Warum das menschliche Gehirn kleine Zahlen besser wahrnimmt | Quanta-Magazin

Vor mehr als 150 Jahren entdeckte der Ökonom und Philosoph William Stanley Jevons etwas Merkwürdiges über die Zahl 4. Während er darüber nachdachte, wie der Geist Zahlen auffasst, warf er eine Handvoll schwarze Bohnen in einen Karton. Dann, nach einem flüchtigen Blick, schätzte er, wie viele es waren, bevor er sie zählte, um den wahren Wert zu ermitteln. Nach mehr als 1,000 Versuchen erkannte er ein klares Muster. Wenn vier oder weniger Bohnen in der Schachtel waren, schätzte er immer die richtige Anzahl. Aber bei fünf oder mehr Bohnen waren seine schnellen Schätzungen oft falsch.

Jevons' Beschreibung seines Selbstversuchs, veröffentlicht Natur im Jahr 1871 angegeben, legte die „Grundlage dafür fest, wie wir über Zahlen denken“, sagte er Steven Piantadosi, Professor für Psychologie und Neurowissenschaften an der University of California, Berkeley. Es löste eine lange und anhaltende Debatte darüber aus, warum es offenbar eine Grenze für die Anzahl der Elemente gibt, von denen wir genau beurteilen können, ob sie in einem Set vorhanden sind.

Jetzt, eine neue Studie in Natur Menschliches Verhalten ist einer Antwort näher gekommen, indem es einen beispiellosen Blick darauf geworfen hat, wie menschliche Gehirnzellen feuern, wenn ihnen bestimmte Mengen zugeführt werden. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Gehirn eine Kombination aus zwei Mechanismen nutzt, um zu beurteilen, wie viele Objekte es sieht. Man schätzt Mengen. Der zweite erhöht die Genauigkeit dieser Schätzungen – allerdings nur für kleine Zahlen.

Es sei „sehr aufregend“, dass die Ergebnisse lange diskutierte Ideen mit ihren neuronalen Grundlagen in Verbindung bringen, sagte Piantadosi, der nicht an der Studie beteiligt war. „Es gibt nicht viele Dinge in der Kognition, bei denen es den Menschen gelungen ist, sehr plausible biologische Grundlagen zu ermitteln.“

Obwohl die neue Studie die Debatte nicht beendet, beginnen die Ergebnisse, die biologischen Grundlagen dafür zu entwirren, wie das Gehirn Mengen beurteilt, was zu größeren Fragen über Gedächtnis, Aufmerksamkeit und sogar Mathematik führen könnte.

Die Lieblingsnummer eines Neurons

Die Fähigkeit, die Anzahl der Artikel in einem Set sofort zu beurteilen, hat nichts mit Zählen zu tun. Menschliche Säuglinge haben diesen Sinn für Zahlen, noch bevor sie die Sprache lernen. Und es ist nicht auf den Menschen beschränkt: Auch Affen, Bienen, Fische, Krähen und andere Tiere haben es.

Ein Affe muss schnell einschätzen können, wie viele Äpfel ein Baum hat und mit wie vielen anderen Affen er um diese Äpfel konkurriert. Wenn ein Löwe anderen Löwen gegenübersteht, muss er sich entscheiden, ob er kämpfen oder fliehen will. Honigbienen müssen wissen, in welchem ​​Bereich es die meisten Blumen zur Nahrungssuche gibt. Ein Guppy hat bessere Chancen, einem Raubtier zu entkommen, wenn er sich einem Schwarm anschließt. „Je größer der Schwarm, desto sicherer ist der kleine Fisch“, sagte er Brian Butterworth, ein kognitiver Neurowissenschaftler am University College London, der nicht an der neuen Arbeit beteiligt war.

Dieser angeborener Sinn für Zahlen ist daher überlebenswichtig, da es die Chancen eines Tieres erhöht, Nahrung zu finden, Raubtieren auszuweichen und sich letztendlich zu vermehren. „Es lohnt sich einfach für das Überleben eines Tieres, Zahlengrößen unterscheiden zu können“, sagte er Andreas Nieder, der Lehrstuhl für Tierphysiologie an der Universität Tübingen in Deutschland, der die neue Studie mitleitete. Die Tatsache, dass diese Fähigkeit bei verschiedenen Tieren zu finden ist, von Insekten bis hin zu Menschen, lässt darauf schließen, dass sie vor langer Zeit entstanden ist und ihre neuronalen Grundlagen Kognitionswissenschaftler seit Jahrzehnten interessieren.

Im Jahr 2002, als Nieder mit dem Neurowissenschaftler zusammenarbeitete Earl Miller Als Postdoktorand am Massachusetts Institute of Technology veröffentlichten sie einen der ersten Beweise dafür, dass es Zahlen gibt mit bestimmten Neuronen verknüpft. In einem Verhaltensexperiment mit Affen fanden sie heraus, dass diese Neuronen, die sich im präfrontalen Kortex befinden, wo die Verarbeitung auf höherer Ebene stattfindet, bevorzugte Zahlen haben – Lieblingszahlen, die, wenn sie wahrgenommen werden, die Zellen in Gehirnscans zum Leuchten bringen.

Einige Neuronen sind beispielsweise auf die Zahl 3 eingestellt. Wenn ihnen drei Objekte präsentiert werden, feuern sie mehr. Andere Neuronen sind auf die Zahl 5 eingestellt und feuern, wenn ihnen fünf Objekte präsentiert werden, und so weiter. Diese Neuronen sind nicht ausschließlich auf ihre Favoriten festgelegt: Sie feuern auch auf benachbarte Zahlen. (Das auf 5 eingestellte Neuron feuert also auch für vier und sechs Objekte.) Dies geschieht jedoch nicht so oft, und je weiter sich die angezeigte Zahl von der bevorzugten Zahl entfernt, desto geringer ist die Feuerrate der Neuronen.

Nieder war begeistert von den tieferen Fragen, die die Arbeit zur Entwicklung mathematischer Fähigkeiten aufwarf. Zahlen führen zum Zählen und dann zu symbolischen Zahlendarstellungen, wie zum Beispiel arabischen Ziffern, die für Mengen stehen. Diese symbolischen Zahlen sind die Grundlage für Arithmetik und Mathematik. „Wenn wir wissen, wie Zahlen [im Gehirn] dargestellt werden, legen wir den Grundstein für alles, was später kommt“, sagte Nieder.

Anschließend lernte er so viel wie möglich über Zahlenneuronen. Im Jahr 2012 entdeckte sein Team, dass die Neuronen auf ihre bevorzugten Zahlen reagieren, wenn sie darauf reagieren Schätzen einer Menge von Geräuschen oder visuellen Elementen. Dann, im Jahr 2015, zeigten sie das Krähen haben auch Zahlenneuronen. In einer Demonstration „erstaunlichen Krähenverhaltens“, sagte Nieder, konnten die Vögel die Anzahl der Punkte oder arabischen Ziffern, die ihnen angezeigt wurden, korrekt picken.

Allerdings hatte noch niemand Zahlenneuronen beim Menschen identifiziert. Das liegt daran, dass die Erforschung des menschlichen Gehirns bekanntermaßen schwierig ist: Wissenschaftler haben bei Experimenten zu Lebzeiten von Menschen in der Regel keinen ethischen Zugang zu seiner Aktivität. Werkzeuge zur Bildgebung des Gehirns verfügen nicht über die erforderliche Auflösung, um einzelne Neuronen zu unterscheiden, und wissenschaftliche Neugier allein kann die Implantation invasiver Elektroden in das Gehirn nicht rechtfertigen.

Um einen Blick in ein lebendes Gehirn zu werfen, musste Nieder Patienten finden, die bereits Elektrodenimplantate hatten und bereit waren, an seiner Forschung teilzunehmen. Im Jahr 2015 kontaktierte er Florian Mormann – der Leiter der Gruppe für kognitive und klinische Neurophysiologie an der Universität Bonn, der einer der wenigen Kliniker in Deutschland ist, der Einzelzellaufzeichnungen bei menschlichen Patienten durchführt – um zu sehen, ob er und seine Patienten sich Nieders Suche nach menschlichen Zahlneuronen anschließen würden . Mormann sagte ja, und ihre Teams machten sich an die Arbeit, die Gehirnaktivität seiner Epilepsiepatienten zu untersuchen, denen zuvor Elektroden implantiert worden waren, um ihre medizinische Versorgung zu verbessern.

Neun Patienten führten einfache Berechnungen im Kopf durch, während die Forscher ihre Gehirnaktivität aufzeichneten. Tatsächlich, in den Daten Nieder und Mormann sah, wie Neuronen feuerten für ihre bevorzugten Zahlen – das erste Mal, dass Zahlenneuronen im menschlichen Gehirn identifiziert wurden. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in Neuron .

Neurowissenschaftler seien natürlich bestrebt, ihren eigenen Geist zu verstehen, sagte Nieder, und daher „ist es äußerst lohnend, solche Neuronen im menschlichen Gehirn zu finden.“

Ein numerischer Schwellenwert

Um ihre Suche fortzusetzen, starteten Nieder und Mormann eine neue Studie, um herauszufinden, wie die Neuronen ungerade und gerade Zahlen darstellen. Die Forscher rekrutierten 17 Epilepsiepatienten und zeigten ihnen auf Computerbildschirmen aufblitzende Punkte mit einer Anzahl von eins bis neun. Die Teilnehmer gaben an, ob sie eine ungerade oder eine gerade Zahl sahen, während Elektroden ihre Gehirnaktivität aufzeichneten.

Als Esther Kutter, eine Doktorandin bei Nieder, in den nächsten Monaten die resultierenden Daten analysierte, sah sie ein klares Muster – etwa um die Zahl 4 herum.

Die Daten, die 801 Aufzeichnungen einzelner Neuronen umfassten, zeigten zwei unterschiedliche neuronale Signaturen: eine für kleine und eine für große Zahlen. Oberhalb der Zahl 4 wurde das Feuern der Neuronen für ihre bevorzugte Zahl zunehmend ungenauer und sie feuerten fälschlicherweise für Zahlen nahe der bevorzugten Zahl. Aber bei 4 und darunter feuerten die Neuronen präzise – mit der gleichen geringen Fehlerquote, egal ob sie auf ein, zwei, drei oder vier Objekte feuerten. Die Aussetzer bei der Reaktion auf andere Zahlen blieben weitgehend aus.

Das überraschte Nieder. Diese Grenze hatte er zuvor in seinen Tierstudien noch nicht gesehen: In diesen Experimenten waren nur Zahlen bis zu 5 enthalten. Er hatte sich nicht vorgenommen, Jevons' Beobachtung zu untersuchen, und er hatte auch nicht damit gerechnet, dass eine neuronale Grenze die Erkenntnisse aus Verhaltensstudien bestätigen würde . Bis zu diesem Zeitpunkt war er davon überzeugt gewesen, dass das Gehirn nur über einen Mechanismus zur Beurteilung von Zahlen verfügte – ein Kontinuum, das umso unschärfer wurde, je höher die Zahlen stiegen.

Die neuen Daten haben das für ihn geändert. „Diese Grenze ist auf unterschiedliche Weise entstanden“, sagte Nieder. Die neuronalen Muster lassen darauf schließen, dass es einen zusätzlichen Mechanismus gibt, der Neuronen mit geringerer Anzahl daran hindert, auf die falschen Zahlen zu feuern.

Piantadosi und Serge Dumoulin, der Direktor des Spinoza Center for Neuroimaging in Amsterdam, hatte beide zuvor Artikel veröffentlicht, die die Idee unterstützten, dass nur ein Mechanismus die neuronale Interpretation von Zahlen verwaltet. Dennoch waren sie von den neuen Daten von Nieder und Mormann beeindruckt, die zeigten, dass es tatsächlich zwei verschiedene Mechanismen gibt.

Es sei „eine echte Bestätigung, dass große und kleine Zahlen unterschiedliche neuronale Signaturen haben“, sagte Piantadosi. Er warnte jedoch davor, dass aus einem einzigen Prozess zwei Unterschriften hervorgehen könnten; Ob es als ein Mechanismus oder als zwei beschrieben werden sollte, steht noch zur Debatte.

„Das ist einfach wunderschön“, sagte Dumoulin. „Diese Art von Daten waren nicht verfügbar und schon gar nicht beim Menschen.“

Es bleibt jedoch noch eine weitere große Unsicherheit bestehen. Die Forscher untersuchten nicht den präfrontalen oder parietalen Kortex, wo sich bei Affen die Mehrzahl der Zahlenneuronen befindet. Stattdessen konzentrierte sich die Studie aufgrund der Stelle, an der die Elektroden der Patienten eingeführt wurden, auf den medialen Temporallappen, der am Gedächtnis beteiligt ist. Es sei nicht der erste Ort im menschlichen Gehirn, den man untersuchen würde, um Zahlen zu verstehen, sagte Nieder. „Andererseits ist der mediale Temporallappen auch nicht der schlechteste Ort, um nach solchen Neuronen zu suchen.“

Das liegt daran, dass der mediale Schläfenlappen mit dem Zahlensinn verbunden ist. Es ist aktiv, wenn Kinder Rechnen und Einmaleins lernen, und es ist eng mit Regionen verbunden, in denen vermutlich Zahlenneuronen liegen, sagte Nieder.

Es sei nicht klar, warum in dieser Region Zahlenneuronen vorhanden seien, sagte Butterworth. „Die Dinge, von denen wir dachten, sie seien spezifisch für den Parietallappen, scheinen sich auch in Teilen des medialen Temporallappens widerzuspiegeln.“

Eine Möglichkeit besteht darin, dass es sich dabei überhaupt nicht um Zahlenneuronen handelt. Pedro Pinheiro-Chagas, ein Assistenzprofessor für Neurologie an der University of California in San Francisco, glaubt, dass es sich stattdessen um Konzeptneuronen handeln könnte, die sich im medialen Temporallappen befinden und jeweils mit bestimmten Konzepten verknüpft sind. Beispielsweise wurde in einer berühmten Studie ein Konzeptneuron gefunden, das direkt und spezifisch auf Bilder der Schauspielerin Jennifer Aniston reagierte. „Vielleicht finden sie die Mechanismen des Zahlensinns nicht. … Vielleicht finden sie Konzeptzellen, die auch auf Zahlen angewendet werden“, sagte Pinheiro-Chagas. „So wie Sie das Konzept von ‚Jennifer Aniston‘ haben, könnten Sie auch das Konzept von ‚drei‘ haben.“

Das Niveau der Analyse sei „einfach wirklich hervorragend“, sagte er Marinella Cappelletti, ein kognitiver Neurowissenschaftler am Goldsmiths, University of London. Die Forscher liefern „überzeugende Beweise“ für duale Mechanismen im medialen Temporallappen. Sie hält es jedoch für wertvoll, zu untersuchen, ob diese Mechanismen auch in anderen Gehirnregionen funktionieren, wenn sich die Gelegenheit dazu bietet.

„Für mich sind diese Erkenntnisse ein Blick in ein Fenster“, sagte Cappelletti. „Es wäre schön, es etwas weiter zu öffnen und uns mehr über den Rest des Gehirns zu erzählen.“

Da ist etwas an 4

Die neuen Erkenntnisse weisen deutliche Parallelen zu den Einschränkungen des Arbeitsgedächtnisses auf. Menschen können jeweils nur eine bestimmte Anzahl von Objekten in ihrem Bewusstsein oder Arbeitsgedächtnis behalten. Experimente zeigen, dass die Zahl ebenfalls 4 ist.

Die Übereinstimmung zwischen der Grenze des Zahlensinns und der des Arbeitsgedächtnisses sei „schwer zu ignorieren“, sagte Cappelletti.

Es ist möglich, dass die Mechanismen zusammenhängen. In früheren Studien zum Zahlensinn verlor ein Teilnehmer seine Fähigkeit, den wahren Wert von Zahlen 4 und darunter genau zu beurteilen, wenn er aufhörte, aufmerksam zu sein. Dies deutet darauf hin, dass das System mit kleinen Zahlen, das benachbarte Aussetzer mit kleinen Zahlen unterdrückt, eng mit der Aufmerksamkeit verbunden sein könnte.

Nieder geht nun davon aus, dass sich das System der kleinen Zahlen nur dann einschaltet, wenn man auf das achtet, was vor einem liegt. Er hofft, diese Idee an Affen testen zu können und außerdem nach einer neuronalen Grenze bei 4 zu suchen, die ihre Experimente noch nicht erfasst haben.

Die neue Forschung „scheint der Beginn eines neuen Sprungs“ in unserem Verständnis der Zahlenwahrnehmung zu sein, sagte Pinheiro-Chagas, der nützliche Anwendungen haben könnte. Er hofft, dass es Anlass für Diskussionen im Mathematikunterricht und sogar im Bereich der künstlichen Intelligenz geben wird, die mit der Wahrnehmung von Zahlen zu kämpfen hat. Große Sprachmodelle sind „ziemlich schlecht im Zählen. Sie sind ziemlich schlecht darin, Mengen zu verstehen“, sagte er.

Eine bessere Charakterisierung von Zahlenneuronen kann uns auch dabei helfen, zu verstehen, wer wir sind. Die Zahlendarstellung ist neben dem Sprachsystem das zweitgrößte Symbolsystem des Menschen. Menschen verwenden Zahlen häufig und auf vielfältige Weise, und wir und unsere Vorfahren nutzen seit Jahrtausenden Mathematik, um die Welt zu beschreiben. In diesem Sinne ist Mathematik ein grundlegender Teil des Menschseins.

Und wie diese Studie zu zeigen beginnt, könnte diese Rechenleistung auf ein fein abgestimmtes Netzwerk von Neuronen im Gehirn zurückzuführen sein.

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