大腦究竟是怎么做是數(shù)學(xué)題的?
直到最近,科學(xué)家們才有了答案 —— 有專門的“數(shù)學(xué)神經(jīng)元”。
在執(zhí)行計算時,一些神經(jīng)元在加法時很活躍,但在大腦做減法時,另一波神經(jīng)元開始活躍。而且不管是看到數(shù)學(xué)符號,還是加、減的文字。一旦遇到,就能召喚出神經(jīng)元出來工作。
圖賓根大學(xué)與波恩大學(xué)的相關(guān)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(shù)題?
以往研究表明,小猴大腦中有特定用于計算規(guī)則的神經(jīng)元。但人類大腦上卻沒有相關(guān)的數(shù)據(jù)。
基于這樣的背景,研究團(tuán)隊就進(jìn)行了相關(guān)的探索。
簡單來說,這個實驗是在大腦 MTL(海馬體及其皮層)區(qū)域植入微型電極,讓志愿者做加減法,測試其神經(jīng)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(fā)作總是起源于大腦的同一區(qū)域 MTL,為了精確定位缺陷區(qū)域,醫(yī)生將多個電極已植入患者體內(nèi)。
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(jīng)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(shù)字(或圓點)和符號,之后志愿者就從數(shù)字鍵盤中選出計算結(jié)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(jīng)元交替活躍
研究人員記錄了 MTL 區(qū)域中總共 585 個單個神經(jīng)元的動作電位:
海馬旁皮層 (PHC) 中的 126 個神經(jīng)元、海馬 (HIPP) 中的 199 個神經(jīng)元、內(nèi)嗅皮質(zhì) (EC) 中的 107 個神經(jīng)元和杏仁核 (AMY) 中有 153 個神經(jīng)元。
并將整個動作模式輸入到一個自學(xué)習(xí)的計算機(jī)程序中?;诙嘁蛩胤讲罘治?,首先確定了規(guī)則選擇性神經(jīng)元。
什么意思呢?
這些神經(jīng)元在計算指令發(fā)出后(也就是加或者減)會選擇性的增強(qiáng)放電。
可以看到,圖中 A、B 加法規(guī)則情況下,加法神經(jīng)元(紅色)表現(xiàn)出的特定活躍性。C、D(藍(lán)色)所表現(xiàn)出來的減法神經(jīng)元也是如此。
而且不同對于任務(wù)周期和 MTL 區(qū)域,這種具有選擇性的神經(jīng)元比例也有所不同。
除此之外,團(tuán)隊還發(fā)現(xiàn)計算規(guī)則的編碼與規(guī)則提示無關(guān),以及在海馬旁皮層 (PHC) 區(qū)域(圖 I),不同的加法神經(jīng)元在同一個算術(shù)任務(wù)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(xué)醫(yī)院癲癇學(xué)系 Mormann 教授表示,這項研究標(biāo)志著理解大腦數(shù)學(xué)計算邁出了重要一步。
下一步他們想要了解這些神經(jīng)元究竟在其中發(fā)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
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