַתֵּר גלי מוח מהירים יותר. הדוגמאות האלה מראות שמהירות גלי המוח קשורה למצב שבו אתם נמצאים. מהירות גלי המוח נקראת תֶּדֶר. אנו יכולים לזהות טווחי תדרים שונים באמצעות אלקטרואנצפלוגרפיה. לדוגמה, טווח דלתא מתייחס לגלי מוח איטיים יחסית שעולים ויורדים 4-1 פעמים בשנייה, או בתדר של 4-1 הֶרְץ, שהיא יחידה של תדר. איור 1 מציג מבט כללי על טווחי תדרים (נקראים גם תחום תדרים), וכיצד הם מקושרים למצב המנטלי שלכם.

מַעֲבָר ללאט ולמהר: פוטנציאלים קשורי-אירוע

אף על פי שתחומי תדר של אלקטרואנצפלוגרפיההם מעניינים מאוד, לא על כל השאלות אפשר לענות על ידי בחינתם. לדוגמה, מה אם הייתם רוצים לדעת כיצד המוח מבין את המילים שאתם שומעים, או כיצד הוא שולט בדחפים כמו למשל לא להרביץ לאחותכם אם היא משגעת אתכם? עבור שאלות כאלה, חוקרים מנתחים גלי מוח בדרך אחרת: על ידי חישוב פוטנציאל קשור-אירוע (ERP). פוטנציאלים קשורי אירוע הם תגובות מוחיות חשמליות לאירועים מסוימים, כמו למשל קריאה של מילה או שליטה בדחף. בשיטת פוטנציאל קשור-אירוע, נבחנים חלקי אות האלקטרואנצפלוגרפיה שנגרמים על ידי האירועים המסוימים האלה. כדי להשתמש בשיטה הזו, אלקטרואנצפלוגרפיה נרשמת בזמן שהמשתתף מבצע מטלה ממוחשבת שעוצבה במיוחד כדי לחקור תפקוד מסוים של המוח, כמו למשל שליטה בדחפים.

הנה תיאור של מטלת שכזו, הנקראת “Go/No-Go” (איור 2). אותיות שונות מופיעות על המסך, אחת אחרי השנייה. “X” משמעותו תלחצו על הכפתור (Go!), ו-”O“ משמעותו אל תלחצו על הכפתור (No Go!). ה-”X“ במטלה הזו מוצג לעיתים הרבה יותר קרובות מה-”O“, ולכן משתתפים באופן אוטומטי מתכוננים להגיב מתי שאות מופיעה על המסך – אפילו כשהיא ”O“. המשתתפים צריכים לשלוט בדחף שלהם ללחוץ על הכפתור במקרה של ”O“. כאשר המטלה מסתיימת החוקרים בוחנים את רישומי האלקטרואנצפלוגרפיה במהלך הופעות ה-X-ים וה-O-ים על המסך. האם אתם יכולים לנחש באלו אותיות הם הכי מתעניינים?

חוקרים הכי מתעניינים בתגובת אלקטרואנצפלוגרפיה ל-”O“, מאחר שזה הזמן שבו המשתתפים צריכים לשלוט בדחף שלהם ללחוץ על הכפתור. כדי לבחון את תגובת המוח ל-”O“-ים, החוקר מבודד את תגובת האלקטרואנצפלוגרפיהלכל הופעה של ”O“ וּמְמַצֵּעַ את כל התגובות האלה יחד. הממוצע של תגובת האלקטרואנצפלוגרפיהלאירוע המסוים הזה היא הפוטנציאל קשור-אירוע,והוא משקף את נסיונו של המוח לשלוט בדחף. אתם יכולים לחשוב על התהליך של חישוב הפוטנציאל קשור-אירוע כמסננת שמסננת פיסות של אותות אלקטרואנצפלוגרפיה שאינן מעניינות, ומשאירה רק את האותות שהחוקרים הכי מתעניינים בהם.

המגבלות של ניסויי מעבדה

מדענים למדו הרבה מאוד על האופן שבו המוח פועל באמצעות ביצוע אלקטרואנצפלוגרפיה וניסויי פוטנציאל קשור-אירוע במעבדות. כשאנו עושים ניסויים כאלה אנו בדרך כלל מודדים פעילות מוחית בזמן שאנשים מבצעים מטלות ממוחשבות. מטלות כאלה מעוצבות במטרה למדוד תפקוד מוחי מסוים, כמו למשל קריאת מילים, ביצוע אריתמטיקה, או שליטה בדחפים. בדרך כלל, מטלות מעבדה כאלה די שונות מדברים שאנו עושים בחיי היומיום שלנו.

לדוגמה, חשבו על המטלה עם ”X“-ים שכיחים ו”O“-ים נדירים שמשמשת לחקור שליטה בדחפים. האם זה אותו הדבר כמו שליטה בדחפים שלכם כדי לזוז בחלל או לדבר עם תלמיד אחר בזמן שהמורים שלכם מדבּרים? במעבדת אלקטרואנצפלוגרפיה, הייתם יושבים לבד, בחדר שקט, מבצעים מטלה כמו לחיצה על כפתורים ומדי פעם מנסים שלא ללחוץ על כפתור. ניסוי המעבדה הזה יכול להגיד לנו דברים מסוימים על האופן שבו המוח שולט בדחפים, אולם מה זה אומר לנו על האופן שבו ילדים מתמודדים עם דחפים בבית הספר? זוהי מגבלה של ניסויי מעבדה: הם מודדים פעילות מוחית במצבים די לא טבעיים [2].

שימוש באלקטרואנצפלוגרפיה נייד בכיתה

היבט אחר של התנהגות אנושית שקשה לחקור במעבדה הוא האופן שבו אנשים מְתַקְשְׁרִים זה עם זה, לדוגמה, האופן שבו תלמידים מתקשרים בבית הספר. ניסויי מעבדות מוגבלים ביותר במענה על השאלה הזו, אולם פיתוחים חדשים באלקטרואנצפלוגרפיה נייד מאפשרים למדענים לערוך מחקרי מוח מחוץ למעבדה.

זה בדיוק מה שקבוצת חוקרים באוניברסיטת ניו-יורק עשו לאחרונה [3]. הם חברו לבית ספר תיכון מקומי ומדדו את הפעילות המוחית של מורה ושל קבוצת תלמידים במהלך 11 שיעורי ביולוגיה (איור 3A). בכל שיעור, התלמידים השתתפו בפעילויות למידה שונות, כמו למשל הרצאות, קטעי וידיאו לימודיים ודיונים קבוצתיים. החוקרים מצאו שבמהלך פעילויות הכיתה האלה, גלי המוח של תלמידים היו מסונכרנים. במילים אחרות, גלי המוח עלו וירדו יחד, בתיאום. אפילו מעניין יותר מכך, תלמידים שדיווחו על היותם מעורבים יותר בכיתה, היו מסונכרנים יותר עם תלמידים אחרים (איור 3B).

מכשירי אלקטרואנצפלוגרפיה ניידים הם מרגשים מאחר שהם יכולים לשמש לא רק עבור מחקר אלא גם למטרות הוראה. ב-”BrainWaves“, תוכנית תיכון במדעי המוח שפותחה באוניברסיטת ניו-יורק, תלמידים משתמשיםבאלקטרואנצפלוגרפיה כדי ללמוד על המוחות שלהם ועל האופן שבו מדעי המוח פועלים. התלמידים עובדים עם מדעניםכדי לפתח את פרויקטי המחקר שלהם. לדוגמה, הם משתמשים באלקטרואנצפלוגרפיה כדי לחקור את האופן שבו המוח מגיב לתמונות של פרצופים מפורסמים ולא מפורסמים, או כיצד הקשבה למוזיקה משפיעה על היכולת שלנו להתרכז.

אלקטרואנצפלוגרפיה נייד לא הומצא כדי להחליף מחקרי אלקטרואנצפלוגרפיה במעבדה. למעשה, הוא משלים את המחקר במעבדה על ידי מתן תובנות על תהליכים מוחיים במצבים בחיי היומיום. אולם היתרון של חקירת המוח בסביבה טבעית יותר מגיע עם חסרונות. איכות הנתונים שנאספים באמצעות אלקטרואנצפלוגרפיה נייד אינה גבוהה כמו הנתונים שנאספים במעבדה מאחר שלמכשירים ניידים יש הרבה פחות אלקטרודות והמשתתפים זזים יותר. נוסף על כך הסביבה שמחוץ למעבדה לא נמצאת בשליטה של החוקרים, ולכן תוצאות הניסויים עשוית להיות קשות יותר לפירוש.

האם זה נשמע כמו מדע בדיוני?

אם כן, אחרי שקראתם את כל זה, מה אתם חושבים? האם הייתם מתעניינים בחבישת מכשיר אלקטרואנצפלוגרפיה בכיתתכם, או האם זה קצת מפחיד אתכם? בשביל להרגיע אתכם, עד כה אלקטרואנצפלוגרפיה נייד מספק רק מדד כללי של פעילות המוח. אלקטרואנצפלוגרפיה בהחלט לא יכול לקרוא את מחשבותיכם. לכן, אינכם צריכים לדאוג שחוקרים או שהמורים שלכם יוכלו לקרוא את מחשבותיכם, אם אי פעם תחבשו את אחד ממכשירי האלקטרואנצפלוגרפיה האלה בבית הספר. אנו רוצים להרגיע אתכם שקריאת מחשבות היא עדיין מדע בדיוני!

חלק מהחברות התעשייתיות שמייצרות מכשירי אלקטרואנצפלוגרפיה ומוכרות אותם טוענות שאלקטרואנצפלוגרפיה יכול לשמש כדי לנטר תלמידים על ידי קריאת העוצמה של גלי מוח שונים ופענוחם למצב של ”מרוכז“ או ”מוּסח“. איננו חושבים שזה רעיון טוב, מכמה סיבות. ראשית, אנו צריכים לעשות הרבה יותר מחקר לפני שנבין מספיק מה המשמעות של אותו אות אלקטרואנצפלוגרפיה במונחים של תפקודים מוחיים. שנית, תלמידים לא בהכרח צריכים להתרכז כל הזמן. אנו יודעים שהמוח צריך גם זמן מנוחה, ושחלימה בהקיץ יכולה למעשה להיות מועילה ללמידה [4].

מסקנות

מכשירי אלקטרואנצפלוגרפיה ניידים מציעים הזדמנויות נהדרות, כמו למשל היכולת לחקור כיצד המוח פועל בסביבות טבעיות, כמו כיתות. חֵקֶר המוח בסביבות טבעיות יכול לתרום במיוחד להבנה של אינטראקציות חברתיות מאחר שאלקטרואנצפלוגרפיהנייד יכול לשמש למדידת הפעילות המוחית של כמה אנשים במקביל, בזמן שהם מְתַקְשְׁרִים זה עם זה. יתרה מזו אלקטרואנצפלוגרפיהנייד יכול גם לסייע לתלמידים להבין טוב יותר כיצד המוח פועל. אולם המדע מתקדם בצעדים קטנים, אז בואו נשאיר את קריאת המחשבות לסרטי מדע בדיוני, ובינתיים נדון בשאלה אם אנו רוצים שזה אי פעם יהפוך למציאות [5].

מילון מונחים

גלי מוח (Brain Waves): ↑ מעגלים של זרמים חשמליים שמיוצרים על ידי קבוצות של תאי עצב שהן פעילות באותו הזמן.

תאי עצב (Neurons): ↑ תאים במוחכם שמְתַקְשְׁרִים זה עם זה באמצעות העברת אותות חשמליים.

אלקטרואנצפלוגרפיה (EEG): ↑ שיטה שבה חיישנים קטנים, שנקראים אלקטרודות, ממוקמים על קרקפתו של אדם באמצעות קסדה או אוזניות. אלקטרואנצפלוגרפיה מודדת פעילות חשמלית של קבוצות תאי עצב שמעבירות אותות חשמליים דומים באותו הזמן.

אלקטרודה (Electrode): ↑ חיישן שממוקם על הקרקפת, ומשמש באלקטרואנצפלוגרפיה כדי לרשום את הזרמים החשמליים שמיוצרים על ידי תאי עצב במוח.

תדר (Frequency): ↑ מהירות של גל מוח; מספר הפעמים שגל מוח עולה ויורד בשנייה אחת. יחידת התדר היא הֶרְץ (Hz); הרץ אחד הוא מחזור אחד בשנייה.

תחום תדרים (Frequency Band): ↑ טווח של תדרים מוחיים שמקושרים עם מצבים מנטליים מסוימים. לדוגמה, תדרים בטווח של 4-1 הרץ נקראים תחום דלתא, ותחום זה מקושר עם שינה עמוקה.

פוטנציאל קשור-אירוע (ERP): ↑ נמדד באמצעות אלקטרואנצפלוגרפיה. פוטנציאלים קשורי אירוע הם התגובות החשמליות במוח לאירועים מסוימים, כמו למשל שמיעת צליל או קריאת מילה. בשיטת הפוטנציאל קשור-אירוע, משתתפים מבצעים מטלה ממוחשבת שבה האירוע המעניין המסוים לעיתים קרובות חוזר על עצמו. חלקי אות האלקטרואנצפלוגרפיה שנגרם על ידי האירועים האלה ממוצעים יחד. המיצוע הזה גורם לפעילות מוחית אקראית להיות ממוצעת החוצה, ולחלקים הרלוונטיים של האלקטרואנצפלוגרפיה להישאר; זהו הפוטנציאל קשור-אירוע.

סנכרון (Synchrony): ↑ כשגלי המוח עולים למעלה ולמטה יחד. זה יכול להיות בתוך מוח אחד (כלומר, גלי מוח מאזורים שונים באותו המוח), או בין מוחות. הדוגמה השנייה נקראת סנכרון בין מוח למוח (brain-to-brain synchrony).

הצהרת ניגוד אינטרסים

המחברים מצהירים כי המחקר נערך בהעדר כל קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.

תודות

אנו רוצים להודות מעומק הלב לאלה שסייעו בתרגום המאמרים באוסף זה כדי לעשותם נגישים יותר עבור ילדים מחוץ למדינות דוברות אנגלית, ולקרן ג’ייקובס על סיפוק הכספים הנדרשים לתרגום המאמרים. NA תרגמה את המאמר הזה להולנדית.

האילוסטרציה של איור 2 הודפסה מ-Dikker et al. ואחרים [3], זכויות יוצרים (2017), עם אישור מאלסבייר.

אנו רוצים להודות לחברים ולמממנים של Emerging Field Group Portable Brain Technologies in Educational Neuroscience Research, שמומנו על ידי EARLI וקרן ג’ייקובס. NA ו-TJ נתמכים גם על ידי Starting Grant ממועצת המחקר האירופית (#716736).

תוכנית BrainWaves פותחה עם תמיכה של תוכנית Science Education Partnership program במכון האמריקאי הלאומי למדעי הרפואה הכלליים.