Wat hersengolven van kinderen ons vertellen over hoe we getallen verwerken

Radboud University Florian Rath voor Universiteit Maastricht/Radboud Universiteit 14 november 2024

Kan vroeg leren tellen met je vingers je helpen bij het oplossen van wiskundeproblemen? Kan de statische ruis in je hersenen voorspellen hoe goed je bent in wiskunde? Kunnen we een nieuw draagbaar instrument om hersengolven te meten gebruiken om te bestuderen hoe kinderen getallen verwerken? Lisa Jonkman van de Universiteit Maastricht en Nienke van Bueren van de Radboud Universiteit zoeken naar antwoorden in klaslokalen en kinderhoofden.

Geen paniek: er komen absoluut geen botzagen aan te pas. Maar het gaat wel over getallen en van wiskunde worden sommige mensen nou eenmaal onpasselijk. Sommigen hebben zelfs echt moeite met rekenvaardigheid, wat een serieuze belemmering is om deel te nemen aan de maatschappij. “We weten uit de jaarverslagen van de Nederlandse onderwijsinspectie en ander onderzoek dat veel kinderen in het voortgezet onderwijs, en ook volwassenen, moeite hebben met getallen en het oplossen van elementaire wiskundige problemen. En dat wordt alleen maar erger,” zegt Van Bueren.

Waar komt iemands gemakkelijke omgang of juist problemen met getallen eigenlijk vandaan? En wat kunnen we aan die problemen doen? Dr. Lisa Jonkman van de UM en dr. Nienke van Bueren van de Radboud Universiteit (samen met teamleden dr. Sanne van der Ven en dr. Anne van Hoogmoed van de RU) onderzoeken de onderliggende processen. Ze meten de hersenactiviteit van kinderen met behulp van EEG (elektro-encefalografie), een techniek die de elektrische signalen van de hersenen registreert. “Het probleem is dat het moeilijk is om EEG-gegevens van goede kwaliteit uit een voldoende grote steekproef van kinderen te verkrijgen. Het EEG levert wel kwalitatief hoogwaardige data op, maar het is best duur en het duurt vaak lang om de sensoren op de hoofdhuid van de kinderen aan te brengen,” legt Van Bueren uit.

Draagbare EEG en aperiodische hersenactiviteit

Om hun onderzoek efficiënter te maken, testen ze de bruikbaarheid van een nieuw, draagbaar EEG-systeem bij kinderen. Dat bestaat uit sensoren in een headset die met veel minder voorbereidingstijd op het hoofd kan worden geplaatst. Het lijkt eigenlijk een beetje op een cool apparaat voor hoofdmassage. “Het leuke van dit apparaat, de EMOTIV headset, is dat het veel goedkoper is dan het traditionele systeem. Het is ook draagbaar, dus je kunt het meenemen naar scholen en de hersenactiviteit van kinderen meten in een realistische omgeving, in plaats van in een laboratorium,” zegt Van Bueren. “Dit maakt het makkelijker om te zien hoe hun hersenen werken tijdens normale, alledaagse taken, zoals het oplossen van wiskundeproblemen in de klas.”

Om de toepasbaarheid bij kinderen te onderzoeken, worden de gegevens die verzameld zijn met dit draagbare systeem vergeleken met de gegevens van het traditionele en zeer nauwkeurige EEG-systeem, dat normaliter gebruikt wordt in laboratoriumsituaties. Hun doel is om te zien of de resultaten van het draagbare systeem net zo betrouwbaar zijn als die van het traditionele systeem. “Dit zou onderzoek goedkoper en logistiek veel gemakkelijker maken. Bovendien kun je het in het veld gebruiken zonder al te veel in te grijpen in het leven van de kinderen,” zegt Jonkman.

Van Bueren heeft niet alleen vastgesteld dat het draagbare EEG-systeem een goede methode is, maar probeert ook te begrijpen hoe de hersenen van kinderen in rust werken, en hoe dit verband houdt met hun vermogen om wiskundige vaardigheden aan te leren en getallen te verwerken. Hersenen produceren elektrische signalen of 'hersengolven', waarvan sommige regelmatige patronen volgen (zoals alfa- of bètagolven), terwijl andere dat niet doen. Aperiodische activiteit, waarbij geen strikt ritme wordt waargenomen, valt in de laatste categorie. Van Bueren beschrijft het als “een soort achtergrondruis in je hersenen. Maar recente onderzoeken suggereren dat deze statische ruis juist belangrijk is en ons veel kan vertellen over hoe goed de hersenen functioneren, vooral tijdens taken zoals leren of problemen oplossen.”

Vingers opsteken

Jonkmans kant van het project is gericht op hoe kinderen vingergebaren gebruiken om getallen te begrijpen en te verwerken bij het oplossen van wiskundeproblemen. Met behulp van een EEG bij kinderen tussen 9 en 10 jaar oud bestudeert ze zowel hun prestaties als hun hersenactiviteit tijdens een wiskundige verificatietaak. Hierbij zien kinderen een eenvoudige som (bijvoorbeeld 1+3), gevolgd door een afbeelding van handen die een juist of onjuist antwoord laten zien met behulp van een aantal vingers dat wordt opgestoken. De kinderen moeten dan snel beslissen of het aantal opgestoken vingers juist is.

“We kijken specifiek of de rekenprestaties van kinderen verbeteren wanneer oplossingen van sommen worden getoond in cultureel bekende vingergetalpatronen. Denk bijvoorbeeld aan het omhooghouden van duim, wijsvinger en middelvinger voor het getal drie, in tegenstelling tot onbekende, meer onhandige patronen, zoals duim, middelvinger en pink,” legt Jonkman uit. Naast de prestaties van de kinderen bestuderen de onderzoekers hersengolven die het niveau van aandachtsverwerking aangeven. Die kunnen ons laten zien of cultureel bekende vingergetalgebaren sneller door de hersenen worden verwerkt of herkend dan onbekende gebaren. 

“Vingergetalrepresentaties zijn heel belangrijk in de vroege ontwikkeling van gecijferdheid. Ze kunnen kinderen helpen om getalconcepten beter te internaliseren, wat later kan leiden tot een beter probleemoplossend vermogen,” zegt Jonkman, die gespecialiseerd is in (neuro)cognitieve ontwikkeling en aandachtsontwikkeling. “Er zijn aanwijzingen dat we de getallen 1 tot en met 4 eerder en op een fundamenteler niveau leren en internaliseren. De getallen daarna zijn abstracter voor ons. Vingergebaren zijn een geweldig hulpmiddel om jonge kinderen te helpen deze getallen op een meer concrete manier te leren en te begrijpen, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor het leren van de basisregels van ons getallensysteem. Het bestuderen van hoe deze gebaren de vroege ontwikkeling van gecijferdheid en de daarmee samenhangende hersenactiviteit beïnvloeden, zou uiteindelijk kunnen leiden tot de ontwikkeling van effectievere onderwijsstrategieën.”

RUxUM

De samenwerking tussen Jonkman en Van Bueren was een logische vervolgstap in het onderzoek van beide wetenschappers én in het partnerschap tussen de UM en de RU. “We hadden elkaar eerder ontmoet op een conferentie en Lisa was een opponent bij de verdediging van mijn proefschrift,” herinnert Van Bueren zich, die destijds onderzoek deed naar niet-invasieve hersenstimulatie om leerprestaties te optimaliseren. “Ze stelde echt interessante vragen en het was duidelijk dat we dezelfde interesses hadden, dus besloten we dat we moesten gaan samenwerken.”

Het project is mogelijk gemaakt dankzij de steeds intensievere samenwerking tussen de twee instellingen. Voortbouwend op eerdere samenwerkingsverbanden hebben de Radboud Universiteit en de Universiteit Maastricht hun krachten op het gebied van onderwijs en onderzoek gebundeld om de regio Zuidoost-Nederland te versterken en van dienst te zijn. Naast verschillende andere initiatieven zijn er seed grants die onderzoekssamenwerkingsverbanden zoals dit stimuleren. 

Jonkman plaatst hun onderzoek in een bredere context: “Het is slechts een pilot omdat we methoden aan het ontwikkelen zijn, maar ik hoop dat we meer financiering krijgen voor toekomstig onderzoek. Het is echt belangrijk voor ons om beter te begrijpen hoe kinderen gecijferdheid ontwikkelen. Betere onderwijsmethoden zouden een groot verschil kunnen maken voor degenen die het er moeilijk mee hebben en nu achteropraken.”