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阿蘭?圖靈、阿爾伯特?愛因斯坦、史蒂芬?霍金、約翰?納什——這些數(shù)學和物理大神們美奐絕倫的思想無一不讓我們著迷，但同時也讓人感到神秘莫測、難以捉摸。同樣是從最簡單的算術(shù)開始學習，為什么這一小部分人最終就能掌握普通人望塵莫及的高級的數(shù)學概念和抽象思維？神經(jīng)科學家已經(jīng)開始研究數(shù)學奇才的大腦是否真有什么過人之處，可以顯著提高概念性思維的水平。

有科學家認為，高層次的數(shù)學思維與大腦語言處理中樞相關(guān)聯(lián)，因為在如此抽象的層面上思考，數(shù)學家需要理解語言表征和語法，但也有科學家認為，這種數(shù)學思維只來自于與數(shù)量和空間推理有關(guān)的獨立的腦區(qū)。在本周《美國科學院院刊》（PNAS）發(fā)表的一項研究中，法國INSERM-CEA認知神經(jīng)成像機構(gòu)（INSERM-CEA Cognitive Neuroimaging Unit）的兩位研究人員稱他們發(fā)現(xiàn)涉及數(shù)學思維的腦區(qū)與從事同樣復雜的非數(shù)學思維的腦區(qū)有所不同。

該團隊使用功能性磁共振成像（fMRI)掃描了15位專業(yè)數(shù)學家和15位同等學術(shù)地位的非數(shù)學領(lǐng)域科學家的大腦，在掃描的同時讓受試者聽一系列72個高級數(shù)學命題，其中代數(shù)、數(shù)學分析、幾何學和拓撲學各18個，以及18個高級的非數(shù)學命題（主要為歷史方面的），他們每人有4秒的時間來思考每一命題并判斷其是真、是假或是無意義。

研究人員發(fā)現(xiàn)，只有數(shù)學家們在聽到數(shù)學相關(guān)的命題時，其大腦中雙側(cè)頂內(nèi)區(qū)、背側(cè)前額葉和下顳葉區(qū)域的神經(jīng)網(wǎng)絡才會被激活。這一大腦回路通常不參與語言和語義處理。而當受試者被問及非數(shù)學命題時，所有人，無論數(shù)學家還是其他專家，負責語言和語義處理的腦區(qū)域均被激活。這一研究的共同作者，研究生Marie Amalric說，“我們的研究結(jié)果表明，高水平的數(shù)學思考所反復利用的大腦區(qū)域，是人腦中與數(shù)字和空間認知相關(guān)的區(qū)域，該區(qū)域在多年以前就已形成，并一直隨人類演化到今天?！?/p>

先前的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這些非語言區(qū)域在執(zhí)行基本的算術(shù)運算，甚至只是看到頁面上的數(shù)字時就表現(xiàn)活躍，這意味著高級數(shù)學思維和基礎數(shù)學思維是相關(guān)的。事實上，認知神經(jīng)成像機構(gòu)的主任，也是實驗心理學家兼論文共同作者Stanislas Dehaene ，就研究過為何人類（甚至一些動物物種）對數(shù)量和算術(shù)操作有一種與生俱來的直覺，又稱“數(shù)感”，它與空間想象能力也密切相關(guān)。至于這種固定成型的“數(shù)感”又是如何與高級數(shù)學思維聯(lián)系起來的，仍是未解之謎。這項研究工作提出了一個有趣的問題：我們與生俱來的辨別不同數(shù)量（如兩個蘋果多于一個蘋果）的能力，會不會同時也是我們理解群論這類復雜理論的生物學基礎？加拿大西安大略大學的認知神經(jīng)學家Daniel Ansari說：“探索低級和高級數(shù)學能力之間的因果關(guān)系將會非常有趣。”他沒有參與該項研究。“我們大多數(shù)人都掌握基礎的算術(shù)能力，所以我們早已激活這些大腦區(qū)域，但只有極少數(shù)人繼續(xù)從事高級數(shù)學研究。我們?nèi)圆恢莱蔀橐幻麛?shù)學專家是否會改變一個人計算的方式，也不知道學習基礎算術(shù)對于掌握更高層面的數(shù)學概念是否有幫助?！?/p>

Ansari提議進行一項訓練研究，給非數(shù)學專家教授高級數(shù)學概念，這樣就能幫助研究者更好地理解不同等級數(shù)學概念之間的關(guān)聯(lián)和它們的形成方式。此外，數(shù)學方面的專業(yè)知識可能對神經(jīng)回路產(chǎn)生其他方面的影響。Amalric的研究發(fā)現(xiàn)，數(shù)學家大腦中與面部表情處理相關(guān)的視覺區(qū)域活躍度比一般人小，這可能意味著，掌握和使用某些數(shù)學概念所需的神經(jīng)系統(tǒng)資源可能會削弱或“耗竭”大腦的一些其他能力。盡管還需要更多的研究來確定數(shù)學家們識別面部表情的能力是否真的與常人不同，但是研究人員希望能進一步了解專業(yè)知識是怎樣影響大腦的構(gòu)造與工作方式的。

Ansari說：“我們可以研究這些特殊才能是從哪里來的，也可以研究高水平的數(shù)學專業(yè)知識與基礎數(shù)學能力在神經(jīng)生物學上的相關(guān)性。幸好，現(xiàn)在我們有能力利用大腦成像技術(shù)來回答這方面的深刻問題了。

撰文 Jordana Cepelewicz

翻譯 郭琳雯

審校 秦琪凱