• Fernando Giannini

Sincronia entre cérebros rastreia interações de grupos dinâmicos do mundo real na sala de aula

O cérebro humano evoluiu para a vida em grupo [1] No entanto, sabemos tão pouco sobre como ele suporta interações de grupo e dinâmicas que o estudo das trocas sociais do mundo real foi apelidado de "matéria escura da neurociência social" [2]. Recentemente, vários estudos começaram a abordar esta questão comparando as respostas do cérebro de vários indivíduos durante uma variedade de tarefas (seminaturalísticas) [3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12,13, 14, 15].


Esses experimentos revelam como as propriedades do estímulo [13], diferenças individuais [14], e fatores contextuais [15] podem sustentar semelhanças e diferenças na atividade neural entre as pessoas. No entanto, a maioria dos estudos até o momento sofre de várias limitações: muitas vezes não têm interação direta face a face entre os participantes, são normalmente limitados, não investigam a dinâmica social ao longo do tempo e, crucialmente, raramente estudam o comportamento social em circunstâncias naturalísticas.


Aqui, estendemos essa experimentação drasticamente, além das paredes do laboratório, para identificar marcadores neurais do envolvimento do grupo durante as interações de dinâmicas de grupo no mundo real. Usamos o eletroencefalograma portátil (EEG) para registrar simultaneamente a atividade cerebral de uma classe de 12 estudantes do ensino médio ao longo de um semestre (11 aulas), durante as atividades regulares em sala de aula (Figuras 1 A-1C;Procedimentos Experimentais Suplementares , seção S1).


Uma nova técnica de análise para avaliar a coerência neural baseada em grupo demonstra que a extensão em que a atividade cerebral é sincronizada entre os estudantes prevê o envolvimento do estudante na classe e a dinâmica social. Isso sugere que a sincronia cérebro a cérebro é um possível marcador neural para interações sociais dinâmicas, provavelmente impulsionadas por mecanismos de atenção compartilhados.


Este estudo valida um novo método promissor para investigar a neurociência das interações de grupo em ambientes ecologicamente naturais.


Resultados e discussão


A sala de aula é um ponto de partida ideal para a neurociência do mundo real: ela fornece um contexto importante e ecologicamente naturalista, mas também um ambiente semi-controlado, governado por uma sequência de atividades conduzidas por um professor. Isso nos permitiu medir a atividade cerebral e o comportamento de uma forma sistemática ao longo de um semestre inteiro, à medida que os estudantes se engajavam em uma série de atividades de aula predeterminadas (repetidas em 11 aulas de 50 minutos, os estudantes acompanhavam as aulas, assistiam a vídeos instrucional e participavam de discussões em grupo).


Exploramos a hipótese de que a atividade neural sincronizada em um grupo de alunos prevê (e possivelmente sustenta) o envolvimento em sala de aula e a dinâmica social. Quando os estudantes se sentem conectados, envolvidos com o material ou uns com os outros, seus cérebros estão de fato "em sincronia" formalmente, sentido quantificável?


Para investigar essas questões, usamos sistemas de eletroencefalograma portátil (EEG) de baixo custo ([16]; Procedimentos Experimentais Suplementares , seção S2) emparelhados com uma nova técnica de análise para caracterizar a sincronização da atividade cerebral entre os indivíduos: Interdependência Total (TI; [17]; Procedimentos Experimentais Suplementares , seção S3). As Figuras 1 C e 1D mostram como a Interdependência Total é operacionalizado.


Como funcionou o experimento


A) Linha do tempo do experimento. O semestre de outono começou com um curso intensivo em neurociência, seguido por 11 dias de gravação distribuídos ao longo de um período de 3 meses. No semestre da primavera, os alunos projetaram, executaram e realizaram seus próprios projetos de pesquisa originais (ver Procedimentos Experimentais Suplementares , seção S1).

(B) Amostra de procedimento experimental de um dia típico de gravação: a atividade EEG foi gravada durante os estilos de ensino de vídeo, palestra e discussão separadamente, que foram realizados de forma consistente em todos os 11 dias de gravação. Outras tarefas foram alternadas ( Procedimentos Experimentais Suplementares , seção S1). Os valores de TI foram calculados para cada estilo de ensino separadamente (marcados em vermelho; Procedimentos Experimentais Suplementares , seção S3).

(C) Ilustração da configuração experimental na sala de aula com 12 alunos usando o fone de ouvido EMOTIV EPOC ( Procedimentos Experimentais Suplementares , seção S2). Esses dispositivos portáteis oferecem uma rica oportunidade de envolver os alunos como participantes e como experimentadores ( Procedimentos Experimentais Suplementares , seção S1).

(D) A sincronia cérebro-cérebro (TI) foi calculada tomando o sinal de EEG bruto de cada aluno, decompondo-o em caixas de frequência (1–20 Hz, resolução de 0,25 Hz) e calculando a soma da coerência inter-cerebral entre os pares de alunos para cada compartimento. Assim, TI quantifica a coerência inter-cerebral em todo o espectro de frequência, permitindo uma identificação orientada por dados dos sinais cerebrais de interesse (consulte a Figura S3 para obter mais detalhes).


(E) A Interdependência Total nos permite analisar a sincronia cérebro a cérebro em vários níveis de investigação socialmente relevantes: sincronia de grupo (valores médios de TI em todos os pares possíveis dentro de um grupo) (i); sincronia aluno-grupo (valores médios de TI entre um determinado aluno e cada um de seus colegas) (ii); e sincronia aluno-aluno (valores de TI entre pares de alunos) (iii).


Nós nos concentramos na relação entre a Interdependência Total e o envolvimento em sala de aula por um lado, e a dinâmica social, por outro - ambas críticas para a aprendizagem dos estudantes [18]. O envolvimento da sala de aula foi quantificado como avaliações de apreciação dos estudantes de diferentes estilos de ensino/aprendizagem (Figura 1 B) e foco do estudante no dia a dia auto-relatado. A dinâmica social da sala de aula foi quantificada em termos de traços de personalidade socialmente relevantes (afinidade de grupo [19, 20] e empatia [21]) e como proximidade social durante as interações de classe (entre estudantes e com o professor; consulte Procedimentos Experimentais Suplementares , seção S1 para detalhes).


Sincronia Cérebro a Cérebro e Engajamento da Classe


Examinamos primeiro a relação entre a sincronia cérebro a cérebro (indexada por Interdependência Total) e as avaliações dos estudantes de quatro estilos de ensino/aprendizagem diferentes ao longo do tempo. Os estudantes classificaram cada segmento após cada gravação e também foram solicitados a fornecer avaliações gerais de cada estilo de ensino/aprendizagem após o semestre ter terminado ( Figuras 1 A e 1B; Procedimentos Experimentais Suplementares , seção S1).


Efeitos principais significativos do estilo de ensino foram observados em ambas as avaliações dos estudantes, no geral, os estudantes preferiram assistir os vídeos e se envolver em discussões em grupo a ouvir o professor lendo em voz alta ou fazendo palestras (Figura 2A, painel esquerdo), um efeito que foi ainda mais pronunciado nas avaliações pós-semestre ( Figura 2 A, painel direito) . Um padrão surpreendentemente semelhante foi observado para a sincronia de grupo ( Figura 2 B, à esquerda), bem como a sincronia do estudante com o grupo ( Figura 2 B, à direita; consulte a Tabela S2para estatísticas detalhadas).


Analisando o gráfico

(A) Média diária (esquerda) e pós-semestre (direita) avaliações de apreciação dos estudantes para quatro estilos de ensino: leitura em voz alta, vídeo, palestra e sessões de discussão. As barras de erro refletem os erros padrão dos estudantes.

(B) Interdependência Total média do grupo (esquerda) e TI estudante-para-grupo (direita) para quatro estilos de ensino. As barras de erro refletem os erros padrão ao longo dos dias (esquerda) e dos alunos (direita).

(C) As avaliações pós-semestre, embora exibam um efeito principal na sincronia aluno-grupo, não previram independentemente o TI aluno-grupo em relação ao estilo de ensino.


(D – F) O foco do estudante (D), a afinidade do grupo (E) e a empatia (F) previram cada um a Interdependência Total estudante para o grupo, além do estilo de ensino.


As linhas de tendência são exibidas por estilo de recurso de aprendizagem (azul: discussão e vídeo; amarelo: leitura em voz alta e palestra). Todos os valores foram normalizados para uma escala de 0-1 (máx-mín) para fins de apresentação, e cada ponto reflete o TI de um estudante em um dos quatro estilos de recursos de aprendizagem calculados em dias (consulte a Figura S4 para dados separados por dias).

Veja também as Figuras S2 , S3 e S4 e as Tabelas S1S2 .

Figura 2 Contribuições independentes do estilo de ensino e diferenças individuais para a sincronização cérebro-a-cérebro


A sincronia estudante-grupo exibiu uma forte correlação positiva com as avaliações dos estudantes: quanto mais altas as avaliações dos estudantes pós-semestre, mais forte a sincronia estudante-grupo em média ao longo dos dias (r = 0,61, p <0,0001; Figura 2 C; A Figura 2 A, à direita, mostra os mesmos dados, separados por condição e em média entre os assuntos). As avaliações do dia a dia e a sincronia do grupo não foram correlacionadas.


Sincronia Cérebro a Cérebro e Dinâmica Social de Sala de Aula


Nossas descobertas sugerem que a sincronia cérebro a cérebro é impulsionada por uma combinação de propriedades de estímulo (recursos de aprendizagem) e diferenças individuais (foco do estudante, preferências dos recursos de aprendizagem, simpatia do professor e traços de personalidade).

No entanto, nenhum desses fatores fala diretamente se a presença de outras pessoas teve um efeito na sincronia durante a aula. Por exemplo, a disposição empática afeta as semelhanças cérebro a cérebro, mesmo na ausência de outros [14].


Para abordar a dinâmica social da sala de aula diretamente, coletamos classificações de proximidade social dos estudantes em relação ao professor e aos outros estudantes ( Procedimentos Experimentais Suplementares , seção S1) e introduzimos manipulações que envolviam ou não interação social direta. Para investigar o efeito do professor na sincronia estudante-grupo, comparamos os dois recursos de aprendizagem nos quais o professor estava minimamente envolvido (vídeos) e maximamente envolvido (palestras).


A Figura 2 D ilustra que, embora os estudantes variem em relação à sua sincronia geral de estudante para grupo, a sincronia foi consistentemente mais alta para vídeo do que para sessões de aula entre os estudantes (p = 0,007; consulte a Tabela S1) Essa diferença foi correlacionada com as avaliações dos estudantes sobre o professor: quanto mais favorável a avaliação do professor pelo estudante, menor a diferença de sincronia desse estudante entre o vídeo (onde o professor não desempenhava nenhum papel) e as sessões de aula (onde o professor desempenhava um papel integral ; Figura 2 E; r = 0,72, p = 0,018 para dados em média ao longo dos dias).


Em seguida, testamos se a sincronia do estudante para estudante variava em função da configuração da sala de aula (em cada classe, os estudantes eram distribuídos aleatoriamente aos assentos pelos experimentadores; consulte Procedimentos Experimentais Suplementares , seção S1) e interação do estudante: conforme ilustrado nas Figuras 1 B e 3 C, os estudantes mantêm contato visual (face a face) com um colega designado por 2 minutos antes da aula (ver Procedimentos Experimentais Suplementares, seção S1 para detalhes).


Isso nos permitiu comparar a relação entre a sincronia de pares e a proximidade auto-relatada dos estudantes entre si por três tipos de pares de estudantes: estudantes que se sentaram lado, lado e se envolveram em contato visual silencioso antes da aula e alunos que se sentaram lado a lado, mas não participaram de uma linha de base face a face, e alunos que não estavam sentados lado a lado (não adjacente; ilustrado na Figura 3 D).


Os estudantes mostraram a maior sincronia de pares durante a aula com seu parceiro cara a cara em comparação com os outros dois pares de estudantes. Além disso, a sincronia cérebro-cérebro foi correlacionada com as avaliações de proximidade mútua dos alunos, mas exclusivamente para pares adjacentes + face a face: pares de alunos que relataram maior proximidade social entre si exibiram uma sincronia pareada cérebro-cérebro mais forte durante atividades de classe, apenas se eles tiveram contato visual antes da aula, pontos verdes sólidos e linha sólida na Figura 3F; observe que houve apenas um efeito principal marginal da condição sobre o TI.


Em suma, a interação face a face antes da aula não apenas aumentou a sincronia cérebro a cérebro durante a aula, mas também pareceu servir como um "ativador" para recursos de relacionamento interpessoal: atenção conjunta real, e não copresença passiva, prevista sincronia estudante-estudante.


Analisando o gráfico

(A e B) A diferença no TI estudante-para-grupo entre as sessões de vídeo e palestra entre os alunos (A) (as barras de erro refletem os erros padrão ao longo dos dias) foi negativamente correlacionado com suas avaliações do professor (B), cada ponto representa um aluno; os valores de TI são calculados ao longo dos dias; a simpatia do professor foi registrada uma vez para cada aluno, após o término do semestre).


(C) Antes da aula, os alunos sentaram-se face a face, mantendo contato visual por 2 min com um colega ( Procedimentos Experimentais Suplementares , seção S1).


(D) Uma ilustração para um estudante (círculo verde) de como a linha de base face a face permitiu uma comparação de TI pareada para três tipos de alunos: alunos que se sentaram lado a lado e se envolveram em contato visual silencioso antes da aula (adjacente + face a face), alunos que se sentaram lado a lado, mas não participaram de uma linha de base face a face juntos (adjacente, sem face a face), e alunos que não estavam sentados lado a lado outro (não adjacente).


(E) Os alunos mostraram a maior sincronia de pares durante a aula com seu parceiro face a face em comparação com os outros dois pares de alunos (as barras de erro refletem os erros padrão sobre os pares de alunos).


(F) O TI pareado está correlacionado com classificações de proximidade mútua para pares adjacentes + face a face (verde escuro sólido), mas não para pares adjacentes, sem pares face a face (verde claro sólido) ou pares não adjacentes (sem preencher verde). Cada ponto representa um par de alunos, com a média dos estilos de ensino. Todos os valores foram normalizados para uma escala de 0-1 (máx-mín) para fins de apresentação.



Atenção compartilhada como uma fonte provável de sincronia cérebro a cérebro


É importante enfatizar que a sincronia cérebro a cérebro não é um mecanismo em si. Em vez disso, a sincronia neural entre os participantes é um reflexo mensurável das computações neurais subjacentes que sustentam alguns dos processos psicológicos sob investigação.


Para entender melhor os efeitos de sincronização que observamos, construções mentais como foco, empatia e proximidade precisam ser decompostas em processos psicológicos básicos que fornecem hipóteses de ligação mais adequadas às métricas neurais. Como já discutido brevemente acima, a descoberta de que a sincronia aluno para aluno está correlacionada com avaliações de proximidade mútua durante a aula - mas apenas para pares de alunos que se envolveram em contato visual antes da aula - alinha-se com a pesquisa que sugere que o contato visual estabelece um contexto para atenção conjunta

[22].


A atenção conjunta (intencionalidade compartilhada) foi proposta para formar um andaime para a cognição social em uma variedade de contextos psicossociais, incluindo o desenvolvimento [21, 23], e fornece uma explicação plausível para descobertas anteriores mostrando um aumento na sincronia cérebro a cérebro durante as tarefas de laboratório que exigiam díades para coordenar a atenção visual (por exemplo, [3, 5, 8, 11 ]).


Especulamos que as propriedades do estímulo (estilo de ensino [13]), diferenças individuais (foco, envolvimento e traços de personalidade [14]) e a dinâmica social (proximidade social e interação social), cada uma permeia a atenção no nível neural. Isso, por sua vez, afeta o arrastamento neural dos alunos para sua entrada sensorial circundante: o professor, um vídeo ou um ao outro [24]


Isso está diretamente ligado a evidências comportamentais que mostram que as pessoas fisicamente (e normalmente subconscientemente) se envolvem umas com as outras ao se envolverem em tarefas que requerem atenção conjunta (dilatação da pupila, gestos, caminhada; por exemplo, [25]).


De forma mais ampla, a sincronia estudante-para-grupo como uma função de atenção compartilhada segue diretamente de uma gama de resultados eletrofisiológicos que mostram que os ritmos cerebrais se prendem aos ritmos de entrada auditiva e audiovisual, que é amplificado quando a entrada é atendida [24, 26, 27]


Para fornecer evidências adicionais que falam para uma conta de atenção compartilhada, examinamos a relação entre a sincronia aluno-para-grupo e o poder da banda alfa - um índice bem caracterizado de atenção [28, 29] Conforme previsto, uma redução na atividade oscilatória alfa do aluno foi acompanhada por um aumento na coerência alfa do aluno para o grupo.


Em suma, este estudo sugere que a sincronia cérebro a cérebro aumenta à medida que a atenção compartilhada modula o arrastamento ao “sintonizar” as oscilações neurais com a estrutura temporal do ambiente. Indivíduos que estão menos engajados com o estímulo mostram níveis mais baixos de sincronia cérebro a cérebro com o resto do grupo ( Figura 4 ), e as pessoas que interagiram cara a cara mostram um maior envolvimento umas com as outras.


Analisando o gráfico

A Ilustração esquemática de um possível relato de atenção conjunta da sincronia cérebro a cérebro. O arrastamento neural para um estímulo externo (vídeo, professor ou outro) é conduzido por uma combinação de propriedades do estímulo (mostradas como setas fluindo para baixo do “estímulo”) e atenção (setas fluindo para o estímulo).


Em condições de “baixa atenção”, as oscilações neurais dos alunos não são arrastadas por um estímulo externo (vídeo, professor ou outro) (i). Em condições de “atenção compartilhada”, as oscilações alfa dos alunos são atenuadas e associadas a um estímulo externo envolvente: um vídeo, o professor ou um ao outro (ii). Alguns alunos estão em um estado mais atento, têm traços de personalidade mais engajados socialmente, ou têm interagido diretamente, modulando a extensão em que suas oscilações neurais são associadas ao estímulo (o professor,

O registro simultâneo de dados de EEG de um grupo de adolescentes em circunstâncias naturalistas apresenta desafios óbvios quando comparado a experimentos de EEG gerados em laboratório. Embora não pudéssemos atingir o nível de rigor experimental que caracteriza os estudos de laboratório, impusemos o máximo de design estruturado possível, enquanto limitamos minimamente os alunos a se envolverem uns com os outros e com o conteúdo da aula, como fariam em circunstâncias normais. Em segundo lugar, realizamos gravações de EEG em 11 dias diferentes com a mesma série de condições experimentais, essencialmente replicando o mesmo experimento 11 vezes no mesmo grupo de alunos ( Figura 1UMA). Finalmente, realizamos uma série de experimentos para verificar se obtivemos gravações interpretáveis ​​e se o TI indexa de forma confiável a sincronização do sinal neural entre os indivíduos, tanto no laboratório quanto em sala de aula ( Figura S2 ).


Conclusões


Registramos repetidamente a atividade cerebral de um grupo de 12 alunos simultaneamente, enquanto eles se envolviam em atividades naturais em sala de aula e interações sociais. Ao longo de 11 dias letivos diferentes, distribuídos ao longo de um semestre, descobrimos que a sincronia cérebro a cérebro entre os alunos previa de forma consistente o envolvimento da classe e a dinâmica social. Essas descobertas sugerem que a sincronia cérebro a cérebro é um marcador sensível que pode prever interações dinâmicas em sala de aula, e essa relação pode ser impulsionada pela atenção compartilhada dentro do grupo. A abordagem que descrevemos fornece um novo caminho promissor para investigar a neurociência das interações de grupo em circunstâncias ecologicamente naturais.


Autores: Suzanne Dikker, Lu Wan, Ido Davidesco, Jay J. Van Bavel, Mingzhou Ding, David Poeppel

Fonte: Current Biology Artigo na íntegra: https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(17)30411-6#

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