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Hirnforschung

Auch Neuronen haben eine Lieblingszahl

Von Hans-Arthur Marsiske

Mit Affenversuchen konnten Forscher zeigen, wie das Primatenhirn Zahlen verarbeitet. Bei der Unterscheidung von Nummern arbeiten Nervenzellen im Team - obwohl jede eigene Vorlieben hat.

Jahrelang narrte der "kluge Hans" seine Prüfer. Nie machte der Hengst einen Fehler, wenn er durch Scharren seiner Hufe die Lösung von Rechenaufgaben angab. Alle glaubten an die mathematischen Fähigkeiten des Tiers - bis der Psychologe Oskar Pfungst Anfang des Jahrhunderts nachwies, dass Hans an subtilen Gesten des vor ihm stehenden Menschen, etwa dem Hochziehen der Augenbrauen, erkannte, wann er mit dem Scharren aufhören musste. Das war zwar eine bemerkenswerte Leistung, hatte aber mit Rechnen nichts zu tun.

Eine ähnliche Schlappe wollten Forscher vom Massachusetts Institute of Technology, die jetzt das Zahlenverständnis von Affen untersuchten, um jeden Preis vermeiden. Sie zeigten Makaken auf einem Monitor eine Anordnung, die aus einem bis fünf Punkten bestand. Eine Sekunde später wurde ein anderes Muster eingeblendet. Die Versuchstiere wurden darauf trainiert, einen Hebel loszulassen, wenn die Zahl der Punkte auf beiden Bildern übereinstimmte.

Um auszuschließen, dass die Affen sich dabei an grafischen Mustern orientierten, veränderte das Team Gestalt, Größe und Stellung der Punkte im Verlauf des Experiments nach dem Zufallsprinzip. Wie die Wissenschaftler um Andreas Nieder in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins "Science" berichten, konnten die Makaken das Gelernte rasch und ohne weiteres Training auf andere Darstellungsformen übertragen. Sie orientierten sich demnach tatsächlich an der gezeigten Anzahl.

Bei den Versuchen überwachten die Forscher die Aktivität von 352 zufällig ausgewählten Nervenzellen in einer für die Verarbeitung von Sinnesinformationen zuständigen Hirnregion, dem lateralen präfrontalen Kortex. Ungefähr ein Drittel dieser Neuronen kam bei der Aufgabe zum Einsatz, wobei ihre Tätigkeit mit der Anzahl der präsentierten Punkte variierte. Jede Zelle schien eine bevorzugte Zahl zu haben, bei der sie ihre maximale Aktivität erreichte. Je stärker die Differenz zwischen der beobachteten Zahl und der Lieblingsnummer war, desto geringer wurde die Tätigkeit. Eine veränderte Erscheinungsform der Punkte zeigte dagegen kaum Wirkung.

Mit diesen Experimenten konnten die Wissenschaftler erstmals direkt beobachten, wie einzelne Neuronen im Gehirn Zahlen kodieren. Deren Präzision hing dabei von der Höhe der jeweils bevorzugten Zahl ab: So kam es bei der Unterscheidung von 5 und 4 häufiger zu Fehlern als bei der Unterscheidung von 2 und 1.

Das Verständnis für Zahlen, häufig als menschliches Privileg angesehen, ist demnach schon vor langer Zeit im Lauf der Evolution herausgebildet worden und hat deutliche Wurzeln im Primatengehirn. "Die Fähigkeit, relative Häufigkeiten im Sichtfeld abzuschätzen, bedeutet einen starken selektiven Vorteil", erläutern Nieder und Kollegen. "Soziale Tiere wie Primaten können über Kampf oder Flucht entscheiden, indem sie die Zahlen von Freunden und Gegnern gegeneinander abwiegen. Bei der Nahrungssuche kann die Entscheidung für eine reichhaltigere Quelle zum Überleben beitragen."

In einem "Science"-Begleitkommentar freut sich der Neurowissenschaftler Stanislas Dehaene vom französischen Service Hospitalier Frederic Joliot über "aufregende Möglichkeiten zur Untersuchung elementarer arithmetischer Prozesse auf der Ebene einzelner Zellen", die sich mit den neuen Ergebnissen eröffneten. Unter anderem müsse geklärt werden, wie abstrakt die neuronale Kodierung sei.

Würden die Neuronen auch feuern, so fragt der Forscher, "wenn die zahlenmäßig zu erfassenden Objekte nacheinander statt gleichzeitig präsentiert werden? Würden sie auch auf die taktile oder akustische Präsentation von Zahlen reagieren? Geht die neuronale Kodierung über die Zahl 5 hinaus? Und trägt sie zu einfachen Rechnungen wie 2 + 1 bei, zu denen selbst untrainierte Affen fähig sind?" Es wird viel Rechenarbeit notwendig sein, um diese Fragen zu klären. Aber zum Glück haben Menschen ja Computer - als bislang immer noch einzige Spezies.