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Wie das Gehirn mathematische Operationen abbildet

    Die Arithmetik ist bekanntlich ein Eckpfeiler der wissenschaftlichen und technologischen Hochkultur des Menschen, aber ihre neuronalen Mechanismen sind nur unzureichend verstanden. Das Rechnen mit Zahlen erfordert die vorübergehende Speicherung und Manipulation numerischer Informationen nach arithmetischen Regeln. Aus Experimenten mit Affen wusste man bereits, dass es bestimmte Areale für arithmetische Operationen gibt. Kutter et al. (2022) untersuchten nun bei Epilepsiepatienten und -patientinnen mit implantierten Elektroden jene Hirnmechanismen, die an einfachen arithmetischen Operationen beteiligt sind, indem sie die Aktivität einzelner Neuronen im medialen Temporallappen aufzeichneten, die Additionen und Subtraktionen durchführen. Sie fanden dabei abstrakte und notationsunabhängige Codes für Addition und Subtraktion in neuronalen Populationen, wobei die neuronalen Codes der Arithmetik in verschiedenen Hirnarealen sich drastisch voneinander unterschieden.

    Dabei war es nicht so, dass manche Nervenzellen nur auf ein Plus-Zeichen reagierten und andere nur auf ein Minus-Zeichen, sondern auch wenn man die mathematischen Symbole durch Wörter ersetzte, blieb der Effekt derselbe. Wenn die Versuchspersonenetwa die Aufgabe 5 und 3 rechnen mussten, sprangen bei ihnen wieder die Additions-Neuronen an, bei 7 weniger 4 hingegen die Subtraktions-Nervenzellen. Das beweist, dass die gefundenen Zellen tatsächlich eine mathematische Handlungsanweisung kodieren. An der Hirnaktivität ließ sich so mit großer Genauigkeit ablesen, welche Art von Aufgaben die Probandinnen und Probanden gerade berechneten. Man fütterte dafür ein selbstlernendes Computerprogramm mit den Aktivitätsmustern der Zellen, gleichzeitig teilte man der Software mit, ob die Versuchspersonen gerade eine Summe oder eine Differenz bildeten. Wurde der Algorithmus nach dieser Trainingsphase mit neuen Aktivitätsdaten konfrontiert, konnte er treffsicher erkennen, bei welcher Rechenoperation sie aufgezeichnet worden waren.

    Interessanterweise fand man neben dem statischen Code im Hippocampus im parahippokampalen Cortex Nervenzellen, die spezifisch bei Additionen oder Subtraktionen feuerten, jedoch wurden beim Summieren während ein- und derselben Rechenaufgabe abwechselnd unterschiedliche Additions-Neurone aktiv, sodass es zu einer dynamischen Kodierung kam. Die Umsetzung abstrakter arithmetischer Codes lässt daher auf unterschiedliche kognitive Funktionen der Regionen des medialen Temporallappens beim Rechnen schließen.

    Die Fähigkeit, Zahlen zu beurteilen, gibt es überigens bei verschiedenen Wirbeltierarten, aber auch bei Spinnen, Fische, Kraken, Raben und Affen, aber auch bei Honigbienen, was die Frage nach den phylogenetischen Ursprüngen von Zahlensystemen aufwirft. Giurfa et al. (2022) haben nun untersucht, ob Bienen, wie Menschen, Zahlen räumlich von links nach rechts entsprechend ihrer Größe ordnen. Im Zentrum steht dabei die mentale Zahlenreihe, eine Form der räumlichen Zahlendarstellung, bei der kleine und große Zahlen dem linken bzw. rechten Raum zugeordnet werden. Diese räumlich-numerische Organisation findet sich auch bei erwachsenen Menschen und wird mit kulturellen Faktoren wie Schreib- und Lesegewohnheiten in Verbindung gebracht. Man untersuchte dabei den Zahlensinn von Honigbienen, nachdem sie darauf trainiert worden waren, Zahlen mit einer Saccharose-Belohnung zu assoziieren, Zahlen, die sie zuvor nicht kannten, entsprechend ihrer Größe von links nach rechts ordnen. Wichtig ist dabei, dass die Position einer Zahl auf dieser Skala von der zuvor trainierten Referenzzahl abhängt und nicht von niedrigschwelligen Hinweisen auf numerische Reize bestimmt wird.

    Da die kulturellen bzw. biologischen Ursprünge dieser mentalen Zahlenreihe bisher unklar war, konnte man nun in dem Experiment zeigen, dass Bienen Zahlen entsprechend ihrer Größe von links nach rechts ordnen und dass die Position einer Zahl auf dieser Linie mit der zuvor trainierten Referenzzahl variiert. Die neuronaler Erklärungen für diesen Effekt, die auf dem umfangreichen Wissen über die neuronalen Grundlagen der visuellen Verarbeitung bei Honigbienen beruhen – die Abbildung von Raum und von Zahlen finden in benachbarten Hirnarealen statt – belegen, dass die mentale Zahlenreihe eine Form der numerischen Repräsentation ist, die unabhängig von ihrer neuronalen Komplexität in allen Nervensystemen, die mit einem Zahlensinn ausgestattet sind, evolutionär vorhanden ist. Die mentalen Zahlenreihe hat demnach eine biologische numerische Repräsentation, die im Nervensystem zahlreicher Arten verbreitet ist und daher wohl einen evolutionären Ursprung hat.

    Literatur

    Giurfa, Martin, Marcout, Claire, Hilpert, Peter, Thevenot, Catherine & Rugani, Rosa (2022). An insect brain organizes numbers on a left-to-right mental number line. Proceedings of the National Academy of Sciences, 119, doi:10.1073/pnas.2203584119.
    Kutter, Esther F., Bostroem, Jan, Elger, Christian E., Nieder, Andreas & Mormann, Florian (2022). Neuronal codes for arithmetic rule processing in the human brain. Current Biology, doi:10.1016/j.cub.2022.01.054.
    https://nachrichten.idw-online.de/2022/02/14/mathe-neurone-im-gehirn-identifiziert (22-02-15)


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