Die Fähigkeit zu rechnen ist eine der bemerkenswertesten Leistungen des menschlichen Geistes. Doch welche Hirnregionen sind an dieser komplexen kognitiven Funktion beteiligt? Die neurowissenschaftliche Forschung hat in den letzten Jahren bedeutende Fortschritte bei der Identifizierung der neuronalen Grundlagen des Rechnens gemacht.
Fallbeispiel: Die Auswirkungen von Hirnschädigungen auf die Rechenfähigkeit
Die Geschichte von Herrn N., einem Versicherungsmakler, der nach einem Autounfall an einer Aphasie und halbseitiger Lähmung litt, verdeutlicht die Bedeutung bestimmter Hirnregionen für die Sprach- und Rechenfähigkeit. Seine Schwierigkeiten beim Sprechen, Schreiben, Verstehen von Wörtern und Lesen, sind typische Folgen einer Schädigung der linken Hirnhälfte, in der bei den meisten Rechtshändern die Sprachverarbeitung lokalisiert ist. Dieser Fall wirft die Frage auf, wie und wo im Gehirn überhaupt gerechnet wird.
Die Lokalisation von Rechenprozessen im Gehirn
Ähnlich wie die Sprache verwendet die Mathematik ein Vokabular mit einer bestimmten Bedeutung sowie formalen Regeln. Die Frage ist, wo und wie das Gehirn rechnet. Um diese Frage zu beantworten, haben Forscher verschiedene Methoden eingesetzt, darunter die Untersuchung von Patientinnen und Patienten mit Hirnschädigungen und die Ableitung der Hirnaktivität mittels Elektroenzephalographie (EEG) und Magnetresonanztomographie (MRT).
Studie an Epilepsiepatienten
Eine Studie der Bonner Universitätsklinik für Epileptologie nutzte die Gelegenheit, bei Patientinnen und Patienten mit Epilepsie, denen Elektroden in den Schläfenlappen implantiert worden waren, die Aktivität von Nervenzellen während des Rechnens aufzuzeichnen. Die Ergebnisse zeigten, dass bei Additionen andere Neuronen feuerten als bei Subtraktionen. Dabei kodierten die gefundenen Zellen tatsächlich eine mathematische Handlungsanweisung, unabhängig davon, ob mathematische Symbole oder Wörter verwendet wurden. Ein selbstlernendes Computerprogramm konnte anhand der Aktivitätsmuster der Zellen mit großer Genauigkeit vorhersagen, welche Art von Aufgabe die Probandinnen und Probanden gerade bearbeiteten.
Beteiligung des parahippokampalen Kortex
Interessanterweise wurde auch im parahippokampalen Kortex eine spezifische Aktivität von Nervenzellen bei Additionen und Subtraktionen festgestellt. Allerdings wechselten beim Summieren während ein- und derselben Rechenaufgabe abwechselnd unterschiedliche Additions-Neurone ihre Aktivität, was einem ständigen Wechsel der Plustaste auf einem Taschenrechner gleichkommt.
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Der Parietallappen als Rechenzentrum
Der Parietallappen, insbesondere der untere und obere Bereich, spielt eine zentrale Rolle für unser Zahlen- und Rechenverständnis. Der linke Scheitellappen wird als Operationszentrale für schwierige mathematische Denkvorgänge angesehen, während die rechte Gehirnhälfte für einfachere Operationen wie Vergleiche und näherungsweises Addieren und Subtrahieren zuständig ist. Für komplexere Rechenoperationen ist jedoch eine enge Zusammenarbeit beider Hirnhälften erforderlich.
Die Rolle der Gehirnhälften beim Rechnen
Die linke Gehirnhälfte steuert den sprachlichen Ausdruck und die abstrahierende Darstellung quantifizierbarer Vorgänge, also Ziffern, Zahlwörter, räumliche Vorstellung und schwierige mathematische Operationen. Die Bestimmung ist hier präzise. Die rechte Gehirnhälfte hingegen ist für einfache mathematische Operationen wie Vergleiche und näherungsweises Addieren und Subtrahieren zuständig, jedoch mit einer gewissen Ungenauigkeit. Nur eine ungestörte Kooperation beider Hirnhälften macht klares Rechnen möglich.
Die "visual number form area" (NFA)
Forscher der Universität Jena und des Jenaer Universitätsklinikums haben eine wichtige Region zur visuellen Verarbeitung von Zahlen im menschlichen Gehirn lokalisiert, die sogenannte "visual number form area" (NFA). Entgegen bisheriger Annahmen ist diese Region in beiden Hirnhälften aktiv. Mittels hochaufgelöster Magnetresonanz-Aufnahmen konnten sie zeigen, dass das kleine Areal an der Unterseite des linken und rechten Schläfenlappens bei der Präsentation von Ziffern mit erhöhter Aktivität reagiert.
Der mathematische Hot Spot
Forscher der Stanford University haben im inferioren temporalen Gyrus einen "mathematischen Hot Spot" entdeckt, der aus rund zwei Millionen Nervenzellen besteht und eine sehr hohe Aktivität zeigt, sobald ein Mensch mit Zahlen konfrontiert wird. Diese Nervenzellen sind auf die Verarbeitung von Ziffern spezialisiert.
Mengenverarbeitung im Gehirn
Studien haben gezeigt, dass Menschen Mengen bis zu vier Objekten auf einen Blick richtig erkennen können. Bei größeren Mengen passieren jedoch Fehler. Dies deutet darauf hin, dass wir kleine und große Mengen unterschiedlich verarbeiten. Es gibt im Gehirn Nervenzellen, die für bestimmte Anzahlen zuständig sind. Manche Neurone feuern zum Beispiel vor allem bei Zweiermengen, andere bei Vierermengen und wieder andere bei Mengen von sieben Elementen.
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Der natürliche Mengenbegriff
Das menschliche Gehirn hat einen natürlichen Mengenbegriff, der unabhängig von einem formalen Zahlenbegriff existiert. Dies zeigt sich bei indigenen Völkern im Amazonas, die keinen Zahlenbegriff haben, aber dennoch Mengen addieren und subtrahieren können. Auch bei Säuglingen und Tieren lassen sich ähnliche Beobachtungen machen. Die für den Mengenbegriff zuständigen Nervenzellen sind im Parietallappen und im präfrontalen Cortex angesiedelt.
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