Wie unser Gehirn Mengen und Ziffern wahrnimmt

    24. September 2018, 08:00
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    Aktuelle Untersuchung zeigt, wie wir lernen, mit Zahlensymbolen im Vergleich zu Mengen umzugehen

    Obwohl das Zählen auf den ersten Blick als eine einfache Fertigkeit erscheint, sind sich Neurowissenschaft immer noch nicht ganz im Klaren darüber, welche Abläufe in unseren Gehirnen dabei eine Rolle spielen. Deutschen Wissenschaftern ist es nun aber gelungen, etwas mehr Licht in die Angelegenheit zu bringen. Die Forscher konnten zeigen, dass manche Hirnzellen hauptsächlich bei Dreiermengen feuern, andere bei Vierermengen und wieder andere bei anderen Anzahlen. Bei Ziffern ist es ähnlich: Eine "2" aktiviert beim Menschen andere Neuronen als etwa eine "5".

    Die Fähigkeit zu zählen ist uns in die Wiege gelegt: Bereits kurz nach der Geburt können Säuglinge die Anzahl von Ereignissen abschätzen und sogar einfache Berechnungen durchführen. Doch was spielt sich dabei genau im Gehirn ab? Und verarbeiten wir abstrakte Zahlen anders als konkrete Mengen? Forscher von der Abteilung für Epileptologie der Universität Bonn sind diesen beiden Fragen zusammen mit Neurobiologen der Universität Tübingen nachgegangen.

    Punkte zählen mit Elektroden im Kopf

    An der Studie nahmen neun Epilepsie-Patienten, denen zu Therapiezwecken haarfeine Mikroelektroden in den Schläfenlappen eingesetzt worden waren. "Damit konnten wir die Reaktion einzelner Nervenzellen auf visuelle Reize messen", erläutert der Leiter der Arbeitsgruppe Kognitive und Klinische Neurophysiologie Florian Mormann. Die Wissenschafter zeigten ihren Probanden nun auf einem Computerbildschirm eine unterschiedlich große Anzahl von Punkten – mal nur einen, mal vier oder auch fünf. "Wir konnten zeigen, dass bestimmte Nervenzellen vor allem bei ganz bestimmten Mengen feuerten", erklärt Esther Kutter, Erstautorin der in der in der Fachzeitschrift "Neuron" erschienen Studie. "Manche wurden zum Beispiel hauptsächlich durch drei Punkte aktiviert, andere durch einen."

    Jede Menge erzeugt also im menschlichen Gehirn ein spezifisches Aktivitätsmuster. "Wir haben einen Klassifizierungs-Algorithmus geschrieben, der dieses Muster auswertet", erklärt Mormann. "Mit ihm konnten wir aus dem Erregungszustand der Nervenzellen ablesen, wie viele Punkte unsere jeweilige Versuchsperson gerade sah."

    Zudem beobachteten die Forscher einen interessanten Effekt: Die Neuronen waren zwar auf eine bestimmte Menge "eingestellt", sprachen aber auch auf leicht abweichende Mengen an. Eine Dreier-Hirnzelle feuerte also auch bei zwei oder vier Punkten, dann aber schwächer. Durch einen oder fünf Punkte ließ sie sich dagegen kaum noch aktivieren. Experten nennen das "Numerical Distance Effect". Andreas Nieder von der Universität Tübingen, Mit-Betreuer der Studie, hat dasselbe Phänomen bereits bei Versuchen an Affen nachgewiesen. "Anzahlen werden in unserem Gehirn auf genau die gleiche Weise wie im Gehirn von Affen verarbeitet", betont er. "Das bestätigt Affen als unverzichtbares Modell für die Erforschung der Verarbeitung quantitativer Information."

    Ziffern-Neuronen und Mengen-Neuronen unterscheiden sich

    Wie wir Ziffern verarbeiten – also Symbole, die Quantitäten repräsentieren –, lässt sich mit Hilfe von Tieren aber kaum beantworten. Die Wissenschafter konnten nun erstmals zeigen, dass das im Prinzip so ähnlich funktioniert wie mit Mengen: Wenn wir eine bestimmte Ziffer sehen, feuern bestimmte Hirnzellen. Die Ziffern-Neuronen sind aber nicht mit den Mengen-Neuronen identisch: Die Ziffer "3" regt ganz andere Nervenzellen an als eine Menge von drei Punkten.

    Noch spannender ist eine weitere Beobachtung: "Auch bei den Ziffern-Neuronen gibt es einen Numerical Distance Effect", sagt Mormann. "Sie lassen sich also ebenfalls nicht nur durch die genau passende Ziffer, sondern auch durch deren Nachbarn anregen – allerdings nur sehr schwach." Dennoch zeigt dieses Phänomen, dass wir uns Ziffern anders aneignen als einfache Zeichen: Die Neuronen haben gewissermaßen gelernt, dass sich eine 3 in ihrem Wert nur wenig von einer 2 oder einer 4 unterscheidet, sonst würden sie nicht auch auf diese beiden Ziffern ansprechen. Ziffern scheinen also fest mit einer bestimmten Mengenvorstellung verwoben zu sein.

    Die Forscher hoffen, dass ihre Ergebnisse auch zu einem besseren Verständnis der Dyskalkulie beitragen, einer Entwicklungsstörung, die unter anderem mit einem schlechteren Mengenverständnis einhergeht. (red, 24.9.2018)

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