Nature子刊：大脑如何灵活处理多元数字信息

功能性磁共振成像（fMRI）基于的大脑活动分析揭示，人类大脑皮层的多个区域能够灵活地表示数字数量。估计数量大小（即数量感）对于决策至关重要，并且被认为是算术技能的基础。人类大脑的前额顶叶区域的神经元群体能够表征数量感。然而，目前尚不清楚这些神经元群体的反应特性是固定于特定数量（绝对编码），还是会根据情境中的数量范围动态调整（相对编码）。

2025年1月，由东京大学的Teruaki Kido博士，Yuko Yotsumoto副教授和信息通信技术研究所的Masamichi J. Hayashi在Nature Communications（IF=14.7）上发表了一篇题目为“Hierarchical representations of relative numerical magnitudes in the human frontoparietal cortex”的文章。研究团队使用功能性磁共振成像（fMRI）结合多变量模式分析，探索了人类大脑皮层中相对数量（例如“特小”、“小”、“大”和“特大”）和绝对数量（即具体数量）的表示方式。研究设计了一个数量辨别任务，要求30名参与者在三天内完成三个独立的fMRI实验会话，期间观看不同数量范围的点阵图案。通过预处理fMRI数据，应用一般线性模型（GLM）分析，识别感兴趣区域（ROI），并进行分类分析和表示相似性分析（RSA）。研究结果揭示了大脑额顶叶区域在处理数值信息时采用相对编码，而早期感觉区域主要表现出绝对编码。

尽管已知某些大脑区域会对数量做出反应，但这项研究通过表明一些区域对相对数量（例如，“特小”、“小”、“大”和“特大”）而非绝对数量（即具体数量）做出反应，从而扩展了我们对这一问题的理解。此外，这些依赖于上下文的相对性表示沿着从顶叶到额叶的通路变得更加明显。这些结果突显了大脑在处理数量信息时的灵活性，并且有望增进我们对大脑如何处理其他类型“量度”概念的理解，包括时间和大小。

长期以来，人们已经知道大脑的某些区域包含对特定数字有选择性反应的神经元。然而，尚不清楚它们是否总是对相同的数字，如8或15，做出反应，而不考虑上下文（绝对表示），或者它们的反应是否会根据情况而变化。如果神经元严格遵循绝对数量，那么处理无限的数字量将需要不切实际的大量神经元，这使得人们不清楚人类大脑如何在有限的神经元数量下有效地处理如此广泛的数字范围。

在这项研究中，研究人员使用功能性磁共振成像（fMRI）来测量参与者的大脑活动，并通过多变量模式分析进行分析。在三天的时间里，参与者观看了呈现不同范围数字信息的黑白点阵图案，同时记录他们的大脑活动。结果显示，尽管数字有所变化，但某些大脑区域表现出相似的活动模式。这发生在范围内的相对大小相同时（例如，在大集合中的XS和小集合中的XS）。这表明神经元可能会根据上下文（即数值范围）调整它们对数字的反应，从而在节省神经资源的同时实现有效的编码。此外，这项研究揭示了视觉处理中的层次结构：较低的感觉区域以绝对的方式表示数字，而从顶叶到额叶的高级皮层逐渐转向相对数量的表示。这种转变突显了大脑如何根据上下文灵活地编码数字大小。

基于感兴趣区（ROI）的多体素模式分析（MVPA）在相对数量编码中的分类性能

数字信息以各种形式嵌入在媒体中，其准确有效的传达在决定沟通质量方面起着至关重要的作用。这项研究旨在通过揭示大脑在处理数字概念时所涉及的功能来提高沟通质量。虽然这项研究集中在数字数量上，但类似的机制可能也存在于其他定量概念中，如大小和时间。研究大脑是否以相对的方式表示这些概念，可以为我们提供更深入的洞见，了解大脑如何整体感知和解释其环境。

大脑顶叶和额叶区域在处理数值时展现出相对编码的能力，而早期感觉区域则主要表现出绝对编码。这种从绝对到相对编码的转变沿着大脑的信息处理层级逐渐发生，揭示了大脑如何灵活地根据上下文调整数值表示。此外，研究还发现视觉皮层可能通过单调的神经响应来表示数量信息。这些发现不仅增进了对大脑数值处理机制的理解，而且为未来研究大脑如何处理其他量度概念，如时间和大小，提供了新的视角。未来的研究可以进一步探索这些相对编码机制在不同认知任务中的作用，以及它们如何影响基于数量的决策和行为。

参考文献：

Bollmann, L., Baracskay, P., Stella, F., & Csicsvari, J. (2025). Sleep stages antagonistically modulate reactivation drift. Neuron, S0896627325001679. https://doi.org/10.1016/j.neuron.2025.02.025