Zeitliche Reihenfolge von Aktivierungen und Interaktionen während arithmetischer Berechnungen gemessen mit intrakraniellen elektrophysiologischen Aufzeichnungen im menschlichen Gehirn

Warum das Timing Ihres Gehirns beim Rechnen wichtig ist

Sogar einfache Rechnungen wie 8−3+2 laufen im Gehirn erstaunlich schnell ab. Aber in welcher Reihenfolge schalten sich verschiedene Hirnareale dazu — und wie kommunizieren sie miteinander, während Sie rechnen? In dieser Studie wurden seltene, äußerst präzise Aufzeichnungen direkt aus den Gehirnen Erwachsener genutzt, die schrittweise Gleichungen lösten, um Millisekunde für Millisekunde abzubilden, wie das „Mathe‑Netzwerk“ sich einschaltet, koordiniert und wieder beruhigt. Das Verständnis dieses Timings hilft zu zeigen, wie das gesunde Gehirn Alltagsfähigkeiten unterstützt — von einer Rechnung bezahlen bis zum Lesen eines Diagramms — und könnte eines Tages zu besseren Hilfen für Menschen mit Rechenschwierigkeiten führen.

Blick ins Gehirn während aktiver Rechnungen

Um diese verborgene Aktivität zu erfassen, arbeiteten die Forscher mit 20 erwachsenen Epilepsiepatienten, bei denen aus klinischen Gründen bereits dünne Elektroden tief im Gehirn platziert waren. Während ihre Hirnsignale aufgezeichnet wurden, lösten die Teilnehmenden kurze arithmetische Aufgaben wie 8−3+2, die jeweils ein Symbol nach dem anderen auf einem Bildschirm zeigten. Die erste Zahl erforderte vor allem das Erkennen des Symbols, während zweite und dritte Zahl aktive Berechnung verlangten. Das Team konzentrierte sich auf sehr schnelle elektrische Wellen, sogenannte High‑Gamma‑Aktivität, ein verlässliches Zeichen dafür, dass lokale Neuronengruppen intensiv arbeiten, sowie auf langsame Hirnrhythmen, die zeigen, wie entfernte Regionen vorübergehend synchronisieren, während eine Aufgabe gelöst wird.

Vom Erkennen der Zahlen zum Rechnen mit ihnen

Die Aufzeichnungen zeigten eine deutliche Abfolge von Aktivität. Zunächst leuchteten Bereiche im hinteren und unteren Teil des Gehirns auf, die auf visuelle Formen spezialisiert sind, kurz auf, wenn eine Zahl erschien — ein Abbild des schnellen Erkennens des Symbols selbst. Danach zeigten Regionen entlang der Ober‑ und Seitenflächen, die für Zahlenbedeutung und Mengen bekannt sind, einen langsameren, stärkeren Aktivitätsanstieg, während die Berechnung ablief. Schließlich wurden frontale Bereiche näher zur Stirn stärker einbezogen, insbesondere bei späteren Schritten der Gleichung, was ihrer Rolle in Aufmerksamkeit, dem Halten von Zwischenergebnissen im Gedächtnis und in Entscheidungsprozessen entspricht. Gleichzeitig gingen die Aktivitäten in Bereichen des sogenannten „Default‑Mode‑Netzwerks“, die bei Tagträumen oder innerer Fokussierung aktiver sind, zurück — ein Hinweis darauf, dass Ressourcen zugunsten der anspruchsvollen Rechenaufgabe umgeschichtet wurden.

Abstrakte Zahlen, Formate und Schwierigkeit

Die Studie prüfte außerdem, ob das Gehirn verschiedene Darstellungsweisen von Zahlen — arabische Ziffern, geschriebene Wörter wie „sechs“, Würfelmuster oder Finger — grundlegend unterschiedlich behandelt. Überraschenderweise reagierten die meisten Schlüsselregionen sehr ähnlich, unabhängig vom Format, was nahelegt, dass das Gehirn, sobald Symbole erkannt sind, sie rasch in ein gemeinsames, abstraktes Mengenverständnis überführt. Eine Parietalregion war besonders sensibel für die Schwierigkeit der Aufgaben: Sie arbeitete härter, wenn Zwischenergebnisse von einer Dekade in die nächste sprangen (zum Beispiel von 45 zu 51), ein Schritt, der mentales Rechnen typischerweise erschwert. Diese Befunde stützen die Idee, dass diese Region als zentraler Knoten für das Verstehen und Manipulieren numerischer Größen dient.

Gehirnweite Gespräche bei jedem Rechenschritt

Über lokale Aktivität hinaus untersuchten die Forschenden die funktionelle Konnektivität — wie stark die Signale verschiedener Regionen synchron anstiegen und abfielen. Beim Erscheinen jeder Zahl verstärkten sich Verbindungen im Mathe‑Netzwerk kurzfristig, insbesondere in sehr langsamen Rhythmen namens Delta und in etwas schnelleren Theta‑Rhythmen. Auffällig war, dass synchronisierte Theta‑Aktivität tendenziell früher ihren Gipfel erreichte als Delta, was auf unterschiedliche Rollen dieser Rhythmen bei der Koordination gehirnweiter Kommunikation hindeutet. Überraschenderweise verband eine der frühesten Konnektivitätsausbrüche visuelle Zahlenareale im hinteren Gehirn direkt mit frontalen Kontrollregionen, noch bevor diese frontalen Areale ihre maximale Aktivität erreichten. Mit Fortschreiten der Rechnung weitete sich das Muster aus und bezog parietale und sensomotorische Regionen ein, wodurch sich etwa 200–400 Millisekunden nach dem Erscheinen jeder Zahl ein stabiles Kommunikationsrückgrat bildete.

Was das für das Alltagsrechnen bedeutet

Kurz gesagt zeigt die Studie, dass Ihr Gehirn beim Rechnen Informationen schnell von visuellen Regionen, die Zahlen erkennen, an parietale Regionen, die „wie viel“ repräsentieren, und weiter an frontale Regionen, die Aufmerksamkeit und Arbeitsgedächtnis steuern, weiterreicht — und dass sich diese Areale dabei kurzzeitig auf gemeinsame Rhythmen einschwören. Auch wenn die Untersuchungen an Epilepsiepatienten vorgenommen wurden und Mathematik mit einem Ruhe‑Baseline statt mit anderen Denkaufgaben verglichen wurde, liefert die Arbeit einen seltenen, hochaufgelösten Blick auf die Rechenmaschinerie des Gehirns in Aktion. Diese Einsichten können Theorien darüber verfeinern, wie wir Arithmetik lernen und ausführen, und langfristig Unterrichtsstrategien oder gehirnbasierte Behandlungen unterstützen, die Menschen mit Zahlenproblemen helfen sollen.

Zitation: Kalinova, M., Kerkova, B., Kalina, A. et al. Temporal order of activations and interactions during arithmetic calculations measured by intracranial electrophysiological recordings in the human brain. Sci Rep 16, 5587 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36122-z

Schlüsselwörter: mentale Arithmetik, Gehirnnetzwerke, intrakranielles EEG, numerische Kognition, funktionelle Konnektivität