大脑如何做算术?加减法都有专用神经元,符号文字都能激活同一组

量子位 2022/2/15 16:32:08 责编:汪淼

大脑究竟是怎么做是数学题的?

直到最近,科学家们才有了答案 —— 有专门的“数学神经元”。

在执行计算时,一些神经元在加法时很活跃,但在大脑做减法时,另一波神经元开始活跃。而且不管是看到数学符号,还是加、减的文字。一旦遇到,就能召唤出神经元出来工作。

图宾根大学与波恩大学的相关研究登上了 Cell 子刊 Current Biology

来看看这是个什么样的研究。

大脑做算术题?

以往研究表明,小猴大脑中有特定用于计算规则的神经元。但人类大脑上却没有相关的数据。

基于这样的背景,研究团队就进行了相关的探索。

简单来说,这个实验是在大脑 MTL(海马体及其皮层)区域植入微型电极,让志愿者做加减法,测试其神经元活动。志愿者为 9 名癫痫患者,其中 4 名男性,平均年龄在 43.3 岁。

因为在这些患者中,癫痫发作总是起源于大脑的同一区域 MTL,为了精确定位缺陷区域,医生将多个电极已植入患者体内。

受益于这样一个前提,而研究人员选择了 9-10 个临床 Behnke-Fried 深度电极来记录神经元信号,每个深度电极包含一束九个铂铱微电极,尖端突出约 4 毫米。

实验过程中,志愿者坐在床上。在大约 50 厘米的距离处,有一台触摸屏笔记本电脑。

屏幕上依次显示数字(或圆点)和符号,之后志愿者就从数字键盘中选出计算结果,然后有电脑显示“正确”还是“错误”。

每两次显示中间有 800 毫秒的延迟;每个主体总共有 320 个试验组成,并分成 4 组。前 10 次试验视作排练,不计入之后的分析中。

不同神经元交替活跃

研究人员记录了 MTL 区域中总共 585 个单个神经元的动作电位:

海马旁皮层 (PHC) 中的 126 个神经元、海马 (HIPP) 中的 199 个神经元、内嗅皮质 (EC) 中的 107 个神经元和杏仁核 (AMY) 中有 153 个神经元。

并将整个动作模式输入到一个自学习的计算机程序中。基于多因素方差分析,首先确定了规则选择性神经元

什么意思呢?

这些神经元在计算指令发出后(也就是加或者减)会选择性的增强放电。

可以看到,图中 A、B 加法规则情况下,加法神经元(红色)表现出的特定活跃性。C、D(蓝色)所表现出来的减法神经元也是如此。

而且不同对于任务周期和 MTL 区域,这种具有选择性的神经元比例也有所不同。

除此之外,团队还发现计算规则的编码与规则提示无关,以及在海马旁皮层 (PHC) 区域(图 I),不同的加法神经元在同一个算术任务中交替活跃

研究人员形容,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。

波恩大学医院癫痫学系 Mormann 教授表示,这项研究标志着理解大脑数学计算迈出了重要一步。

下一步他们想要了解这些神经元究竟在其中发挥了什么作用。

论文链接:

https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(22)00116-6#secsectitle009000116-6#secsectitle0090)

GitHub 链接:

https://github.com/EstherKutter/Neuronal-Codes-For-Arithmetic-Rule-Processing-In-The-Human-Brain

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关键词:神经元大脑

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