Как нервные клетки считают числа

В обзоре о нейронауках в ведущих журналах, который появился на нашем сайте на днях, мы вкратце описали то, как на разную числовую информацию реагируют разные нейроны. Теперь рассказываем подробнее. Исследователи из Университетов Бонна и Тюбингена выяснили, как именно нервные клетки могут считать, и этому посвящена статья, опубликованная в журнале Neuron.

Credit: Unsplash

С раннего детства ребенок может запоминать последовательность событий, а в дальнейшем способен научиться считать. Что в это время происходит в мозге? Как мы понимаем, что на столе лежит три яблока, а не на четыре? Как осознаем, что на экране изображена цифра «2», а не «5»? Исследователи подобрались на один шаг ближе к ответам на эти вопросы.

Клиника эпилептологии, расположенная в пределах Боннской больницы, специализируется на хирургическом лечении эпилепсии. Суть операций заключается в удалении пораженной нервной ткани. В некоторых случаях пациентам сначала вживляют электроды в мозг, чтобы выяснить местоположение эпилептогенного очага. В качестве побочного эффекта появляется возможность видеть активирующиеся в процессе мыслительной деятельности нейроны, что ученые и стараются использовать в своей работе.

Во время эксперимента авторы показывали испытуемым разное количество точек на экране монитора (то есть символические числа, характеризующие количество чего-либо), что позволило им регистрировать реакцию отдельных нейронов на визуальные стимулы. Исследователи изучали работу нервных клеток в следующих областях, принимающих участие в обработке цифр: энторинальной коре, гиппокампе, коре парагиппокампальной извилины и миндалевидном теле.

Образец визуальных стимулов во время эксперимента. Credit: Andreas Nieder et al. / Neuron

Они обнаружили, что некоторые клетки мозга реагировали на появление трех точек, другие – на появление одной. Это показало, что клетки центральной нервной системы реагируют на специфичные величины по-разному.

«Мы написали алгоритм, который соответствовал полученным результатам, – объяснил профессор Флориан Морманн (Florian Mormann), руководитель группы когнитивной и клинической нейрофизиологии. – Это позволило нам использовать активные нервные клетки, чтобы узнать, сколько именно точек видит наш испытуемый».

Аналогичный эффект наблюдался с цифрами (то есть с несимволическими «самодостаточными» числами): у человека нейроны, активирующиеся в ответ на цифру «2», например, не совпадали с нейронами, активирующимися в ответ на «5».

Ученые также открыли весьма любопытный факт: оказалось, что нейроны «запрограммированные» на определенное количество точек, реагировали и на близкие к ним величины. К примеру, нейроны, «отвечающие» на величину «три», также реагировали в ответ на «четыре» или «два», но слабее. Однако, одну или пять точек эти клетки уже не распознавали. Эксперты назвали это «цифровым эффектом расстояния». Нейроны словно «выучили», что величина «3» лишь немного отличается от «2» или «4», в противном случае они бы не реагировали на них.

Интересно, что цифровой эффект расстояния присутствует и при восприятии цифр, но реакция нейронов на соседние цифры гораздо слабее.

Тем не менее, результаты исследования явно демонстрируют, что мы воспринимаем цифры по-иному, нежели обычные характеристики объекта, такие как цвет, величину или форму.

Любопытен и другой факт: цифра «3» и три визуальных объекта активируют разные группы нейронов в головном мозге. К примеру, если человек вначале увидит написанную на листе бумаги цифру «3», а затем посмотрит на три карандаша, лежащих рядом, то возбудятся совершенно разные нейрональные сети.

Исследователи надеются, что их результаты помогут понять нейрофизиологические «корни» дискалькуляции – такого расстройства развития, которое характеризуется тем, что человек не способен обучаться арифметике и математическим наукам в целом.

Текст: Анастасия Тихомирова

Single Neurons in the Human Brain Encode Numbers by Esther F. Kutter, Jan Bostroem, Christian E. Elger, Florian Mormann, and Andreas Nieder in Neuron. Published September 2018.

doi:10.1016/j.neuron.2018.08.036

Читайте материалы нашего сайта в Facebook, ВКонтакте, Яндекс-Дзен и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.