数学能力与语言能力是人类区别于其他动物的显著特征,数学和语言能力都极具天赋的却并不多。细心的朋友也许会发现,充斥在我们周围的学霸,有的在数学上表现出超乎常人的天赋,有的则在语言的学习上比其他人更轻车熟路,但是数学和语言能力都极具天赋的却并不多。这是为什么呢?最近的一项研究或许可以揭开我们共同的疑问。
数学能力与语言能力是人类区别于其他动物的显著特征,二者的关系一直以来都是认知神经科学的研究热点。
人类独有的抽象数学能力究竟是如何从灵长类的大脑演化而来,目前仍然存在争议。现行的观点有两种,其一是认为数学能力是由语言能力分化出来的。支持这一观点的美国著名认知神经科学家诺姆·乔姆斯基认为,“语言处理的抽象化是数学能力的起源。”然而这种说法遭到许多数学家和物理学家的反对,他们认为对数学问题的反应能力是非语言的。
著名物理学家阿尔伯特·爱因斯坦曾经说过:“文字和语言,不管是书面的还是口头的,似乎在我的思考过程中不起任何作用。”此外,这种观点也无法解释为什么患有完全性失语症或语义性失智的人保留了大部分数字理解和代数运算的能力。
近年来,认知神经科学家们提出了一个与语言假说相对的观点,并得到许多数学家的支持。此观点认为数学是由对空间、时间以及数字的非语言的直觉产生的,这种直觉在人类演化的早期就已形成。
这个理论可以解释许多常见的现象。例如,对数学一窍不通的婴儿或者未受过教育的成人同样具有对于数字、空间和时间进行认知的基本数学直觉。这种基本的直觉被称为“核心知识”。研究显示,婴儿对“核心知识”的敏锐程度与其今后在数学能力测试的表现呈现一定的相关性,因而“核心知识”(亦称“数感”)可作为构建抽象数学概念的基础。
此外,有研究认为,高级数学能力可能由数字与空间的核心直觉通过系统性的连接、类比和归纳概括而形成。
2016年4月15日,《美国国家科学院院刊》在线刊登了一项最新研究。该研究使用功能性磁共振成像(fMRI)扫描了15位数学家和15位同等学术地位的非数学领域科学家的大脑,观察他们在处理相应信息的时候激活了哪些脑部区域。
该研究让受试者听一组72个高级数学命题,其中代数、数学分析、几何学和拓扑学各18个,以及18个同样长度和语言复杂性的常识性题(主要为自然历史方面的),他们每人有4秒的时间来思考每一命题并判断其是真、是假或是无意义。
研究人员发现,数学家们只有在听到数学相关的命题时(不管难度如何),大脑中双侧顶内沟区域(bilateral intraparietal sulci, IPS)、双侧颞下回区域(inferior temporal, IT)和前额叶皮层区域(prefrontal cortex, PFC)才会被激活。而这些区域在他们听到非数学命题时甚至会被轻微地抑制。这些大脑区域通常不参与语言和语义处理。
当受试者被问及非数学命题时,所有人负责语言和语义处理的脑区域均被激活。这一研究的共同作者,博士生玛丽·亚马希说,“我们的研究结果表明,高水平的数学思考所反复利用的大脑区域,正是人脑中与数字和空间认知相关的区域,该区域在多年以前就已形成,并一直随人类演化到今天。”同时,他们还发现两组受试者进行简单的数学运算时调用了双侧顶内沟区域(IPS)和颞下回区(IT),与数学家处理高等数学命题时激活的区域重叠。
这个结果可以部分支持“核心知识”假说。