Cell子刊：大脑中的“数学神经元”

大脑中的神经元在特定的数学运算过程中会特别兴奋。研究结果表明，检测到的一些神经元只在加法过程中活跃，而其他神经元在减法过程中活跃。无论计算指令是作为单词还是符号写下来，它们的响应方式都是相同的。

　　

大多数小学生可能已经知道，三个苹果加两个苹果，等于五个苹果。然而，在这些计算过程中，大脑中发生了什么仍是一个很大的未知数。波恩大学目前的一项研究揭示了这个问题。

研究人员受益于波恩大学医院癫痫科的一个特殊功能。它专门对癫痫患者的大脑进行外科手术。有些病人的癫痫发作总是发生在大脑的同一区域。为了精确定位这个有缺陷的区域，医生在病人体内植入了几个电极。这种探针可以用来精确地确定痉挛的来源。此外，单个神经元的活动可以通过连接来测量。

有些神经元只在求和时才会激活

五名女性和四名男性参与了目前的研究。他们将电极植入所谓的大脑颞叶，以记录神经细胞的活动。同时，参与者必须执行简单的算术任务。“我们发现，在做加法和做减法时，不同的神经元会被激活，”波恩大学医院癫痫学系的弗洛里安·莫曼教授解释说。

并不是有些神经元只对“+”符号作出反应，而另一些神经元只对“-”符号作出反应:“即使我们用文字代替数学符号，效果也没有改变，例如，当受试者被要求计算‘5和3’时，他们的加法神经元立即恢复活动;而对于‘7减4’，他们的减法神经元却能做到。”

这表明，这些被发现的细胞实际上是在为动作编码数学指令。因此，大脑活动非常准确地显示了测试对象目前正在计算的任务:研究人员将这些细胞的活动模式输入一个自学计算机程序。与此同时，他们告诉软件受试者目前计算的是和还是差。在这个训练阶段之后，当算法面对新的活动数据时，它能够准确地识别出它是在哪个计算操作中被记录下来的。

来自Tübingen大学的Andreas Nieder教授与Mormann教授共同指导了这项研究。“我们从猴子的实验中知道，特定的计算规则的神经元也存在于它们的大脑中，然而，在人类身上，这方面几乎没有任何数据。”

在分析过程中，两个工作小组发现了一个有趣的现象:其中一个被研究的大脑区域是所谓的海马旁皮质。在那里，研究人员也发现神经细胞在加减运算时特别活跃。然而，当相加时，不同的加法神经元在同一个运算任务中会交替活动。打个比方，就好像计算器上的加号键在不断地改变它的位置。减法也是一样的。研究人员也将其称为“动态编码”。

Mormann强调说:“这项研究标志着我们朝着更好地理解人类最重要的符号能力之一——用数字计算——迈出了重要的一步。”

这项研究由德国研究基金会(DFG)和大众基金会资助。

Journal Reference:

1. Esther F. Kutter, Jan Boström, Christian E. Elger, Andreas Nieder, Florian Mormann. Neuronal codes for arithmetic rule processing in the human brain. Current Biology, 2022; DOI: 10.1016/j.cub.2022.01.054