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数学家的大脑,跟我们这些凡夫俗子有何不同?

2016/04/22 来源:环球科学
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导读
数学家处理高级数学概念时使用的神经网络,其实与每个小孩与生俱来的基础数学技能所使用的神经网络完全相同。


数学家处理高级数学概念时使用的神经网络,其实与每个小孩与生俱来的基础数学技能所使用的神经网络完全相同。

阿兰·图灵、阿尔伯特·爱因斯坦、史蒂芬·霍金、约翰·纳什——这些数学和物理大神们美奂绝伦的思想无一不让我们着迷,但同时也让人感到神秘莫测、难以捉摸。同样是从最简单的算术开始学习,为什么这一小部分人最终就能掌握普通人望尘莫及的高级的数学概念和抽象思维?神经科学家已经开始研究数学奇才的大脑是否真有什么过人之处,可以显著提高概念性思维的水平。

有科学家认为,高层次的数学思维与大脑语言处理中枢相关联,因为在如此抽象的层面上思考,数学家需要理解语言表征和语法,但也有科学家认为,这种数学思维只来自于与数量和空间推理有关的独立的脑区。在本周《美国科学院院刊》(PNAS)发表的一项研究中,法国INSERM-CEA认知神经成像机构(INSERM-CEA Cognitive Neuroimaging Unit)的两位研究人员称他们发现涉及数学思维的脑区与从事同样复杂的非数学思维的脑区有所不同。

该团队使用功能性磁共振成像(fMRI)扫描了15位专业数学家和15位同等学术地位的非数学领域科学家的大脑,在扫描的同时让受试者听一系列72个高级数学命题,其中代数、数学分析、几何学和拓扑学各18个,以及18个高级的非数学命题(主要为历史方面的),他们每人有4秒的时间来思考每一命题并判断其是真、是假或是无意义。

研究人员发现,只有数学家们在听到数学相关的命题时,其大脑中双侧顶内区、背侧前额叶和下颞叶区域的神经网络才会被激活。这一大脑回路通常不参与语言和语义处理。而当受试者被问及非数学命题时,所有人,无论数学家还是其他专家,负责语言和语义处理的脑区域均被激活。这一研究的共同作者,研究生Marie Amalric说,“我们的研究结果表明,高水平的数学思考所反复利用的大脑区域,是人脑中与数字和空间认知相关的区域,该区域在多年以前就已形成,并一直随人类演化到今天。”

先前的研究已经发现,这些非语言区域在执行基本的算术运算,甚至只是看到页面上的数字时就表现活跃,这意味着高级数学思维和基础数学思维是相关的。事实上,认知神经成像机构的主任,也是实验心理学家兼论文共同作者Stanislas Dehaene ,就研究过为何人类(甚至一些动物物种)对数量和算术操作有一种与生俱来的直觉,又称“数感”,它与空间想象能力也密切相关。至于这种固定成型的“数感”又是如何与高级数学思维联系起来的,仍是未解之谜。这项研究工作提出了一个有趣的问题:我们与生俱来的辨别不同数量(如两个苹果多于一个苹果)的能力,会不会同时也是我们理解群论这类复杂理论的生物学基础?加拿大西安大略大学的认知神经学家Daniel Ansari说:“探索低级和高级数学能力之间的因果关系将会非常有趣。”他没有参与该项研究。“我们大多数人都掌握基础的算术能力,所以我们早已激活这些大脑区域,但只有极少数人继续从事高级数学研究。我们仍不知道成为一名数学专家是否会改变一个人计算的方式,也不知道学习基础算术对于掌握更高层面的数学概念是否有帮助。”

Ansari提议进行一项训练研究,给非数学专家教授高级数学概念,这样就能帮助研究者更好地理解不同等级数学概念之间的关联和它们的形成方式。此外,数学方面的专业知识可能对神经回路产生其他方面的影响。Amalric的研究发现,数学家大脑中与面部表情处理相关的视觉区域活跃度比一般人小,这可能意味着,掌握和使用某些数学概念所需的神经系统资源可能会削弱或“耗竭”大脑的一些其他能力。尽管还需要更多的研究来确定数学家们识别面部表情的能力是否真的与常人不同,但是研究人员希望能进一步了解专业知识是怎样影响大脑的构造与工作方式的。

Ansari说:“我们可以研究这些特殊才能是从哪里来的,也可以研究高水平的数学专业知识与基础数学能力在神经生物学上的相关性。幸好,现在我们有能力利用大脑成像技术来回答这方面的深刻问题了。

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