大腦如何做算術？加減法都有專用神經元，符號文字都能激活同一組

白交 2022-02-15 14:48:04 來源：量子位

楊凈 發自 凹非寺

量子位 | 公眾號 QbitAI

大腦究竟是怎么做是數學題的？

直到最近，科學家們才有了答案——

有專門的“數學神經元”。

在執行計算時，一些神經元在加法時很活躍，但在大腦做減法時，另一波神經元開始活躍。

而且不管是看到數學符號，還是加、減的文字。

一旦遇到，就能召喚出神經元出來工作。

圖賓根大學與波恩大學的相關研究登上了Cell子刊Current Biology。

來看看這是個什么樣的研究。

大腦做算術題？

以往研究表明，小猴大腦中有特定用于計算規則的神經元。

但人類大腦上卻沒有相關的數據。

基于這樣的背景，研究團隊就進行了相關的探索。

簡單來說，這個實驗是在大腦MTL（海馬體及其皮層）區域植入微型電極，讓志愿者做加減法，測試其神經元活動。

志愿者為9名癲癇患者，其中4名男性，平均年齡在43.3歲。

因為在這些患者中，癲癇發作總是起源于大腦的同一區域MTL，為了精確定位缺陷區域，醫生將多個電極已植入患者體內。

受益于這樣一個前提，而研究人員選擇了9-10個臨床Behnke-Fried深度電極來記錄神經元信號，每個深度電極包含一束九個鉑銥微電極，尖端突出約4毫米。

實驗過程中，志愿者坐在床上。在大約50厘米的距離處，有一臺觸摸屏筆記本電腦。

屏幕上依次顯示數字（或圓點）和符號，之后志愿者就從數字鍵盤中選出計算結果，然后有電腦顯示“正確”還是“錯誤”。

每兩次顯示中間有800毫秒的延遲；每個主體總共有320個試驗組成，并分成4組。前10次試驗視作排練，不計入之后的分析中。

不同神經元交替活躍

研究人員記錄了MTL區域中總共585個單個神經元的動作電位：

海馬旁皮層 (PHC) 中的 126 個神經元、海馬 (HIPP)中的 199 個神經元、內嗅皮質 (EC) 中的 107 個神經元和杏仁核 (AMY) 中有 153 個神經元。

并將整個動作模式輸入到一個自學習的計算機程序中。

基于多因素方差分析，首先確定了規則選擇性神經元。

什么意思呢？

這些神經元在計算指令發出后（也就是加或者減）會選擇性的增強放電。

可以看到，圖中A、B加法規則情況下，加法神經元（紅色）表現出的特定活躍性。C、D（藍色）所表現出來的減法神經元也是如此。

而且不同對于任務周期和MTL區域，這種具有選擇性的神經元比例也有所不同。

除此之外，團隊還發現計算規則的編碼與規則提示無關，以及在海馬旁皮層 (PHC) 區域（圖I），不同的加法神經元在同一個算術任務中交替活躍。

研究人員形容，就好像計算器上的加號鍵在不斷地改變它的位置。減法也是一樣。

波恩大學醫院癲癇學系Mormann教授表示，這項研究標志著理解大腦數學計算邁出了重要一步。

下一步他們想要了解這些神經元究竟在其中發揮了什么作用。

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

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

參考鏈接：
[1]https://www.uni-bonn.de/en/news/028-2022