數學好的人，大腦什么樣

趙言昌

2022年11月，在日歷上并沒有什么特別之處，但對于數學界來說，卻是一個重要的月份。這月初，國際著名數學家張益唐發(fā)表了《離散均值估計和朗道-西格爾零點》一文，探討數學的根基；到了月末，另一位國際著名數學家陶哲軒又和學生一起，更新了關于周期性平鋪猜想的論文，以新穎的視角解答幾何問題。

張益唐在數學界被認為是“傳奇般的存在”，少年時進入名校，其后雖境遇坎坷，卻從未忘記研究數學；陶哲軒就更特別了，24歲成為終身教授，31歲拿到了數學領域國際最高獎項之一的菲爾茲獎。這么看來，數學家好像都不一般——他們是不是有一顆特殊的大腦呢？

給大腦稱重

一般來說，當我們考慮某個問題的時候，腦海里會響起聲音。不過，愛因斯坦說，他思考數學問題時，腦海里出現的是各種符號和圖像。由此推理，數學好的人也許有一顆特殊的大腦。只是，特殊在哪里呢？

最容易想到的答案，是大腦的體積和外觀。18世紀末，法國解剖學家弗朗茨·約瑟夫·加爾認為，大腦皮層包括27個區(qū)域，每個區(qū)域都像是一個獨立的器官。腿部肌肉萎縮，會影響運動能力；類似的，假如與記憶有關的皮層過小，就有可能記性差。

加爾是怎么得出這個結論的呢？說來有些滑稽。加爾年少時，飽受記憶力不佳的困擾。有一天，他忽然意識到，自己身邊那些記憶力超群的人都有一雙大而突出的眼睛。眼睛的形態(tài)又與顱骨有關，而人類最重要的器官——大腦，恰處于顱骨的“包圍”之中……成年之后，他終日與各種極端群體打交道，如天才詩人、數學神童、瘋狂罪犯等，又收集了大量的顱骨標本，逐漸完善了自己的理論。

不過，加爾總會遇到一些無法解釋的現象。拿破侖的外科醫(yī)生曾經給他寄去一些病例，其中一位病人因為擊劍傷到了前額。按照加爾的理論，哪個區(qū)域受損，就會失去對應的功能。這位患者的記憶似乎包括兩部分——他可以認出朋友的面龐，卻叫不出他們的名字；此外，他的右側肢體癱瘓了，左側則還算正常。為什么大腦皮層的一處損傷，會出現如此復雜的表現呢？

更直接的證據，來自對愛因斯坦大腦的研究。愛因斯坦去世之前，希望撒掉自己的骨灰。也許是出于好奇，負責例行尸體解剖的人偷偷留下了愛因斯坦的大腦，讓我們得以一窺天才的普通之處——研究顯示，愛因斯坦的大腦比一般人的還要小一些。

由此看來，大腦的體積、外觀與數學才能恐怕沒有什么關系。

對功能定位

那么，數學才能會不會跟特定的腦區(qū)有關呢？想想前面提到的那位病人，他就失去了部分運動能力、部分語言能力。也許，大腦就像一臺計算機，不過其處理器是分布式的？

這種說法不是沒有道理。大腦的位置比較特殊，工作起來又依賴生物電，不像關節(jié)運動那樣直觀，所以對腦功能的研究常常圍繞著特殊的異常展開。比如，法國神經科學家斯坦尼斯拉斯·迪昂就曾經遇到一位奇特的患者——M先生。M先生是一位藝術家，對各國文化都非常熟悉，談吐也十分優(yōu)雅，卻失去了最基本的數學才能，即比較數字的大小。如果你在黑板上寫下5和6，他不知道哪個大、哪個小。檢查顯示，他大腦的右側后頂葉皮層受到了損傷。

大腦皮層位于大腦最外側，從進化角度看，它是腦組織中最晚出現的。縱向來看，它分為6層，逐層展開大概有1.6平方米；橫向來看，從前往后依次為額葉、頂葉、枕葉，還有位于兩側的顳葉。后頂葉皮層，大致在后腦勺內上方，跟數字直覺有關。科學家猜測，這里藏著一條豎軸，就像數學課上說的坐標軸，記錄著我們對數字的感知。2015年的一項研究顯示，后頂葉皮層的發(fā)育情況確實與小學生的數學能力存在關聯。

不過，后頂葉區(qū)屬于大腦中比較早熟的部分。在家庭輔導、學校教育的刺激下，這一區(qū)域在8歲時便發(fā)育完善。再者，數學可不是比較大小那么簡單。拿M先生來說，他雖然不能比較數字的大小，但是能依靠記憶中的乘法表，進行簡單的乘法運算。

最重要的是，大腦有著很強的可塑性。

傳統(tǒng)上認為，我們剛出生的時候，大腦里有著幾百億個不成熟的神經細胞。隨著年齡的增長，它們也逐漸發(fā)育成熟，利用突觸互相連接，形成具有特定功能的網絡。不過，2022年《自然》雜志刊登的一項研究顯示，成年人腦內同樣有著數目眾多的孤立突觸。換句話說，我們具備終生學習的能力。

紅細胞帶來的線索

實際上，借助腦電圖、腦磁圖等技術，科學家在大腦里找到了許多與基本功能相關的神經網絡，例如前面說的數字直覺腦區(qū)。但是對于復雜任務，科學家至今仍沒有辦法準確定位。想想數學是一件多么復雜的事情吧——要解答數學題，首先需要讀題，只是這一步，就需要用到視覺、語言、記憶、分析和注意力控制。

在這樣的情況下，有研究人員想到了不同腦區(qū)之間的連接。既然數學牽扯到不同的腦區(qū)，也許這些腦區(qū)之間的交流速度決定了一個人的數學能力。

從結構上說，神經細胞和數據線有點像，兩端是接頭，分布著大量的突觸；中間是線纜，由神經纖維組成。大腦里的神經纖維，總長度大約為17萬千米，比中國鐵路總運營里程還長。按照分布，它們又可以分為兩類：一類與周圍的神經細胞連接；另一類則“跋山涉水”，將相距甚遠的腦區(qū)連在一起。

對腦損傷患者的研究顯示，看似普通的加、減、乘、除其實一點也不簡單，每種數學能力都依賴不同的神經網絡，而這些網絡之間，依靠神經纖維進行交流。最直接的證據來自功能磁共振成像。神經細胞再怎么特殊，也離不開氧氣，越是活躍的腦區(qū)，需要的氧氣越多。而紅細胞與氧氣的結合，會影響自身的磁場信號。因此，通過特殊的磁場，我們可以找到大腦里最為活躍的區(qū)域。

利用功能磁共振成像技術，科學家發(fā)現，連續(xù)減法運算會激活前額葉和下頂葉皮層，而乘法運算涉及的腦區(qū)更多，甚至可能包括屏狀核。這一結構位于大腦皮層內層，跟一張紙差不多厚，雖然看起來無足輕重，但是很可能跟意識等復雜的認知現象有關。

頓悟里的玄機

說到這里，我們可以得出一個結論：數學能力的好壞，跟基礎腦區(qū)的發(fā)育、各個腦區(qū)之間的連接情況有關。比如，荷蘭神經科學家馬丁·范·登·赫費爾發(fā)現，不同腦區(qū)之間的神經連接形態(tài)，可以解釋1/3的智力差異。

不過，真的是這樣嗎？

讓我們來看一個特殊的例子。傳說中，阿基米德為了鑒別王冠的真假，終日苦思冥想，忽然在洗澡的時候悟出了浮力的奧秘。法國數學家亨利·龐加萊也說，解決數學問題往往不是一帆風順的，總要先進行各種嘗試，直到“山重水復疑無路”，答案卻在不經意間出現了。這就是頓悟，學習過程中最讓人愉悅的體驗之一。

為了研究這種現象，中國科學院的研究人員準備了一些腦筋急轉彎。腦筋急轉彎與問答題不同，往往需要打破思維定式，而打破思維定式正是頓悟最獨有的特征。研究結果可以用兩句話來總結：第一，志愿者的視覺空間信息加工網絡出現廣泛激活；第二，前扣帶回會在絞盡腦汁的過程中釋放特殊的電流。

前一個結論意味著，在遇到難題時，我們會本能地利用符號等視覺信息進行思考。從這個角度看，愛因斯坦的思考模式沒有什么特別的地方。后一個結論就非常有趣了——前扣帶回位于額葉內側，跟執(zhí)行功能有關。如果將大腦的各個區(qū)域比作“演奏者”，額葉就相當于“指揮家”。它會在出現錯誤的時候及時發(fā)出提醒，協調各個腦區(qū)的工作；反過來說，面對熟悉的事物，它的活躍度會有一定的下降。

將額葉的工作狀態(tài)和前面說的腦區(qū)連接放在一起，會得出什么結論呢？各腦區(qū)之間的連接絕非一成不變，而是會隨著我們的學習、思考進行調整。

數學好壞的關鍵

說到這里，我們可以來一個小小的總結：數學能力首先受基本腦區(qū)發(fā)育情況的影響，絕大多數人已經在父母和老師的幫助下渡過了這一關；其次看各個腦區(qū)之間的連接，學到新的公式、定理后，能不能理解、吃透，能不能迅速與已有的知識建立聯系；不過，最重要的是額葉的工作狀態(tài)。

額葉是大腦里最晚成熟的區(qū)域，跟計劃、執(zhí)行、注意力控制等高等認知行為緊密相關。從這個角度說，它相當于“大腦中的大腦”。

舉個例子，傳統(tǒng)上認為，男孩的數學天分更好，但2008年進行的一項涉及27萬人、橫跨40個國家的研究顯示，女孩的數學能力其實不差，只不過社會偏見會影響人們對數學的自信心。大規(guī)模調查顯示，超過9成的人曾經出現過數學焦慮。更有意思的是，當我們?yōu)閿祵W問題焦慮的時候，與疼痛有關的腦區(qū)會被激活。也就是說，數學焦慮可以引起真實的疼痛感。

在漫長的進化中，疼痛往往意味著生存問題。因此，焦慮的時候，額葉的工作效率會下降，以節(jié)省腦力應對生存危機；相應的，焦慮水平越重，數學成績可能越糟。

另一個值得注意的是自主性。2019年，對湖北近千名中學生的研究顯示，主動性強的人更愿意為學業(yè)努力，學習成績也更好。

華羅庚先生上小學時，數學曾經不及格。到了中學階段，他忽然領悟到，學習數學離不開長久的努力，而且祖國建設需要數學，個人生活也離不開數學，這么重要的東西，應該主動去學習才是。

所以說，哪里有什么天分呢，各行各業(yè)的專家不過是在長期試錯中，逐漸找到了事物的規(guī)律。