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.

    Literatur

    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)