Ist das Zählen so schwer? Auch das Gehirn hat „Grenzen“ beim Zahlenverstehen

Bei Zahlen größer als 4 wird die Aktivierung der digitalen Nerven unscharf und die Fehlerrate steigt. Bei den Zahlen 4 und kleiner als 4 werden jedoch fast nur die Nerven aktiviert, die den Zahlen entsprechen, und die Wahrscheinlichkeit einer falschen Aktivierung ist sehr gering. Dies deutet darauf hin, dass das Gehirn zunächst grob schätzt, wie viele Objekte es sieht, und dann die konkrete Zahl genau schätzt. Dies deutet darauf hin, dass das Gehirn möglicherweise über einen zusätzlichen Fehlerkorrekturmechanismus für die Erkennung kleiner Zahlen verfügt.

Wie Menschen Zahlen verstehen, ist ein jahrhundertealtes Problem. Vor kurzem gab es einen Durchbruch bei der Lösung dieses schwierigen Problems. Die deutsche Wissenschaftlerin Esther Cooter und andere Forscher veröffentlichten in der neuesten Ausgabe der international renommierten Zeitschrift Nature Human Behavior einen Artikel mit dem Titel „Unterschiedliche neuronale Darstellungen kleiner und großer Zahlen im medialen Temporallappen des Menschen“. Darin bestätigten sie zum ersten Mal in der Geschichte, dass menschliche Neuronen „Grenzen“ um die Zahl 4 kodieren.

Besitzen Menschen eine angeborene Fähigkeit, Zahlen zu verstehen? Dieses Thema war umstritten. Manche Menschen glauben, dass Kinder mit der Fähigkeit geboren werden, Zahlen zu verstehen, während andere glauben, dass diese Fähigkeit erlernt werden muss. Das Verständnis von Zahlen sollte zwei Bedeutungen umfassen: zum einen die Unterscheidung von Menge und Größe von Objekten und zum anderen das Zählen und Durchführen genauer Berechnungen. Babys scheinen mit der Fähigkeit geboren zu werden, Zahlen zu unterscheiden. Wenn einem Baby zwei Stapel mit Spielzeug oder Essen unterschiedlicher Menge vorgesetzt werden, neigt es dazu, zu dem Stapel mit mehr Gegenständen zu krabbeln. Richtiges Zählen und Rechnen erfordert allerdings eine langfristige und kontinuierliche Förderung durch Eltern und Lehrer.

Auch viele Tiere zeigen ein Zahlenverständnis. Affen schätzen schnell die Anzahl der Früchte an zwei Bäumen und die Anzahl ihrer Konkurrenten ab, um zu entscheiden, zu welchem ​​Baum sie auf Nahrungssuche gehen. Einzelgängerische männliche Löwen schätzen außerdem die Anzahl rivalisierender Löwengruppen ab und entscheiden sich dann für einen Kampf oder eine Flucht. Sowohl Menschen als auch Tiere besitzen die Fähigkeit, Zahlen zu verstehen. Der Mensch ist ihnen jedoch eindeutig überlegen, was die Neugier darüber geweckt hat, wie das Gehirn das Zählen und Rechnen lernt.

Wir können ein interessantes kleines Spiel spielen. Nehmen Sie eine Handvoll Bohnen heraus und wählen Sie nach dem Zufallsprinzip ein paar Bohnen aus, damit die Kinder, die zählen gelernt haben, sie sehen können. Die Spielregeln sind, dass man nur schauen darf und dann nach Gefühl erkennt, wie viele Bohnen es insgesamt sind. In den meisten Fällen ist die Genauigkeit der Kinder am höchsten, wenn die Anzahl der Bohnen 4 oder weniger als 4 beträgt. Bei einer Bohnenanzahl von mehr als 4, insbesondere mehr als 10, ist für viele Menschen die Anzahl der Bohnen auf den ersten Blick kaum noch zu erkennen.

Dieses Experiment wurde erstmals 1871 vom britischen Wissenschaftler Stanley Jevon vorgeschlagen und in der Zeitschrift Nature unter dem Titel „The Ability to Distinguish Numbers“ veröffentlicht. Die Ergebnisse dieses Experiments zeigen, dass es für den Menschen leicht ist, kleine Zahlen zu unterscheiden und zu erfassen, bei großen Zahlen ist es jedoch schwieriger.

Im Jahr 2002 entdeckten der amerikanische Wissenschaftler Andreas Nied und andere Forscher bei der Untersuchung des Verhaltens von Affen, dass es im Gehirn dieser Affen Nerven gibt, die auf Zahlen reagieren. Wenn sie bestimmte Zahlen sehen, werden diese Nerven aktiviert und senden kontinuierlich elektrische Signale aus. Darüber hinaus senden diese Nerven auch elektrische Signale aus, wenn benachbarte Zahlen auftreten, allerdings nicht so häufig. Später entdeckten die deutsche Wissenschaftlerin Helen Dietz und andere auch ähnliche digitale Nerven im Gehirn von Krähen.

Verwendet das menschliche Gehirn also dieselben digitalen Neuronen, um Zahlen zu verstehen? Im Oktober 2023 schlossen Esther Cooter und andere Forscher die entsprechenden Experimente mit Hilfe von neurochirurgischen Epilepsiepatienten ab. Als Versuchspersonen wurden Epilepsiepatienten ausgewählt, weil ihnen Elektroden in die Schläfenlappen des Gehirns implantiert wurden, die diesen Patienten helfen sollen, epileptische Anfälle zu bekämpfen. Mit diesen Elektroden können auch die elektrischen Signale einzelner Nerven aufgezeichnet werden, wenn das menschliche Gehirn Zahlen erkennt oder zählt.

Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass das menschliche Gehirn zwei völlig unterschiedliche Mechanismen zur Verarbeitung von Zahlen verwendet: Bei Zahlen größer als 4 wird die Aktivierung der digitalen Nerven unscharf und die Fehlerrate steigt, während bei Zahlen von 4 und kleiner als 4 fast nur die den Zahlen entsprechenden Nerven aktiviert werden und die Wahrscheinlichkeit einer fehlerhaften Aktivierung sehr gering ist. Dies lässt darauf schließen, dass das Gehirn zunächst grob schätzt, wie viele Objekte es sieht, und diese Zahl dann auf eine bestimmte Zahl verfeinert. Diese Präzision funktioniert jedoch nur bei kleinen Zahlen, was darauf hindeutet, dass das Gehirn möglicherweise über einen zusätzlichen Fehlerkorrekturmechanismus für die Erkennung kleiner Zahlen verfügt.

Die unterschiedlichen Verarbeitungsmechanismen kleiner und großer Zahlen im Temporallappen des Gehirns zeigen die Existenz einer klaren Mengengrenze im Temporallappen. Da der Temporallappen des Gehirns mit Funktionen wie dem menschlichen Gedächtnis und der Wahrnehmung in Zusammenhang steht, können auch das menschliche Gedächtnis und die Aufmerksamkeit unterschiedliche Mechanismen für kleine und große Dinge aufweisen und die Lern- und Arbeitsleistung des Menschen beeinträchtigen. Forscher haben herausgefunden, dass der Temporallappen des Gehirns stark aktiviert wird, wenn Kinder das Zählen oder Multiplizieren von Zahlen lernen. Dies könnte erklären, warum es Kindern leicht fällt, kleine Zahlen zu lernen, sie jedoch Schwierigkeiten haben, große Zahlen zu bewältigen.

Wenn wir in Zukunft eingehendere Untersuchungen darüber durchführen, wie andere Bereiche des Gehirns Zahlen verstehen, können wir vielleicht bessere Lehrmethoden entwickeln, um Kindern das Zählen und Rechnen leichter beizubringen. Gleichzeitig kann uns das Verständnis, wie das Gehirn Zahlen verarbeitet, auch dabei helfen, besser zu verstehen, wie Menschen die Mathematik meistern, und dann möglicherweise Maschinen zu entwickeln, die intelligenter sind als das menschliche Gehirn.

(Wang Linlin ist Mitglied der Wissenschaftspopularisierungs- und -schaffungsvereinigung der Provinz Jilin und wissenschaftlicher Mitarbeiter am Servicezentrum für Wissenschafts- und Technologiearbeiter der Provinz Jilin; Liu Chuanbo ist Mitglied der Wissenschaftspopularisierungs- und -schaffungsvereinigung der Provinz Jilin und Doktor am Changchun-Institut für Angewandte Chemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften)