Metapoznanie czyli jak myślimy o myśleniu

Metapoznanie w najprostszy sposób można zdefiniować jako dział nauki o nauce. Strategie metakognitywne (metapoznawcze) są takimi funkcjami wykonawczymi naszego mózgu, które wychodzą poza (z greckiego meta) zwyczajowe myślenie (poznanie) oraz pozwalają być świadomym procesów myślenia, takich jak uczenie się i zapamiętywanie. Metapoznanie można rozumieć jako myślenie o myśleniu lub naukę o uczeniu się, o umiejętnościach myślenia.

Metapoznanie wiąże się z funkcjami wykonawczymi przedniego płata mózgu (planowanie i ocena), natomiast stopień świadomości, strategii i sposób ich przekazywania zależy od nauczyciela (Tompson M., Tompson L. 2012).

Każdy mózg wytwarza fale mózgowe o danej wartości pasm, które oznaczono jako: delta, theta, alfa, SMR, beta1, beta2 oraz okresowe pasmo gamma.

U każdej osoby występuje charakterystyczny dla niej (mieszczący się w opracowanych normach) procentowy udział poszczególnych fal mózgowych, który warunkuje zachowanie. Wzorzec ten zmienia się w zależności od czasu czuwania, senności, zmęczenia, przeżywanych emocji, koncentracji lub jej braku i innych aktywności życiowych. Wzorzec fal zmienia się też wraz z zaburzeniami różnego pochodzenia. Procesy uczenia się kształtują się dzięki współdziałaniu skomplikowanej sieci neuronów i komórek glejowych zarówno na poziomie genetycznym jak i epigenetycznym.

Poznanie procesów neuroedukacyjnych wymaga wiedzy i obserwacji zmian zachodzących w mózgu na wielu poziomach: molekularnym, neuroanatomicznym i elekrofizjologicznym. Na skuteczność uczenia się można wpływać poprzez wykorzystanie plastyczności mózgu w połączeniu z wiedzą i możliwościami jakimi dysponuje mózg¹.

W tabeli nr. 1 przedstawiono zaproponowaną przez Ducha (Duch, 2013), hierarchię siedmiu poziomów czynników wpływających na procesy metakognitywne. Poprzez działanie w obrębie tych poziomów można wpływać na zwiększanie neuroplastyczności mózgu, a w konsekwencji na skuteczność procesu uczenia się. Informacja w przedstawionym modelu może przepływać w górę lub w dół.

Tabela 1. 7-poziomowa hierarchia czynników wpływających na procesy poznawcze. Opracowanie własne według Ducha (Duch: 2013).

Historia EEG i Biofeedbacku

Do badań nad mózgiem przyczyniły się badania Adolfa Becka, który jako pierwszy opisał czynność elektryczną mózgu i choć jego praca nie przyczyniła się wprost do rozwoju nauki, pozwoliła spojrzeć na mózg jeszcze z innej perspektywy. Angielski fizyk Richard Caton (1842–1926) pierwszy zarejestrował bezpośrednie sygnały elektryczne z powierzchni oraz głębi mózgu zwierząt. W równoległym czasie podobne badania związane z rejestracją czynności bioelektrycznej kory mózgu psów i królików prowadził Napoleon Nikodem Cybulski (1854–1919) i Adolf Beck (1863–1942). W 1932 roku Niemiec Tonic, który współpracował z Bergiem zbudował pierwszy aparat EEG. W Polsce pierwszy aparat EEG pojawił się w 1950 roku. Jednym z bardziej znanych w dziedzinie neurofizjologii był Hans Berger – dr medycyny (1873–1941). W 1924 roku zarejestrował aktywność lewej półkuli u swojego 17-letniego syna, który był przygotowywany do operacji usunięcia guza mózgu. Dokonał aż 73 rejestracji czynności bioelektrycznej u ludzi, po czym w 1929 roku opublikował pierwsze prace dotyczące własnego syna. W 1929 roku stwierdził "że elektroencefalogram stanowi zjawisko ciągłego procesu nerwów, które ma miejsce w mózgu, dokładnie tak jak elektrokardiogram reprezentuje zjawisko skurczów serca" (Kubik 2009). W 1930
roku Berger zdefiniował fale alfa i beta, zaczął używać skrótu EEG dla określenia elektroencefalogramu, odnotował związek miedzy falami beta a koncentracją uwagi i czasem reakcji. Berger twierdził, że EEG to
materialny dowód obecności czynności psychicznych człowieka. Wykazał zmienny zapis EEG u pacjentów z chorobą Alzheimera i stwardnieniu rozsianym. Odkrył również spłaszczenie zapisu fal u chorych na padaczkę po napadzie drgawkowym. W 1934 roku wyniki prac Bergera (wykonywał także badania EEG u dzieci i niemowląt) zostały opublikowane w czasopiśmie Brain (Kubik 2009: 3).

Wkrótce po tym w Laboratorium Fizjologicznym w Cambrigde wykazano wpływ fotostymulacji na czynność bioelektryczną mózgu, odkryto bardzo szybką czynność bioelektryczną móżdżku. Gray Walter (1910-1977) zbudował własną ulepszoną wersję aparatu EEG. Opisał fale theta, delta oraz szybką czynność fal alfa. Doniósł o znaczeniu fal delta dla wykrywalności guzów mózgu. Był pionierem mappingu mózgu. W 1969 roku Joe Kamiya zaobserwował, że występuje sprzężenie zwrotne pomiędzy bodźcami odbieranymi przez pacjenta i generowaną przez jego mózg czynnością bioelektryczną.

Dzięki badaniom Kamiya, metoda neuroterapii znalazła szerokie zastosowanie w leczeniu nie tylko skutków urazów, uzależnień i innych chorób, ale jako trening wydajności.

Przełomowym momentem były badania Barry Stermana, który pracował nad czynnością bioelektryczną mózgów kotów. Wykrył on u kotów w czasie czuwania i we śnie rytm 14 Hz (sensomotoryczny) (Kubik 2009: 3). Jego badania odbywały się w czasie, kiedy NASA w związku z występowaniem drgawek u astronautów na skutek styczności z paliwem rakietowym, szukało rozwiązania, w związku z czym NASA zleciło Stermanowi przeprowadzenie badań nad wpływem paliwa rakietowego na OUN³ u kotów. Sterman do swoich badań wykorzystał również koty wytrenowane uprzednio w rytmie SMR⁴, z powodu małej ilości kotów i użył je jako materiał porównawczy. Koty te okazały się być odporniejsze na ekspozycję paliwa rakietowego niż pozostałe koty. Wynik okazał się istotny statystycznie i przyjęto fakt, że trening SMR podniósł próg odporności drgawkowej kotów na działanie paliwa rakietowego. Późniejsze badania Stermana potwierdziły, że trening SMR okolicy czuciowo-ruchowej wpływa stabilizująco również na inne okolice mózgu i poprawia stabilność kory mózgowej. Pionierami dalszego rozwoju EEG byli F. Duffy, E. Roy John i R. Thatcher, stworzyli bazy danych, które umożliwiły porównanie pojedynczych wzorów fal mózgowych do losowo wybranej normatywnej grupy kontrolnej. Dane QEEG⁵ do baz danych są zbierane z różnych obszarów głowy, dostarczają klinicznego obrazu aktywnej kory mózgowej i umożliwiają sporządzenie topografii
mózgu (Tompson M., Tompson L. 2012).

W początkach lat 80-tych neurofeedback nie był powszechnie znany, ale za sprawą M. Ayers oraz S. i S Othmer powstało centrum neurofedbacku. S. i S. Othmerowie rozpowszechnili użycie grafiki komputerowej i efektów dźwiękowych do treningu stanów głębokich, zauważyli też zależność między treningiem neuro a psychoterapeutycznym. Przełomem w neurofeedbacku było zastosowanie terapii w praktyce klinicznej (Tompson M., Tompson L. 2012).

Neurofeedback rozwija się w dwóch kierunkach: pierwszy to dążenie do normalizacji wzorca fal w EEG, drugi skupia się na wykorzystaniu plastyczności umysłowej i wzroście osobistym. W tym miejscu można wspomnieć o badaniach prowadzonych przez Profesora Popielskiego w Instytucie Biofeedback i Noo-psychosomatyki6 w Lublinie. Popielski jest kontynuatorem Logoterapii i Analizy egzystencjalnej V. E. Franka. W Instytucie stosuje się EEG- biofeedback jako narzędzie diagnostyczno--terapeutyczne, wykorzystywane do terapii umysł-ciało (Popielski, 2014).

Zasady działania biofeedbacku (BFB) i neurofeedbacku (NFB)

Dzięki elektronice i obliczeniom matematycznym możliwe stało się śledzenie przekształceń wzorców EEG w obrazy na ekranie komputera i oddziaływanie poprzez kształtowanie zdolności samoregulacji7. To, że samoregulacja może stać się jedną z głównych części ochrony zdrowia XXI wieku przemawiają dwie racje:

1. Samoregulacja wspomagana biofeedbackiem i neurofeedbackiem jest skutecznym rozwiązaniem wielu zaburzeń i objawów, trudnych do wyeliminowania za pomocą tradycyjnych metod.
2. Ze względu na zmniejszenie kosztów i możliwości uzyskania pomocy w początkowej fazie problemów, treningi biofeedbacku i neurofeedbacku są zwykle łączone z innymi formami oddziaływań np. dieta, wypoczynek czy ćwiczenia fizyczne (Kubik 2009).

Stan obecnej wiedzy pozwala powiązać określony wzorzec EEG z towarzyszącym mu stanem świadomości. EEG-Biofeedback (neurofeedback) opiera się na założeniu, że aktywność elektryczna mózgu (EEG) jest odbiciem stanu psychicznego i że człowiek może aktywnie wpływać na ten stan za pomocą aparatury biofeedback wykorzystującej elementy zarówno wizualne jak i dźwiękowe. Aktywność mózgu można zobrazować na monitorze komputera praktycznie bez opóźnienia. EEG-biofeedback (neurofeedback) opiera się na dwóch podstawowych założeniach:

1. Aktywność elektryczna mózgu odzwierciedla stan psychiczny.
2. Aktywność możemy ćwiczyć, poddać działaniu.
   

Mózg pokryty jest korą mózgową, która stanowi substancje szarą (ciała komórek). Pod substancją szarą znajduje się substancja biała tj. włókna nerwowe łączące różne okolice kory. Podstawową funkcją kory mózgowej jest przetwarzanie informacji na wysokim poziomie-uczenie się, świadomość, procesy myślowe. Kora mózgowa generuje fale beta, szczególnie podczas wysiłku intelektualnego. Podzielona jest bruzdami i szczelinami w zależności od funkcjonalnej struktury na poszczególne okolice i płaty. W korze mózgowej zachodzą wszystkie funkcje najwyższej świadomości (Kubik 2009a).

Wzorce EEG odzwierciedlają zmiany w systemie wymiany informacji na linii wzgórze – zwoje podstawy mózgu - kora mózgowa człowiek w rzeczywistości uczy się samoregulacji złożonego, dynamicznie zmieniającego się systemu nerwowego. Elementy graficzne przebiegu zmian wartości fal mózgowych odzwierciedlają zjawiska bioelektryczne są rejestrowane i ukazywane w postaci poznawalnych sygnałów. Zjawiska elektryczne są zapisane za pomocą elementów graficznych, składających sią na zapis EEG. Podstawowe dane zapisu to:

• częstotliwości,
• amplitudy,
• kształty zależne od czasu trwania zjawiska,
• kierunek odchylenia od linii izoelektrycznej.

Dane zapisu dotyczą fali, czynności i rytmu. Fala jako podstawowa składowa zapisu jest wynikiem przejściowej zmiany różnicy potencjałów. Jest ona określana przez biegunowość, amplitudę, czas trwania i morfologię (kształt). Na czynność składają się fale o określonym zakresie częstotliwości np. czynność alfa. Rytm natomiast jest czynnością fal o tym samym kształcie i określonym zakresie częstotliwości np. rytm alfa. Podstawą do opracowania norm zapisu EEG są: rozkład przestrzenny czynności, wartości częstotliwości, wartości amplitudy i morfologia fal. Należy pamiętać o uwarunkowaniach różnorodnymi czynnikami zewnętrznymi jak: wiek, stan aktywności (sen lub czuwanie) oraz parametrami technicznymi zapisu, umiejscowieniem elektrody referencyjnej czy samego montażu elektrod. Zapis EEG jest uwarunkowany również genetycznie, homeostazą ustroju, ale również stężeniem ditlenku węgla i tlenu, stężeniem glukozy, pH, poziomem hormonów (Kubik 2009).

We wzrokowej ocenie EEG stosuje się:

1. Falę alfa, zakwalifikowaną jako rytmiczną aktywność kory mózgowej w paśmie 8-12 Hz, która została opisana przez Bergera w 1929 roku. Występowanie rytmu alfa przypisuje się stanowi relaksu z zamkniętymi oczami. Blokowanie rytmu alfa oznacza desynchronizację aktywności neuronów, która zachodzi pod wpływem koncentracji umysłowej lub stymulacji narządów zmysłu. Czynność alfa jest więc najlepiej wyrażona w czasie relaksacji, przy braku bodźców czuciowych, wzrokowych czy słuchowych, koreluje z bierną uwagą, lepszą pamięcią, myśleniem pozytywnym. Kontrolę rytmu alfa na zasadzie biofeedbacku (sprzężenia zwrotnego) opisał Kamiya w 1969 roku. (Kubik 2009, Szelenberger 2000)

2. Czynność beta (14-30 Hz) opisana została przez Bergera w 1930 roku, są to niskoamplitudowe oscylacje. W paśmie beta wyróżnia się wolne fale beta (rytm SMR) w zakresie 12-15 Hz, właściwe średnie pasmo beta 1 od 15-18 Hz i szybkie fale beta 2 o częstości powyżej 19 Hz. Mało zsynchronizowana praca neuronów w tym paśmie charakteryzuje zwykłą codzienną aktywność kory mózgowej u człowieka, percepcję zmysłową i pracę umysłową. Specyficzna aktywność beta towarzyszy również stanom po zażyciu niektórych leków. Fale beta informują o zaangażowaniu kory mózgowej w aktywność poznawczą.

– Rytm sensomotoryczny SMR (12-15 Hz) opisany przez Stermana pod koniec lat 60- tych XX wieku, jest najlepiej wyrażony w czuwaniu przy otwartych oczach, w stanie relaksacji z zewnętrzną uwagą, w stanach spokoju, obniżonego lęku. Blokowany jest ruchem, wyobrażeniem ruchu i napięciem uwagi. Nie blokowany bodźcami wzrokowymi.
– Beta 1 (15-20 Hz) wzrasta w stanie skupienia uwagi, koncentracji, podczas rozwiązywania zadań, gdy mózg nastawiony jest na świadomy odbiór bodźców zewnętrznych za pomocą wszystkich zmysłów.
– Beta 2 (20-30 i więcej), wzrost tej fali związany jest ze zwiększonym napięciem emocjonalnym w stanach stresu i niepokoju, np. fala o wartości 19-23 Hz pojawia się przy tremie i lęku a fala w zakresie od 24 do 36 Hz ujawnia negatywne myśli przy depresjach. Warto wspomnieć jeszcze w tym miejscu, że wysoki poziom beta związany jest z wysokim zużyciem energii, a więc znacznym obciążeniem bioenergetycznym i jest skorelowany z uwalnianiem hormonów stresu.

3. Czynność delta (0,5-3,5 Hz) odkryta w 1936 roku przez Adraian i Mattwesa a nazwana przez Waltera falami delta, które są wysokoamplitudową aktywnością o niskiej częstotliwości. Fale delta rejestruje się w pewnych stanach chorobowych, procesach zwyrodnieniowych, śmierci i mechanizmach obronnych. Podczas snu pojawiają się fale delta o amplitudzie przektaczającej 75 mikrowoltów, są to tzw. fale wolne (SWA – słów wave activity). Fale delta rejestruje się także podczas głębokiej medytacji.

4. Aktywność theta (4-8 Hz) opisana przez Waltera i Doveya w 1944 roku. Czynność theta od thalamus (łączono ten rytm z zaburzeniami czynności wzgórza) występuje np. w okresie snu płytkiegoprzypuszcza
się, że w tym czasie następuje przyswajanie i utrwalenie uczonych treści. Fale te najczęściej odnotowywane są przy medytacji, transie, hipnozie, intensywnych marzeniach i emocjach. Odmienny rodzaj fal theta jest związany z aktywnością poznawczą, kojarzeniem - w szczególności uwagą, a także procesami pamięciowymi (tzw. rytm FMθ – frontal midline theta).

5. Fale gamma (34-100 Hz), są związane z integracyjną funkcją mózgu. Wzrost mocy i duże zsynchronizowane czynności bioelektrycznej mózgu występuje w stanach kreacji na najwyższym poziomie, w stanach tzw. "olśnienia". Czynność gamma pojawia się przy aktywności ruchowej i funkcjach motorycznych, towarzyszy również procesom poznawczym

Istnieje więc możliwość uczenia się poprzez generowanie odpowiednich zmian dokonujących się w mózgu, objętych kontrolą świadomości (Pecyna 1998). Biofeedback często stosuje się w celu poprawy funkcjonowania w codziennym życiu. Celem takiego treningu jest nauczenie się samoregulacji. "Samoregulacja jest metodą uczenia się, która rodzi długoterminowe, pozytywne zmiany" (Tompson M., Tompson L. 2012).

Nauka samoregulacji odbywa się poprzez warunkowanie instrumentalne. Biofeedback wykorzystuje instrumentalne biologiczne sprzężenie zwrotne. Pacjent musi śledzić efekty. Ten typ uczenia opiera się na prawie efektu. Kiedy pożądane zachowanie zostaje nagradzane, zwiększa się szansa na powtórzenie tego zachowania w przyszłości. Edward Thorndike w 1911 roku opisał doświadczenie z kotami, które próbowały wydostać się z klatki w celu zdobycia pożywienia, które było na zewnątrz. Próba, która kończyła się sukcesem była częściej powtarzana. Oznacza to, że nagradzane sytuacje zdarzały się częściej niż te, które kończyły się niepowodzeniem. EEG-biofeedback jest metodą neuroterapii instrumentalnej, wykorzystującą biologiczne sprzężenie zwrotne, pozwalające, aby w trakcie ćwiczeń terapeutycznych zmieniał się wzorzec czynności bioelektrycznej, mającej wpływ na generowanie odpowiednich stanów świadomości. Stany świadomości wpływają na zachowanie. Jeżeli więc możemy wpływać na zmianę wzorca i stany świadomości, oznacza to, że mamy wpływ na wzorce zachowań i funkcje obwodowego układu nerwowego.

Podczas neurofeedbacku rejestrowane są informacje, które są wyświetlane na ekranie. Są to informacje zwrotne. Gdy osoba trenująca zmienia swój stan psychiczny, zmienia sie też amplituda fal o różnych częstotliwościach. Wtedy aktywność trenującego może zmienić swój wzorzec fal mózgowych osiągając wybrany cel. W ten sposób trenujący uczy się samoregulacji. Sterman nazywa ten proces wyuczoną normalizacją wzorców EEG. Zastosowanie systemu EEG-biofeedback pozwala na regularny pomiar wartości fal mózgowych, otrzymywanie informacji zwrotnej o przebiegu danego procesu fizjologicznego, z początku nieświadomego, stopniowo jednak dzięki ćwiczeniom (za pomocą interfejsu między mózgiem a komputerem) opartym na mechanizmie warunkowania instrumentalnego8 można uczyć się opanowywać wybrane funkcje mózgu (odpowiedni trening), które do tej pory uważane były, że są poza kontrolą naszej świadomości. System biofeedback jako narzędzie stymulacji i modelowania umożliwia weryfikowanie teorii nie tylko psychologicznych, ale także pedagogicznych oraz wskazuje na nowe kierunki praktycznego rozumienia człowieka (Tompson M., Tompson L. 2012).

^1. Plastyczność mózgu (neuroplastyczność) – "to własność układu nerwowego, dzięki której możliwa jest nie tylko odbudowa funkcji, ale i naprawa zaburzeń rozwojowych a przede wszystkim uczenie się i pamięć" (Kossut 2014).

³ OUN – ośrodkowy układ nerwowy

⁴ „M. Barry Sterman prowadził badania czynności bioelektrycznej w czasie snu u kotów, u których wykrył obecność w czuwaniu i we śnie rytmu 14 Hz (rytm sensomotoryczny). W późniejszych badaniach u ludzi stwierdził, że trening SMR okolicy czuciowo-ruchowej wpływa stabilizująco również na inne okolice mózgu” (Kubik 2009). Rytm SMR został opisany w tej pracy.

⁵ QEEG – Mapa mózgu, jest to ilościowe badanie EEG funkcjonowania mózgu w warunkach spoczynku, jak również podczas wykonywania różnego rodzaju zadań. Analiza wyników obejmuje porównanie rezultatów z bazą danych normatywnych i odniesienie funkcjonowania mózgu pacjenta do norm wyznaczonych dla odpowiedniej grupy wiekowej (Instytut Psychoneuroterapii EEG 2014).

⁶ Noo-somatyka jest poszerzeniem rozumienia i diagnozowania zaburzeń i problemów ograniczających się jedynie do przyczyn psycho-somatycznych. Noo-somatyka jest dziedziną uprawianą między innymi w Lublinie przez Profesora Popielskiego, którego teoria opiera się genezie problemów (zaniedbania, braki rozwojowe, problemy życiowe) związanych z „neotycznym wymiarem egzystencji ludzkiej”. Z tą sferą wiążą sie działania człowieka ze sferą wartości, poczuciem sensu życia, godnością czy odpowiedzialnością (Popielski 2014).

⁷ Tompsonowie twierdzą, że w samoregulacji chodzi o to, aby trenujący osiągnął elastyczność i odpowiedni dla zadania intelektualnego stan psychiczny, czyli nauczył się kontrolować stany psychiczne i fizjologiczne. Tompsonowie (Tompson M. i L. 2012: 330-331) wymieniają cztery kroki samoregulacji, są to:

1. Otwarta świadomość zewnętrzna (wysoka alfa – 11 do 13Hz i SMR – 13 do 15Hz) i nabycie umiejętności osiągania stanu wszechstronnej, zorientowanej zewnętrznie koncentracji w otoczeniu, bez skupiania uwagi na jednej konkretnej rzeczy, u piłkarzy świadomość każdej zmiany w otoczeniu.
2. Elastyczna zmiana umysłu polegającana umiejętności przejścia z otwartej świadomości do skupienia uwagi, korzystająca z warunkowania instrumentalnego fal mózgowych. Przejście z wysokiej alfy i SMR (13-15Hz) w stan skupienia, w którym dominujące czynności fal wolnych ulegają zahamowaniu, zaś wzmocniona zostaje Beta (16-18Hz).
3. Krok trzeci to powiązanie pożądanego stanu umysłu z uczeniem się. Powiązanie chcianej czynności z efektywnym dla tej czynności stanem umysłu za pomocą warunkowania klasycznego.
4. W czwartym kroku mamy do czynienia z uogólnieniem technik i przetransponowanie ich na sytuacje w domu, szkole lub pracy. Umiejętność wchodzenia w stan relaksu i jednocześnie czujnej elastyczności umysłowej, skupienia i koncentracji w różnych miejscach.