Временной порядок активаций и взаимодействий во время арифметических вычислений, измеренный внутричерепными электрофизиологическими записями в головном мозге человека

Почему имеет значение временная организация математических операций в вашем мозге

Даже простые суммы вроде 8−3+2 мозг выполняет удивительно быстро. Но в каком порядке подключаются разные области мозга и как они обмениваются информацией в процессе вычислений? В этом исследовании использовали редкие, ультраточные записи непосредственно из мозга взрослых, выполнявших пошаговые уравнения, чтобы помиллисекундно отследить, как «математическая сеть» включается, координируется и затем утихает. Понимание этой хронологии помогает раскрыть, как здоровый мозг обеспечивает повседневные навыки — от оплаты счета до чтения графика — и в перспективе может направлять более эффективную помощь людям с трудностями в математике.

Заглядывая в мозг во время реальных вычислений

Чтобы зафиксировать эту скрытую активность, исследователи работали с 20 взрослыми пациентами с эпилепсией, у которых по клиническим показаниям уже были установлены тонкие электроды глубоко в мозге. Пока записывались их мозговые сигналы, участники решали короткие арифметические уравнения, например 8−3+2, показанные по одному символу на экране. Первый номер в основном требовал распознавания символа, тогда как второй и третий требовали активного вычисления. Команда сосредоточилась на очень быстрых электрических всплесках, называемых высокогамма-активностью, надежном маркере интенсивной работы локальных групп нейронов, а также на медленных ритмах мозга, которые показывают, как отдаленные регионы временно синхронизируются при решении задачи.

От восприятия чисел к работе с ними

Записи показали четкую каскаду активностей. Сначала кратковременно включались области в задней и нижней части мозга, специализированные на зрительных формах — при появлении числа они отражали быстрое распознавание самого символа. Затем области по верхней и боковой поверхности мозга, известные поддержкой значения числа и представлением количеств, демонстрировали более медленный, но более сильный рост активности по мере развития вычисления. Наконец, фронтальные области ближе к лбу становились более вовлеченными, особенно на поздних шагах уравнения, что согласуется с их ролью в внимании, удержании промежуточных результатов в рабочей памяти и принятии решения о корректности ответа. Одновременно области так называемой сети «по умолчанию», более активные при мечтаниях или внутренней фокусировке, снижали активность, предполагая перераспределение ресурсов в сторону требовательной математической задачи.

Абстрактные числа, форматы и сложность

Исследование также проверяло, рассматривает ли мозг по‑разному разные способы представления чисел — арабские цифры, написанные слова вроде «шесть», рисунки на костях или показанные пальцы. Удивительно, но большинство ключевых регионов реагировали очень похоже независимо от формата, что указывает: как только символы распознаны, мозг быстро переводит их в общее, абстрактное представление величины. Одна теменная область оказалась особенно чувствительной к сложности задачи: она работала интенсивнее, когда промежуточные результаты переходили из одного десятка в другой (например, с 45 на 51) — шаг, который обычно делает устную арифметику более ресурсоемкой. Эти результаты поддерживают идею, что эта область служит основным узлом для понимания и манипулирования числовой величиной.

Обще‑мозговые «разговоры» на каждом шаге

Помимо локальной активности, исследователи изучали функциональную связность — насколько сильно сигналы разных регионов поднимаются и опускаются синхронно. При появлении каждого числа связи внутри математической сети кратко усиливались, особенно в очень медленных ритмах, называемых дельта, и в несколько более быстрых тета-ритмах. Примечательно, что синхронизированная тета-активность, как правило, достигала пика раньше, чем дельта, намекая на различные роли этих ритмов в координации глобальной коммуникации мозга. Удивительно, что один из ранних всплесков связности связывал зрительные области, распознающие числа, в задней части мозга напрямую с фронтальными регионами управления, даже до того, как эти фронтальные области достигли своей пиковый активности. По мере продвижения вычисления паттерн расширялся, включая теменные и сенсомоторные области, формируя стабильный коммуникационный «каркас» примерно через 200–400 миллисекунд после появления каждого числа.

Что это значит для повседневной математики

Проще говоря, исследование показывает: мозг делает вычисления, быстро передавая информацию от зрительных областей, распознающих числа, к теменным областям, представляющим «насколько много», и далее к фронтальным областям, управляющим вниманием и рабочей памятью, при этом эти регионы на короткое время синхронизируются в общих ритмах. Хотя работа проводилась на пациентах с эпилепсией и сравнивала математику с состоянием покоя, а не с другими мысленными задачами, она дает редкое высокоскоростное представление о механике вычислений в действии. Эти выводы могут помочь уточнить теории того, как мы учимся и выполняем арифметику, и в перспективе послужить основой для образовательных стратегий или мозговых интервенций, направленных на помощь людям с трудностями обращения с числами.

Цитирование: 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

Ключевые слова: ментальная арифметика, сети мозга, внутрижелудочная ЭЭГ, числовое познание, функциональная связность