艾倫·圖靈、阿爾伯特·愛因斯坦、斯蒂芬·霍金、約翰·納什——這些“美麗的”頭腦從未停止吸引公眾，但他們仍然有些難以捉摸。有些人是如何從能夠進行基本算術運算發展到掌握高等數學概念，並在抽象層面上進行思考，以至於讓其餘人感到困惑的？神經科學現在已經開始確定數學天才的大腦是否在某種程度上將概念性思維提升到了另一個層次。
具體來說，科學家們長期以來一直在爭論，高階數學思維的基礎是與大腦的語言處理中心相關聯——即如此高水平的抽象思維是否需要語言表徵和對語法的理解——還是與和數字及空間推理相關的獨立區域相關聯。在本週發表在《美國國家科學院院刊》上的一項研究中，法國INSERM–CEA認知神經影像單元的一對研究人員報告稱，參與數學的大腦區域與參與同等複雜程度的非數學思維的大腦區域不同。
該團隊使用功能性磁共振成像（fMRI）掃描了15位專業數學家和15位具有相同學術地位的非數學家的大腦。在掃描器中，受試者聽取了一系列72個高階數學陳述，均勻地分為代數、分析、幾何和拓撲，以及18個高階非數學（主要是歷史）陳述。他們有四秒鐘的時間思考每個命題，並確定它是真、假還是無意義的。
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研究人員發現，僅在數學家中，聽取與數學相關的陳述激活了一個網路，該網路涉及大腦的雙側頂內溝、背側前額葉和顳下回區域。這種迴路通常與語言處理和語義相關的區域無關，當向數學家和非數學家呈現非數學陳述時，這些區域都被激活了。“相反，”研究合著者、研究生瑪麗·阿馬里克說，“我們的研究結果表明，高階數學反思會回收與進化上古老的數字和空間知識相關的大腦區域。”
先前的研究發現，當進行基本的算術計算，甚至只是在頁面上看到數字時，這些非語言區域也會活躍起來，這表明高階數學思維和基礎數學思維之間存在聯絡。事實上，認知神經影像單元主任和實驗心理學家斯坦尼斯拉斯·迪昂，也是該研究的合著者，他研究了人類（甚至某些動物物種）是如何天生就具有數字的直覺感——對數量和算術運算的直覺感——與空間表徵密切相關。然而，這種與生俱來的“數字感”與更高階數學之間是如何形成聯絡的，仍然未知。這項工作提出了一個有趣的問題，即識別不同數量的先天能力——即兩塊水果大於一塊——是否是可以構建掌握群論能力的生物學基礎。“研究低階和高階數學能力之間的因果鏈將會很有趣，”西安大略大學的認知神經科學家丹尼爾·安薩里說，他沒有參與這項研究。“我們大多數人都掌握了基本的算術，所以我們已經招募了這些大腦區域，但只有一小部分人繼續從事高階數學。我們尚不清楚成為數學專家是否會改變你進行算術運算的方式，或者學習算術是否為獲得更高階數學概念奠定了基礎。”
安薩里建議，一項針對非數學家教授高等數學概念的培訓研究，可以更好地理解這些聯絡以及它們是如何形成的。此外，在數學方面取得專長可能會以其他方式影響神經元迴路。阿馬里克的研究發現，數學家在參與面部處理的大腦視覺區域的活動減少。這可能意味著掌握和處理某些數學概念所需的神經資源可能會削弱——或“用盡”——大腦的其他一些能力。儘管還需要更多的研究來確定數學家是否真的以不同的方式處理面孔，但研究人員希望進一步深入瞭解專業知識對大腦組織方式的影響。
“我們可以開始研究卓越能力來自何處，以及這種高階專業知識的神經生物學相關性，”安薩里說。“我只是覺得現在我們有能力使用腦成像來回答關於人類能力的複雜性的這些深刻問題，這真是太棒了。”