Lors des calculs, certains neurones sont actifs lors de l’addition, d’autres lors de la soustraction.
Le cerveau possède des neurones qui se déclenchent spécifiquement lors de certaines opérations mathématiques. C’est ce que montre une étude récente menée par les universités de Tübingen et de Bonn. Les résultats indiquent que certains des neurones détectés sont actifs exclusivement pendant les additions, tandis que d’autres le sont pendant les soustractions. Ils ne se soucient pas de savoir si l’instruction de calcul est écrite sous forme de mot ou de symbole. Les résultats ont été publiés dans la revue Current Biology.
La plupart des enfants de l’école primaire savent probablement déjà que trois pommes plus deux pommes font cinq pommes. Cependant, ce qui se passe dans le cerveau lors de tels calculs est encore largement inconnu. L’étude actuelle menée par les universités de Bonn et de Tübingen fait la lumière sur cette question.
Certains neurones du cerveau s’activent spécifiquement lors de tâches d’addition, d’autres lors de soustraction. Credit : Christian Burkert/Volkswagen-Stiftung/Université de Bonn
Les chercheurs ont bénéficié d’une particularité du département d’épileptologie de l’hôpital universitaire de Bonn. Il est spécialisé dans les interventions chirurgicales sur le cerveau des personnes épileptiques. Chez certains patients, les crises proviennent toujours de la même zone du cerveau. Afin de localiser précisément cette zone défectueuse, les médecins implantent plusieurs électrodes dans les patients. Ces sondes permettent de déterminer avec précision l’origine du spasme. En outre, l’activité des neurones individuels peut être mesurée par le biais du câblage.
Certains neurones ne tirent que lors de la sommation
Cinq femmes et quatre hommes ont participé à l’étude actuelle. Des électrodes ont été implantées dans le lobe temporal du cerveau pour enregistrer l’activité des cellules nerveuses. Pendant ce temps, les participants devaient effectuer des tâches arithmétiques simples. “Nous avons constaté que des neurones différents s’activaient pendant les additions et pendant les soustractions”, explique le professeur Florian Mormann du département d’épileptologie de l’hôpital universitaire de Bonn.
Il n’était pas vrai que certains neurones ne répondaient qu’au signe “+” et d’autres qu’au signe “-” : “Même lorsque nous avons remplacé les symboles mathématiques par des mots, l’effet est resté le même”, explique Esther Kutter, qui passe son doctorat dans le groupe de recherche du professeur Mormann. “Par exemple, lorsqu’on a demandé aux sujets de calculer ‘5 et 3’, leurs neurones d’addition se sont remis en action, alors que pour ‘7 moins 4’, ce sont leurs neurones de soustraction qui l’ont fait.”
Pour l’étude, de minuscules électrodes ont été implantées dans le cerveau de cinq femmes et quatre hommes afin de mesurer l’activité de chaque neurone. Crédit : Christian Burkert/Volkswagen-Stiftung/Université de Bonn
Il en ressort que les cellules découvertes codent en réalité une instruction mathématique d’action. L’activité cérébrale a donc montré avec grande accuracy what kind of tasks the test subjects were currently calculating: The researchers fed the cells’ activity patterns into a self-learning computer program. At the same time, they told the software whether the subjects were currently calculating a sum or a difference. When the algorithm was confronted with new activity data after this training phase, it was able to accurately identify during which computational operation it had been recorded.
Prof. Andreas Nieder from the University of Tübingen supervised the study together with Prof. Mormann. “We know from experiments with monkeys that neurons specific to certain computational rules also exist in their brains,” he says. “In humans, however, there is hardly any data in this regard.” During their analysis, the two working groups came across an interesting phenomenon: One of the brain regions studied was the so-called parahippocampal cortex. There, too, the researchers found nerve cells that fired specifically during addition or subtraction. However, when summing up, different addition neurons became alternately active during one and the same arithmetic task. Figuratively speaking, it is as if the plus key on the calculator were constantly changing its location. It was the same with subtraction. Researchers also refer to this as “dynamic coding.”
“This study marks an important step towards a better understanding of one of our most important symbolic abilities, namely calculating with numbers,” stresses Mormann. The two teams from Bonn and Tübingen now want to investigate exactly what role the nerve cells found play in this.
Reference: “Neuronal codes for arithmetic rule processing in the human brain” by Esther F. Kutter, Jan Boström, Christian E. Elger, Andreas Nieder and Florian Mormann, 14 February 2022, Current Biology.
DOI: 10.1016/j.cub.2022.01.054
The study was funded by the German Research Foundation (DFG) and the Volkswagen Foundation.