В мозгу есть нейроны, которые активируются во время определенных математических операций. Об этом свидетельствует недавнее исследование, проведенное университетами Тюбингена и Бонна. Полученные данные свидетельствуют о том, что некоторые из обнаруженных нейронов активны исключительно во время сложения, тогда как другие активны во время вычитания. Им все равно, записана ли инструкция по вычислению в виде слова или символа. Результаты опубликованы в журнале Current Biology.

Большинство младших школьников, вероятно, уже знают, что три яблока плюс два яблока в сумме дают пять яблок. Однако то, что происходит в мозгу во время таких вычислений, до сих пор во многом неизвестно. Нынешнее исследование, проведенное университетами Бонна и Тюбингена, проливает свет на этот вопрос.

Исследователи воспользовались особенностью отделения эпилептологии Университетской клиники Бонна. Он специализируется на хирургических вмешательствах на головном мозге людей, страдающих эпилепсией. У некоторых пациентов приступы всегда происходят из одной и той же области мозга. Чтобы точно локализовать этот дефектный участок, врачи вживляют пациентам несколько электродов. Зонды могут быть использованы для точного определения происхождения спазма. Кроме того, через проводку можно измерить активность отдельных нейронов.

Некоторые нейроны срабатывают только при суммировании

В текущем исследовании приняли участие пять женщин и четыре мужчины. Им имплантировали электроды в так называемую височную долю мозга для регистрации активности нервных клеток. Между тем, участники должны были выполнить простые арифметические задачи. «Мы обнаружили, что во время сложения активируются разные нейроны, чем во время вычитания», — объясняет профессор Флориан Морманн из отделения эпилептологии университетской больницы Бонна.

Дело было не в том, что одни нейроны реагировали только на знак «+», а другие — только на знак «-». «Даже когда мы заменили математические символы словами, эффект остался прежним», — объясняет Эстер Каттер, защитила докторскую диссертацию в исследовательской группе профессора Морманна. «Например, когда испытуемых просили посчитать «5 и 3», их нейроны сложения снова включились в работу, тогда как для «7 меньше 4» это сделали их нейроны вычитания».

Это показывает, что обнаруженные клетки на самом деле кодируют математическую инструкцию к действию. Таким образом, активность мозга с большой точностью показывала, какие задачи испытуемые в данный момент просчитывали: исследователи вводили модели активности клеток в самообучающуюся компьютерную программу. В то же время они сообщали программному обеспечению, вычисляют ли испытуемые в данный момент сумму или разницу. Когда алгоритм столкнулся с новыми данными о деятельности после этой фазы обучения, он смог точно определить, во время какой вычислительной операции он был записан.

Профессор Андреас Нидер из Тюбингенского университета руководил исследованием вместе с профессором Морманном. «Из экспериментов с обезьянами мы знаем, что в их мозгу также существуют нейроны, отвечающие за определенные вычислительные правила», — говорит он. «Однако у людей практически нет данных на этот счет». В ходе анализа две рабочие группы столкнулись с интересным явлением: одной из изученных областей мозга была так называемая парагиппокампальная кора. Там же исследователи обнаружили нервные клетки, которые возбуждались именно во время сложения или вычитания. Однако при суммировании при выполнении одной и той же арифметической задачи попеременно активизировались разные аддитивные нейроны. Образно говоря, это как если бы клавиша плюс на калькуляторе постоянно меняла свое положение. То же самое было и с вычитанием.

«Это исследование знаменует собой важный шаг к лучшему пониманию одной из наших самых важных символических способностей, а именно вычисления с помощью чисел», — подчеркивает Морманн. Две команды из Бонна и Тюбингена теперь хотят выяснить, какую именно роль в этом играют обнаруженные нервные клетки.

Исследование финансировалось Немецким исследовательским фондом (DFG) и Фондом Volkswagen.