Neuronale Korrelate der Größenordnung bei symbolischen Zahlen

Eine jüngst in PLOS Biology veröffentlichte Studie von Forschern um Robert Klatt liefert fundamentale neue Erkenntnisse über die räumliche Organisation numerischer Repräsentationen im menschlichen Gehirn. Die Untersuchung adressiert die Frage, wie das Gehirn ganze Zahlen und Brüche bei aktiven Vergleichsaufgaben verarbeitet und ob beide Zahlentypen auf einer gemeinsamen mentalen Größenskala repräsentiert werden. Zu diesem Zweck präsentierten die Wissenschaftler 20 mathematisch vorgebildeten Erwachsenen auf einem Bildschirm sechs ganze Zahlen im Bereich 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. Während der Durchführung der Aufgabe registrierte ein hochauflösender 7-Tesla-Magnetresonanztomograf die Muster der Hirnaktivität mit einer räumlichen Auflösung von 1,2 Millimetern. Die Forscher wollten damit die neuronalen Korrelate der Größenordnung bei symbolischen Zahlen untersuchen. Sie prüften, ob das Gehirn eine räumlich angeordnete Karte für Zahlen besitzt. Die Studie wurde am 22. Oktober 2026 veröffentlicht.

Psychophysikalische Befunde und der Abstandseffekt

Die Verhaltensdaten offenbarten signifikante Unterschiede in der kognitiven Verarbeitung beider Zahlentypen. Bei aufeinanderfolgenden Brüchen benötigten die Teilnehmer durchschnittlich 1.192 Millisekunden für ihre Entscheidung, während es bei ganzen Zahlen lediglich 808 Millisekunden waren. Zugleich lag die mittlere Fehlerquote bei den Bruchvergleichen mit 9,5 Prozent deutlich über den 3,7 Prozent für ganze Zahlen. Unabhängig von der Zahlenschreibweise zeigte sich zudem ein robuster psychophysikalischer Abstandseffekt: Wenn zwei aufeinanderfolgende Werte nahe beieinander lagen, reagierten die Probanden langsamer und machten häufiger Fehler als bei weiter auseinanderliegenden Zahlen. Dieser Zusammenhang trat sowohl innerhalb eines Zahlentyps als auch beim Wechsel zwischen Brüchen und ganzen Zahlen auf und deutet auf eine gemeinsame zugrundeliegende Größenrepräsentation hin. Die Forscher verglichen die Reaktionszeiten und Fehlerquoten sorgfältig miteinander. Sie fanden heraus, dass Brüche generell mehr kognitive Ressourcen beanspruchen. Die Probanden mussten sich stärker konzentrieren.

Duale Kodierungsprinzipien im frontoparietalen Netzwerk

Die multivariate Analyse der fMRT-Daten offenbarte zwei wesentliche, jedoch distinkte Ordnungsprinzipien in der Hirnaktivität. Ein Teil der Aktivitätsunterschiede trennte Brüche von ganzen Zahlen und könnte auf Unterschiede in der visuellen Darstellung und der damit verbundenen kognitiven Verarbeitungsstrategie 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, was auf eine weitverteilte, aber koordinierte Verarbeitung numerischer Information hindeutet. Trotz dieser gemeinsamen Größenskala blieben Unterschiede zwischen Brüchen und ganzen Zahlen erkennbar. Das Gehirn scheint beide Zahlentypen bei bewussten Größenvergleichen somit aufeinander zu beziehen, ohne dass ihre Verarbeitung vollständig zusammenfällt.

Topographische Zahlenkarte und methodische Limitationen

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. Bildpunkte 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 Einschränkungen zu konstatieren: Die Studie umfasste lediglich zwölf vertraute Werte und eine kleine Gruppe mathematisch vorgebildeter Erwachsener. Die getesteten Brüche reichten lediglich von 0,25 bis 2,5, während die ganzen Zahlen den Bereich von 0 bis 5 abdeckten. Weil die Teilnehmer fortlaufend zwischen Brüchen und ganzen Zahlen wechselten, könnte die Aufgabe die gemeinsame Repräsentation verstärkt oder sogar erst hervorgebracht haben. Zudem bleibt unklar, ob die Zahlenkarte auch außerhalb solcher Vergleiche in derselben Form existiert und welche Region den Zahlenwert zuerst ermittelt. Künftige Studien könnten prüfen, wie flexibel sich die Zahlenkarte an unterschiedliche Aufgaben anpasst.