大脑中特定的“数学神经元”

　　

 

当进行计算时，一些神经元在加法时活跃，另一些神经元在减法时活跃。

大脑中有一些神经元，它们在特定的数学运算过程中会特别激活。Tübingen大学和波恩大学最近进行的一项研究表明了这一点。研究结果表明，一些被检测到的神经元只在添加时活跃，而另一些在减法时活跃。它们不关心计算指令是以一个单词还是一个符号的形式写下来的。研究结果已发表在《Current Biology》杂志上。

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。波恩大学和Tübingen目前的研究揭示了这个问题。

大脑中的一些神经元在执行加法任务时变得特别活跃，而另一些神经元在执行减法任务时变得特别活跃。资料来源:Christian Burkert/波恩大学

 

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Florian Mormann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，”在摩曼教授的研究小组中攻读博士学位的埃丝特·卡特(Esther Kutter)解释说。“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少4’，他们的减法神经元却能做到。”

在这项研究中，微小的电极被植入五名女性和四名男性的大脑中，以测量单个神经元的活动。

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，”他说。“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。”来自波恩和Tübingen的两个研究小组现在想要研究发现的神经细胞在其中究竟扮演了什么角色。

参考文献:“Neuronal codes for arithmetic rule processing in the human brain” by Esther F. Kutter, Jan Boström, Christian E. Elger, Andreas Nieder and Florian Mormann, 14 February 2022, Current Biology.
DOI: 10.1016/j.cub.2022.01.054