Neue Erkenntnisse zur numerischen Kognition

Eine aktuelle Studie im Fachmagazin PLOS Biology liefert neue Einblicke in die neuronalen Grundlagen der Zahlenverarbeitung im menschlichen Gehirn. Forscher untersuchten, wie das Gehirn symbolisch dargestellte Zahlen bei aktiven Vergleichsaufgaben verarbeitet und ob Brüche und ganze Zahlen auf einer gemeinsamen mentalen Skala repräsentiert werden. Dazu präsentierten sie 20 mathematisch vorgebildeten Erwachsenen auf einem Bildschirm sechs ganze Zahlen von 0 bis 5 sowie sechs Brüche zwischen 1/4 und 5/2. Die Probanden mussten angeben, ob der aktuelle Zahlenwert größer oder kleiner war als der unmittelbar vorherige. Währenddessen erfasste ein 7-Tesla-Magnetresonanztomograf mit einer räumlichen Auflösung von 1,2 Millimetern die Muster der Hirnaktivität. Die Studie wurde von Robert Klatt und Kollegen durchgeführt.

Kognitive Belastung bei Bruchvergleichen

Die Verhaltensdaten zeigten signifikante Unterschiede zwischen den Zahlentypen. Bei aufeinanderfolgenden Brüchen benötigten die Teilnehmer durchschnittlich 1.192 Millisekunden für ihre Entscheidung, bei ganzen Zahlen lediglich 808 Millisekunden. Die mittlere Fehlerquote lag bei Bruchvergleichen mit 9,5 Prozent deutlich über den 3,7 Prozent für ganze Zahlen. Unabhängig von der Zahlenschreibweise manifestierte sich zudem ein robuster Abstandseffekt: Je näher zwei aufeinanderfolgende Werte ihrem numerischen Wert nach beieinander lagen, desto langsamer reagierten die Probanden und desto häufiger machten sie Fehler. Dieser Zusammenhang trat sowohl innerhalb eines Zahlentyps als auch beim Wechsel zwischen Brüchen und ganzen Zahlen auf und deutet auf eine gemeinsame zugrundeliegende Verarbeitung hin.

Duale Ordnungsprinzipien im neuronalen Netzwerk

Die multivariate Analyse der fMRT-Daten offenbarte zwei distinkte Ordnungsprinzipien im Gehirn. Ein Aktivitätsmuster trennte Brüche von ganzen Zahlen und könnte auf Unterschiede in der visuellen Darstellung und kognitiven Verarbeitung zurückgehen. Ein weiteres Muster folgte hingegen dem tatsächlichen Zahlenwert und ordnete beide Zahlentypen auf einer gemeinsamen abstrakten Größenskala. Je näher zwei Zahlen ihrem Wert nach beieinander lagen, desto ähnlicher waren die zugehörigen Hirnaktivitätsmuster. Beispielsweise ähnelte das Muster für 1/4 stärker demjenigen für 0 als demjenigen für 4. Dieser Zusammenhang zeigte sich nicht nur in mathematisch aktiven Arealen des Scheitellappens, sondern auch in Bereichen des Stirn- und Schläfenlappens sowie im Hippocampus und benachbarten Hirnregionen.

Topographische Zahlenrepräsentation im parietalen Cortex

Besonders aufschlussreich war die räumliche Verteilung der Aktivität im vorderen Sulcus intraparietalis, einer Hirnfurche des Scheitellappens. Dort identifizierten die Forscher Voxel, also kleine dreidimensionale Bildpunkte der fMRT, mit einer bevorzugten Reaktion auf bestimmte Zahlenwerte. Voxel mit einer Präferenz für kleinere Zahlen lagen eher im vorderen Teil des Areals, diejenigen für größere Zahlen weiter hinten und etwas höher. Dieses räumliche Gefälle zeigte sich für Brüche und ganze Zahlen in weitgehend denselben Abschnitten des Hirnareals, und in den gemittelten Hirndaten stimmten die räumlichen Zahlenpräferenzen beider Zahlentypen deutlich überein. Auch bei einzelnen Teilnehmern war die Grundordnung erkennbar, bei 14 der 20 Probanden für ganze Zahlen und bei 15 für Brüche. Dennoch bleiben substantielle Fragen offen, da die Studie nur zwölf vertraute Werte und eine kleine Stichprobe mathematisch vorgebildeter Erwachsener umfasste. Die getesteten Brüche reichten lediglich von 0,25 bis 2,5, während die ganzen Zahlen den Bereich von 0 bis 5 abdeckten, weshalb weitere Untersuchungen nötig sind.