Hvorfor den menneskelige hjerne opfatter små tal bedre | Quanta Magasinet

For mere end 150 år siden opdagede økonomen og filosoffen William Stanley Jevons noget mærkeligt ved tallet 4. Mens han funderede over, hvordan sindet opfatter tal, smed han en håndfuld sorte bønner i en papkasse. Så, efter et flygtigt blik, gættede han, hvor mange der var, før han tællede dem for at registrere den sande værdi. Efter mere end 1,000 forsøg så han et klart mønster. Når der var fire eller færre bønner i æsken, gættede han altid det rigtige antal. Men for fem bønner eller mere var hans hurtige skøn ofte forkerte.

Jevons' beskrivelse af sit selveksperiment, offentliggjort i Natur i 1871, sætte "grundlaget for, hvordan vi tænker om tal," sagde Steven Piantadosi, professor i psykologi og neurovidenskab ved University of California, Berkeley. Det udløste en langvarig og vedvarende debat om, hvorfor der ser ud til at være en grænse for antallet af genstande, vi nøjagtigt kan bedømme at være til stede i et sæt.

Nu en ny undersøgelse in Natur menneskelig adfærd er kommet tættere på et svar ved at tage et hidtil uset kig på, hvordan menneskelige hjerneceller fyrer, når de præsenteres for bestemte mængder. Dens resultater tyder på, at hjernen bruger en kombination af to mekanismer til at bedømme, hvor mange objekter den ser. Man anslår mængder. Den anden skærper nøjagtigheden af ​​disse estimater - men kun for små tal.

Det er "meget spændende", at resultaterne forbinder længe omdiskuterede ideer til deres neurale fundament, sagde Piantadosi, som ikke var involveret i undersøgelsen. "Der er ikke mange ting i kognition, hvor folk har været i stand til at udpege meget plausible biologiske grundlag."

Selvom det nye studie ikke afslutter debatten, begynder resultaterne at udrede det biologiske grundlag for, hvordan hjernen bedømmer mængder, hvilket kunne informere større spørgsmål om hukommelse, opmærksomhed og endda matematik.

En neurons yndlingsnummer

Evnen til øjeblikkeligt at bedømme antallet af genstande i et sæt har ikke noget med optælling at gøre. Menneskelige spædbørn har denne talfornemmelse, selv før de lærer sprog. Og det er ikke begrænset til mennesker: Aber, bier, fisk, krager og andre dyr har det også.

En abe skal hurtigt kunne bedømme antallet af æbler i et træ, og også hvor mange andre aber den konkurrerer mod om disse æbler. Når en løve konfronteres med andre løver, skal den beslutte, om den skal kæmpe eller flygte. Honningbier skal vide, hvilket område der har flest blomster til fouragering. En guppy har bedre chancer for at undslippe et rovdyr, hvis den slutter sig til en stime. "Jo større stimen er, jo sikrere er den lille fisk," sagde Brian Butterworth, en kognitiv neuroforsker ved University College London, som ikke var involveret i det nye arbejde.

Denne medfødt talfornemmelse er derfor afgørende for overlevelse, øger et dyrs chancer for at finde føde, undgå rovdyr og i sidste ende formere sig. "Det betaler sig simpelthen for et dyrs overlevelse at være i stand til at differentiere numeriske mængder," sagde Andreas Nieder, professor i dyrefysiologi ved universitetet i Tübingen i Tyskland, som var med til at lede det nye studie. Det faktum, at denne evne findes i forskellige dyr, fra insekter til mennesker, tyder på, at den opstod for længe siden, og dens neurale grundlag har interesseret kognitive videnskabsmænd i årtier.

I 2002, da Nieder arbejdede med neurovidenskabsmanden Earl Miller ved Massachusetts Institute of Technology som postdoc-stipendiat offentliggjorde de et af de første beviser på, at tal er knyttet til specifikke neuroner. I et adfærdseksperiment med aber fandt de ud af, at disse neuroner, som er placeret i den præfrontale cortex, hvor behandling på højere niveau finder sted, har foretrukne tal - favorittal, der, når de opfattes, får cellerne til at lyse op i hjernescanninger.

For eksempel er nogle neuroner indstillet til tallet 3. Når de bliver præsenteret for tre objekter, affyrer de mere. Andre neuroner er indstillet til tallet 5 og affyrer, når de præsenteres for fem objekter, og så videre. Disse neuroner er ikke udelukkende forpligtet til deres favoritter: De skyder også efter numre, der støder op til dem. (Så neuronen indstillet til 5 affyrer også for fire og seks objekter.) Men de gør det ikke så ofte, og da det præsenterede tal kommer længere væk fra det foretrukne tal, falder neuronernes affyringshastighed.

Nieder var begejstret over de dybere spørgsmål, arbejdet præsenterede om udviklingen af ​​matematiske evner. Tal fører til optælling og derefter til symbolske talrepræsentationer, såsom arabiske tal, der står for mængder. Disse symbolske tal understøtter aritmetik og matematik. "For os at vide, hvordan tal er repræsenteret [i hjernen], er det at sætte grundlaget for alt, hvad der kommer senere," sagde Nieder.

Han fortsatte med at lære så meget han kunne om antal neuroner. I 2012 opdagede hans team, at neuronerne reagerer på deres foretrukne tal, når de er estimering af et sæt af lyde eller visuelle genstande. Så i 2015 viste de det krager har også antal neuroner. I et show af "fantastisk krageadfærd," sagde Nieder, kunne fuglene korrekt hakke antallet af prikker eller arabiske tal, der blev vist for dem.

Ingen havde dog identificeret antal neuroner hos mennesker. Det er fordi det er notorisk svært at studere den menneskelige hjerne: Forskere kan normalt ikke få adgang til dens aktivitet etisk i eksperimenter, mens mennesker er i live. Hjernebilleddannelsesværktøjer har ikke den nødvendige opløsning til at skelne individuelle neuroner, og videnskabelig nysgerrighed alene kan ikke retfærdiggøre implantering af invasive elektroder i hjernen.

For at kigge ind i en levende hjerne var Nieder nødt til at finde patienter, der allerede havde elektrodeimplantater, og som ville give samtykke til at være en del af hans forskning. I 2015 kontaktede han Florian Mormann — lederen af ​​den kognitive og kliniske neurofysiologi-gruppe ved universitetet i Bonn, som er en af ​​de få klinikere i Tyskland, der laver enkeltcelleoptagelser hos menneskelige patienter — for at se, om han og hans patienter ville deltage i Nieders søgen efter neuroner i menneskets antal . Mormann sagde ja, og deres hold gik i gang med at undersøge hjerneaktiviteten hos hans epilepsipatienter, som tidligere havde fået implanteret elektroder for at forbedre deres medicinske behandling.

Ni patienter lavede simple beregninger i deres hoveder, mens forskere registrerede deres hjerneaktivitet. Sikkert nok, i dataene, Nieder og Mormann så neuroner skyde for deres foretrukne antal - første gang antal neuroner var blevet identificeret i den menneskelige hjerne. De offentliggjorde deres resultater i Neuron i 2018.

Neurovidenskabsmænd er selvfølgelig drevet til at forstå deres eget sind, sagde Nieder, og så "at finde sådanne neuroner i den menneskelige hjerne er ekstremt givende."

En numerisk tærskel

For at fortsætte deres søgen lancerede Nieder og Mormann en ny undersøgelse for at finde ud af, hvordan neuronerne repræsenterer ulige og lige tal. Forskerne rekrutterede 17 epilepsipatienter og viste dem glimt af prikker, varierende i antal fra en til ni, på computerskærme. Deltagerne angav, om de så et ulige eller lige tal, mens elektroder registrerede deres hjerneaktivitet.

I løbet af de næste par måneder, da Esther Kutter, en kandidatstuderende, der studerede hos Nieder, analyserede de resulterende data, så hun et klart mønster dukke op - lige omkring tallet 4.

Dataene, som omfattede 801 optagelser af enkelte neuroner, der affyrede, viste to distinkte neurale signaturer: en for små tal og en for store. Over tallet 4 voksede neuronernes affyring for deres foretrukne antal gradvist mindre præcist, og de affyrede fejlagtigt for tal tæt på det foretrukne. Men for 4 og derunder affyrede neuronerne præcist - med den samme lille mængde fejl, uanset om de skød for en, to, tre eller fire objekter. Fejlfyringen som svar på andre tal var stort set fraværende.

Dette overraskede Nieder. Han havde ikke tidligere set denne grænse i sine dyreforsøg: Disse eksperimenter havde kun inkluderet tal op til 5. Han havde ikke sat sig for at undersøge Jevons' observation, og han forventede heller ikke at se en neural grænse bekræfte, hvad adfærdsundersøgelser havde fundet. . Indtil da havde han været overbevist om, at hjernen kun havde én mekanisme til at bedømme tal - et kontinuum, der blev mere sløret, jo højere tallene klatrede.

De nye data ændrede det for ham. "Denne grænse dukkede ud på forskellige måder," sagde Nieder. De neurale mønstre antydede, at der er en yderligere mekanisme, der undertrykker mindre antal neuroner fra at skyde efter de forkerte tal.

Piantadosi og Serge Dumoulin, direktøren for Spinoza Center for Neuroimaging i Amsterdam, havde begge tidligere udgivet artikler, der understøttede ideen om, at kun én mekanisme styrer den neuronale fortolkning af tal. Alligevel blev de slået af Nieder og Mormanns nye data, der viser, at der faktisk er to separate mekanismer.

Det er "rigtig validering, at store og små tal har forskellige neurale signaturer," sagde Piantadosi. Men han advarede om, at to signaturer kan opstå fra en enkelt proces; om det skal beskrives som én eller to mekanismer er stadig til debat.

"Det her er bare smukt," sagde Dumoulin. "Denne type data var ikke tilgængelig og bestemt ikke hos mennesker."

Der er dog endnu en stor usikkerhed. Forskerne studerede ikke de præfrontale eller parietale cortex, hvor størstedelen af ​​antallet af neuroner er placeret i aber. I stedet fokuserede undersøgelsen på den mediale temporallap, som er involveret i hukommelsen, på grund af hvor patienternes elektroder blev indsat. Det er ikke det første sted i den menneskelige hjerne, du ville undersøge for at forstå tal, sagde Nieder. "På den anden side er den mediale temporallap heller ikke det værste sted at lede efter sådanne neuroner."

Det er fordi den mediale tindingelappen er forbundet med talsans. Det er aktivt, når børn lærer beregninger og multiplikationstabeller, og det er tæt forbundet med områder, hvor antallet af neuroner menes at ligge, sagde Nieder.

Det er ikke klart, hvorfor antallet af neuroner er til stede i denne region, sagde Butterworth. "De ting, som vi troede var specifikke for parietallappen, ser ud til at blive afspejlet også i dele af den mediale temporallap."

En mulighed er, at disse slet ikke er antal neuroner. Pedro Pinheiro-Chagas, en assisterende professor i neurologi ved University of California, San Francisco, mener, at disse i stedet kunne være konceptneuroner, som er placeret i den mediale temporallap og hver især er knyttet til specifikke begreber. For eksempel fandt en berømt undersøgelse et konceptneuron, der reagerede direkte og specifikt på billeder af skuespilleren Jennifer Aniston. »Måske finder de ikke talsansens mekanismer. ... Måske finder de konceptceller, der også anvendes på tal,” sagde Pinheiro-Chagas. "Som du har begrebet 'Jennifer Aniston', kunne du have begrebet 'tre'."

Analyseniveauet er "bare virkelig fremragende," sagde Marinella Cappelletti, en kognitiv neuroforsker ved Goldsmiths, University of London. Forskerne giver "overbevisende beviser" for dobbelte mekanismer i den mediale temporallap. Hun mener dog, at det ville være værdifuldt at se, om disse mekanismer også virker i andre hjerneregioner, hvis muligheden byder sig.

"Jeg ser disse fund som at kigge ind i et vindue," sagde Cappelletti. "Det ville være rart at åbne det lidt mere og fortælle os mere om resten af ​​hjernen."

Der er noget ved 4

De nye resultater har klare paralleller til arbejdshukommelsens begrænsninger. Folk kan kun holde et vist antal objekter i deres bevidsthed eller arbejdshukommelse på én gang. Eksperimenter viser, at tallet også er 4.

Overenskomsten mellem grænsen for talfornemmelse og arbejdshukommelsen er "svær at ignorere," sagde Cappelletti.

Det er muligt, at mekanismerne hænger sammen. I tidligere undersøgelser af talfornemmelse, da en deltager holdt op med at være opmærksom, mistede de deres evne til præcist at bedømme den sande værdi af tallene 4 og derunder. Det tyder på, at systemet med små tal, som undertrykker tilstødende fejltændinger med små tal, kan være tæt knyttet til opmærksomhed.

Nieder antager nu, at systemet med små tal kun tænder, når du er opmærksom på, hvad der er foran dig. Han håber at teste denne idé i aber, ud over at lede efter en neural grænse ved 4, som deres eksperimenter endnu ikke har fanget.

Den nye forskning "synes at være begyndelsen på et nyt spring" i vores forståelse af talopfattelse, sagde Pinheiro-Chagas, som kunne have nyttige applikationer. Han håber, det vil være foder til diskussioner i matematikundervisningen og endda kunstig intelligens, som kæmper med talopfattelse. Store sprogmodeller er "ret dårlige til at tælle. De er ret dårlige til at forstå mængder,” sagde han.

Bedre karakterisering af antal neuroner kan også hjælpe os med at forstå, hvem vi er. Ved siden af ​​sprogsystemet er talrepræsentation menneskers næststørste symbolsystem. Folk bruger tal ofte og på forskellige måder, og vi og vores forfædre har brugt matematik til at beskrive verden i årtusinder. I den forstand er matematik en grundlæggende del af det at være menneske.

Og som denne undersøgelse begynder at vise, kan denne beregningsevne alle stamme fra et fint afstemt netværk af neuroner i hjernen.

Quanta gennemfører en række undersøgelser for bedre at kunne betjene vores publikum. Tag vores biologi læserundersøgelse og du vil være med til at vinde gratis Quanta varer.