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Rechnen mit dem Stirnhirn

Neurobiologen enträtseln, wie Hirnzellen einfache Rechenregeln verarbeiten

Bestimmte Gehirnzellen repräsentieren abstrakte Regeln und sind aktiv (d.h. generieren Aktionspotentiale) entweder, um die Regel "kleiner als" oder aber "größer als" zu verarbeiten. © Universität Tübingen

Größen- und Mengenvergleiche gehören zu den ersten Rechenaufgaben, die Kinder lernen. Aber was geschieht dabei im Gehirn? Genau das haben jetzt Neurobiologen in Versuchen mit Affen herausgefunden. Wie sie in der Fachzeitschrift „Proceedings of the National Academy of Sciences” (PNAS) berichten, spielt das Stirnhirn dafür die entscheidende Rolle.

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Viele Situationen des Alltags erfordern Entscheidungen, die auf der Verarbeitung von Zahlen nach bestimmten Regeln beruhen. Wir wählen den Arbeitsplatz, der die beste Bezahlung verspricht, aber entscheiden uns beim Einkaufen für das Produkt mit dem niedrigsten Preis. Flexible „Größer-als/ Kleiner-als“-Entscheidungen sind nicht nur die Voraussetzung für vernünftiges und zielgerichtetes Verhalten, sie legen auch den Grundstein für mathematische Operationen. Logische Aufgaben wie eben Größenvergleiche gehören deshalb zu den ersten Rechenoperationen, die Kinder in der Grundschule lernen.

Affen rechnen für die Forschung

Um herauszufinden, wie und wo im Gehirn Nervenzellen diese komplexen Aufgaben lösen, haben Neurobiologen der Universität Tübingen aus der Arbeitsgruppe von Professor Andreas Nieder Versuche mit Affen durchgeführt. Die Rhesusaffen wurden dafür am Computer trainiert, Punktemengen nach Regeln zu vergleichen. War beispielsweise die „Größer als“-Regel ihre Aufgabe, mussten die Tiere eine Menge wählen, die mehr Punkte als die vorherige Vergleichsmenge zeigte. Im Falle der „kleiner als“-Regel sollte die kleinere Menge gewählt werden.

Da sich sowohl die Größe der Vergleichsmenge als auch die Regel bei jedem Testdurchlauf zufällig ändern konnte, waren die Tiere gefordert, immer konzentriert mitzuarbeiten. Während die Tiere die Aufgaben lösten, registrierten die Wissenschaftler ihre Hirnaktivität.

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Rechengehirn sitzt in der Stirn

Bei den Messungen zeigten sich Gehirnzellen mit erstaunlichen Reaktionen im Bereich des Stirnhirns, dem so genannten Präfrontalkortex etwa im Bereich der Schläfen. Gerade die Großhirnrinde am vorderen Bereich des Kopfes stellt das höchste kognitive Steuerzentrum des Gehirns dar und bringt persönlichkeitsbildende geistige Funktionen hervor: So ist bekannt, dass Schädigungen des vorderen Stirnhirns, beispielsweise durch einen Schlaganfall oder eine Hirnverletzung, zielgerichtetes logisches Denken und Schlussfolgern beeinträchtigen.

Unabhängig davon, wie groß die zu vergleichenden Punktemengen waren, die Gehirnzellen konzentrierten sich zudem offenbar ganz auf die Rechenregel: Die eine Hälfte der Nervenzellen wurde nur dann aktiv, wenn die Regel „größer als“ zu befolgen war, die andere Hälfte der Gehirnzellen nur dann, wenn dem Tier die Regel „kleiner als“ mitgeteilt worden war.

Einblick in Neurobiologie abstrakter Denkprozesse

Mit der neuen Arbeit ergeben sich wertvolle Einblicke in die neurobiologischen Grundlagen höchst abstrakter Denkprozesse, wie sie für Rechenoperationen notwendig sind. „Es geht uns zunächst konkret darum, herauszufinden, wie Nervenzellen Zahlen und Rechenoperationen verarbeiten“ erklärt Andreas Nieder. „Wir benutzen unsere Untersuchungen über die Verarbeitung von Zahleninformation aber auch bewusst, um Zugang zu den komplexen Denkprozessen des Gehirns zu finden.“

Die neue Studie gibt wichtige Hinweise darauf, wie das gesunde Gehirn die Befolgung abstrakter Rechenregeln hervorbringt. Dies ist die Grundlage dafür, krankhafte Veränderungen im Umgang mit Zahlen und anderer abstrakter Information besser zu begreifen und langfristig Therapien zu entwickeln.

(Universität Tübingen, 19.01.2010 – NPO)

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