大脑中发现“数学神经元”

科技日报北京2月21日电 (记者张梦然)德国图宾根大学和波恩大学最近进行的一项研究表明,大脑中的神经元会在某些数学运算中受到特别激发,检测到的一些神经元仅在加法期间活跃,而其他神经元在减法期间活跃。这些神经元都“不关心”计算指令是词语形式还是运算符号形式。该结果发表在《当代生物学》杂志上。

大多数小学生知道三个苹果和两个苹果加起来就是五个苹果。然而,在这样的计算过程中大脑中发生了什么,在很大程度上仍然是未知的。德国波恩大学和图宾根大学此次开展的研究阐明了这个问题。

在一些患者中,癫痫发作总是起源于大脑的同一区域。为了精确定位这个缺陷区域,医生将几个电极植入患者体内。探针可用于精确确定癫痫的起源,此外还可通过接线测量单个神经元的活动。

五名女性和四名男性参与了该研究。他们在大脑颞叶中被植入了电极,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。波恩大学医院癫痫学系的弗洛里安·诺曼教授解释说:“我们发现,在加法和减法期间,不同的神经元会被激发”。

研究发现,某些神经元只对“+”符号作出反应,而另一些神经元只对“-”符号作出反应。即使用词语替换数学符号,效果仍然相同。例如,当受试者被要求计算‘5加3’时,他们的加法神经元重新开始行动;而对于‘7减4’,他们的减法神经元开始行动。

这表明,细胞实际上编码了一种数学指令以供运算。因此,大脑活动非常准确地显示了测试对象当前正在计算什么样的任务:研究人员将细胞的活动模式输入到一个自学习的计算机程序中。同时,他们告诉软件受试者当前是在计算和还是差。当算法在这个训练阶段之后遇到新的活动数据时,它能够准确地识别出它是在哪个计算运算中被记录下来的。

图宾根大学的安德雷斯·内德尔教授表示,从猴子的实验中得知,特定于某些计算规则的神经元也存在于它们的大脑中,然而在人类中,此前几乎没有任何这方面的数据。另外,不同的加法神经元还在同一个算术任务中交替活跃,形象地说,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。

虽然这只是一个小样本研究,但也是对人类大脑探究的重要一步。9名被试,在大脑颞叶中被植入电极的情况下,做了些简单的数学计算。这让科研人员发现了大脑中存在的计算神经元。这些神经元对表示加或减的符号和文字均有反映。该发现不禁让人好奇,数学天才们的大脑神经元活动会有什么不同特点吗?这些能在数学计算中活跃的神经细胞,在其他任务中会有怎样的表现?还有,可以尝试锻炼这些神经元的能力吗?所有疑问,都有待进一步解答。

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