通过人脑颅内电生理记录测量算术计算期间激活和相互作用的时间顺序

为何你大脑的数学时序很重要

即便像 8−3+2 这样的简单加减在大脑中也发生得令人惊讶地快。但不同脑区以什么顺序参与，它们在计算时如何相互交流？本研究利用罕见且极为精确的直接脑电记录，让成人被试在逐步计算方程时，按毫秒级绘制“数学网络”如何启动、协调并随后平息的过程。理解这种时序有助于揭示健康大脑如何支持从付账到阅读图表等日常技能，未来也可能为有数学困难的人提供更好的帮助方向。

在实时计算时窥视大脑内部

为了捕捉这些隐藏活动，研究者与 20 名已因临床需要在脑内放置细电极的癫痫患者合作。在记录脑信号的同时，参与者解算如 8−3+2 之类的短算式，屏幕上一次显示一个符号。第一个数字主要需要识别符号，而第二、第三个数字则需要主动计算。团队关注非常快速的电活动称为高伽玛活动，这是局部神经群体强烈活动的可靠标记；也关注缓慢的脑节律，这些节律揭示在完成任务时不同远端区域如何短暂同步。

从看见数字到操作数字

记录显示出明确的活动级联。首先，大脑后部和底侧的视觉形态专门区在数字出现时短暂激活，反映对符号本身的快速识别。随后，位于脑顶和侧面的区域——已知支持数字意义与数量表征——在计算展开过程中显示出更慢且更强的活动上升。最后，靠近额头的额叶区域在方程后续步骤中更为投入，这与其在注意力、保持部分结果于工作记忆以及判断答案正确性方面的角色一致。与此同时，所谓“默认模式”网络（在做白日梦或内省时更活跃）的区域活动下降，表明资源被重新分配到更费力的数学任务上。

抽象数字、呈现形式与难度

研究还测试了大脑是否以根本不同的方式处理不同的数字呈现形式——阿拉伯数字、如“六”这样的书写词、骰子点或手指数。令人惊讶的是，大多数关键区域对不同形式的反应非常相似，暗示一旦符号被识别，大脑会快速将其转换为共享的、抽象的数量表征。尤其有一个顶叶区域对题目难度敏感：当中间结果跨越十位（例如从 45 变到 51）时，该区域活动更强，这种跨位通常使心算更费力。这些发现支持该区域作为理解和操作数值大小的核心枢纽的观点。

每一步中的全脑对话

除了局部活动，研究者还检查了功能连接性——不同区域信号同步上升和下降的强度。在每个数字出现时，数学网络内的连接短暂增强，尤其是在称为 delta 的很慢节律和略快的 theta 节律中。值得注意的是，同步的 theta 活动往往比 delta 更早达到高峰，提示这些节律在协调脑内广域通信中具有不同作用。出人意料的是，最早的若干次连接爆发之一将后部的视觉数字区直接与额叶控制区连接起来，甚至在这些额叶区域达到活动高峰之前。随着计算推进，连接模式扩展到顶叶和感觉运动区，形成大约在每个数字出现后 200–400 毫秒出现的稳定通信骨架。

这对日常数学意味着什么

简而言之，该研究表明你的大脑通过快速地将信息从识别数字的视觉区域传递到表征“多少”的顶叶区域，再传到管理注意力和工作记忆的额叶区域来完成计算，同时这些区域短暂地锁定在共享节律中。尽管这项工作是在癫痫患者中进行，并用静息基线作为对照而非其他思维任务，它仍提供了难得的高速视角来观察大脑的计算机制。这些见解可帮助完善我们关于如何学习和执行算术的理论，并最终可能为教育策略或基于大脑的干预提供依据，以支持在数字方面有困难的人群。

引用: 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

关键词: 心算, 脑网络, 颅内脑电图, 数感认知, 功能连接性