Γιατί ο ανθρώπινος εγκέφαλος αντιλαμβάνεται καλύτερα τους μικρούς αριθμούς | Περιοδικό Quanta

Πριν από περισσότερα από 150 χρόνια, ο οικονομολόγος και φιλόσοφος William Stanley Jevons ανακάλυψε κάτι περίεργο για τον αριθμό 4. Ενώ σκεφτόταν πώς αντιλαμβάνεται το μυαλό τους αριθμούς, πέταξε μια χούφτα μαύρα φασόλια σε ένα χάρτινο κουτί. Μετά, μετά από μια φευγαλέα ματιά, μάντεψε πόσα ήταν, πριν τα μετρήσει για να καταγράψει την πραγματική αξία. Μετά από περισσότερες από 1,000 δοκιμές, είδε ένα ξεκάθαρο μοτίβο. Όταν υπήρχαν τέσσερα ή λιγότερα φασόλια στο κουτί, πάντα μάντευε τον σωστό αριθμό. Αλλά για πέντε ή περισσότερα φασόλια, οι γρήγορες εκτιμήσεις του ήταν συχνά λανθασμένες.

Η περιγραφή του Jevons του αυτο-πειράματός του, δημοσιευτηκε σε Φύση σε 1871, έθεσε το «θεμέλιο του πώς σκεφτόμαστε τους αριθμούς», είπε Στίβεν Πιαντάδοσι, καθηγητής ψυχολογίας και νευροεπιστήμης στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ. Πυροδότησε μια μακροχρόνια και συνεχή συζήτηση σχετικά με το γιατί φαίνεται να υπάρχει όριο στον αριθμό των αντικειμένων που μπορούμε να κρίνουμε με ακρίβεια ότι υπάρχουν σε ένα σετ.

Τώρα, μια νέα μελέτη in Φύση Ανθρώπινη Συμπεριφορά έχει πλησιάσει πιο κοντά σε μια απάντηση ρίχνοντας μια πρωτοφανή ματιά στο πώς πυροδοτούνται τα ανθρώπινα εγκεφαλικά κύτταρα όταν παρουσιάζονται με συγκεκριμένες ποσότητες. Τα ευρήματά του υποδηλώνουν ότι ο εγκέφαλος χρησιμοποιεί έναν συνδυασμό δύο μηχανισμών για να κρίνει πόσα αντικείμενα βλέπει. Κάποιος υπολογίζει ποσότητες. Το δεύτερο οξύνει την ακρίβεια αυτών των εκτιμήσεων — αλλά μόνο για μικρούς αριθμούς.

Είναι «πολύ συναρπαστικό» το γεγονός ότι τα ευρήματα συνδέουν τις μακροχρόνιες συζητημένες ιδέες με τα νευρικά τους ερείσματα, είπε ο Piantadosi, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη. «Δεν υπάρχουν πολλά πράγματα στη γνώση όπου οι άνθρωποι μπόρεσαν να εντοπίσουν πολύ εύλογα βιολογικά θεμέλια».

Αν και η νέα μελέτη δεν τελειώνει τη συζήτηση, τα ευρήματα αρχίζουν να ξεμπερδεύουν τη βιολογική βάση για το πώς ο εγκέφαλος κρίνει τις ποσότητες, κάτι που θα μπορούσε να δώσει μεγαλύτερα ερωτήματα σχετικά με τη μνήμη, την προσοχή, ακόμη και τα μαθηματικά.

Ο αγαπημένος αριθμός ενός νευρώνα

Η ικανότητα να κρίνεις αμέσως τον αριθμό των αντικειμένων σε ένα σετ δεν έχει καμία σχέση με την καταμέτρηση. Τα ανθρώπινα βρέφη έχουν αυτή την αίσθηση του αριθμού ακόμη και πριν μάθουν γλώσσα. Και δεν περιορίζεται στους ανθρώπους: το έχουν και οι πίθηκοι, οι μέλισσες, τα ψάρια, τα κοράκια και άλλα ζώα.

Ένας πίθηκος πρέπει να είναι σε θέση να κρίνει γρήγορα τον αριθμό των μήλων σε ένα δέντρο, καθώς και με πόσους άλλους πιθήκους ανταγωνίζεται για αυτά τα μήλα. Ένα λιοντάρι, όταν έρχεται αντιμέτωπο με άλλα λιοντάρια, πρέπει να αποφασίσει αν θα πολεμήσει ή θα φύγει. Οι μέλισσες πρέπει να γνωρίζουν ποια περιοχή έχει τα περισσότερα λουλούδια για αναζήτηση τροφής. Ένα guppy έχει περισσότερες πιθανότητες να ξεφύγει από ένα αρπακτικό αν ενωθεί με ένα κοπάδι. «Όσο μεγαλύτερο είναι το κοπάδι, τόσο πιο ασφαλές είναι αυτό το ψαράκι», είπε Μπράιαν Μπάτεργουορθ, γνωστικός νευροεπιστήμονας στο University College του Λονδίνου που δεν συμμετείχε στη νέα εργασία.

Αυτός ο διαλογισμός στα έμφυτη αίσθηση αριθμού Είναι επομένως κρίσιμο για την επιβίωση, αυξάνοντας τις πιθανότητες ενός ζώου να βρει τροφή, να αποφύγει τα αρπακτικά και τελικά να αναπαραχθεί. «Απλώς συμφέρει η επιβίωση ενός ζώου να μπορεί να διαφοροποιεί αριθμητικές ποσότητες», είπε. Αντρέας Νίντερ, την έδρα στη φυσιολογία των ζώων στο Πανεπιστήμιο του Tübingen στη Γερμανία, ο οποίος ήταν συνεπικεφαλής της νέας μελέτης. Το γεγονός ότι αυτή η ικανότητα βρίσκεται σε διάφορα ζώα, από έντομα έως ανθρώπους, υποδηλώνει ότι προέκυψε πολύ καιρό πριν και η νευρική της βάση ενδιαφέρει τους γνωστικούς επιστήμονες για δεκαετίες.

Το 2002, όταν ο Νίντερ εργαζόταν με τον νευροεπιστήμονα κόμης Μίλερ στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης ως μεταδιδακτορικός συνεργάτης, δημοσίευσαν ένα από τα πρώτα στοιχεία ότι οι αριθμοί είναι συνδέονται με συγκεκριμένους νευρώνες. Σε ένα πείραμα συμπεριφοράς με πιθήκους, βρήκαν ότι αυτοί οι νευρώνες, που βρίσκονται στον προμετωπιαίο φλοιό όπου λαμβάνει χώρα η επεξεργασία υψηλότερου επιπέδου, έχουν προτιμώμενους αριθμούς - αγαπημένους αριθμούς που, όταν γίνονται αντιληπτοί, κάνουν τα κύτταρα να φωτίζονται στις σαρώσεις εγκεφάλου.

Για παράδειγμα, ορισμένοι νευρώνες είναι συντονισμένοι στον αριθμό 3. Όταν παρουσιάζονται τρία αντικείμενα, πυροδοτούν περισσότερο. Άλλοι νευρώνες συντονίζονται στον αριθμό 5 και ενεργοποιούνται όταν παρουσιάζονται με πέντε αντικείμενα κ.ο.κ. Αυτοί οι νευρώνες δεν είναι αποκλειστικά αφοσιωμένοι στα αγαπημένα τους: Πυροδοτούν επίσης για αριθμούς που βρίσκονται δίπλα τους. (Έτσι ο νευρώνας που είναι συντονισμένος στο 5 πυροδοτεί επίσης για τέσσερα και έξι αντικείμενα.) Αλλά δεν το κάνουν τόσο συχνά, και καθώς ο παρουσιαζόμενος αριθμός απομακρύνεται από τον προτιμώμενο αριθμό, ο ρυθμός πυροδότησης των νευρώνων μειώνεται.

Ο Nieder ενθουσιάστηκε από τις βαθύτερες ερωτήσεις που παρουσίασε η εργασία σχετικά με την ανάπτυξη της μαθηματικής ικανότητας. Οι αριθμοί οδηγούν σε μέτρηση και στη συνέχεια σε συμβολικές αναπαραστάσεις αριθμών, όπως οι αραβικοί αριθμοί που αντιπροσωπεύουν τις ποσότητες. Αυτοί οι συμβολικοί αριθμοί στηρίζουν την αριθμητική και τα μαθηματικά. «Για να γνωρίζουμε πώς αντιπροσωπεύονται οι αριθμοί [στον εγκέφαλο] θέτει τα θεμέλια για όλα όσα έρχονται αργότερα», είπε ο Nieder.

Συνέχισε να μαθαίνει όσα περισσότερα μπορούσε για τους αριθμούς νευρώνες. Το 2012, η ​​ομάδα του ανακάλυψε ότι οι νευρώνες ανταποκρίνονται στους αριθμούς που προτιμούν όταν είναι εκτίμηση ενός συνόλου ήχων ή οπτικών αντικειμένων. Μετά, το 2015, το έδειξαν αυτό Τα κοράκια έχουν επίσης αριθμούς νευρώνες. Σε μια επίδειξη «καταπληκτικής συμπεριφοράς κορακιού», είπε ο Νίντερ, τα πουλιά μπορούσαν να ραμφίσουν σωστά τον αριθμό των κουκκίδων ή των αραβικών αριθμών που τους εμφανίζονται.

Ωστόσο, κανείς δεν είχε εντοπίσει αριθμό νευρώνων στους ανθρώπους. Αυτό συμβαίνει επειδή η μελέτη του ανθρώπινου εγκεφάλου είναι εμφανώς δύσκολη: Οι επιστήμονες συνήθως δεν μπορούν να έχουν πρόσβαση στη δραστηριότητά του ηθικά σε πειράματα όσο οι άνθρωποι είναι ζωντανοί. Τα εργαλεία απεικόνισης του εγκεφάλου δεν έχουν την ανάλυση που απαιτείται για να διακρίνουν μεμονωμένους νευρώνες και η επιστημονική περιέργεια από μόνη της δεν μπορεί να δικαιολογήσει την εμφύτευση επεμβατικών ηλεκτροδίων στον εγκέφαλο.

Για να δει έναν ζωντανό εγκέφαλο, ο Nieder χρειαζόταν να βρει ασθενείς που είχαν ήδη εμφυτεύματα ηλεκτροδίων και που θα συναινούσαν να συμμετάσχουν στην έρευνά του. Το 2015 επικοινώνησε Φλόριαν Μόρμαν — ο επικεφαλής της ομάδας γνωστικής και κλινικής νευροφυσιολογίας στο Πανεπιστήμιο της Βόννης, ο οποίος είναι ένας από τους λίγους κλινικούς γιατρούς στη Γερμανία που κάνει καταγραφές μονοκυττάρου σε ασθενείς — για να δει αν αυτός και οι ασθενείς του θα συμμετάσχουν στην αναζήτηση του Nieder για ανθρώπινους αριθμούς νευρώνες . Ο Μόρμαν είπε ναι, και οι ομάδες τους άρχισαν να εργάζονται εξετάζοντας την εγκεφαλική δραστηριότητα των επιληψιακών ασθενών του, στους οποίους είχαν εμφυτευθεί ηλεκτρόδια στο παρελθόν για να βελτιώσουν την ιατρική τους περίθαλψη.

Εννέα ασθενείς έκαναν απλούς υπολογισμούς στο κεφάλι τους ενώ οι ερευνητές κατέγραφαν την εγκεφαλική τους δραστηριότητα. Σίγουρα, στα δεδομένα, ο Nieder και ο Mormann είδε νευρώνες να πυροβολούν για τους προτιμώμενους αριθμούς τους — την πρώτη φορά που εντοπίστηκαν αριθμητικοί νευρώνες στον ανθρώπινο εγκέφαλο. Δημοσίευσαν τα ευρήματά τους στο Νευρώνας στο 2018.

Οι νευροεπιστήμονες φυσικά οδηγούνται να κατανοήσουν το μυαλό τους, είπε ο Nieder, και έτσι «η εύρεση τέτοιων νευρώνων στον ανθρώπινο εγκέφαλο είναι εξαιρετικά ικανοποιητική».

Αριθμητικό κατώφλι

Για να συνεχίσουν την αναζήτησή τους, ο Nieder και ο Mormann ξεκίνησαν μια νέα μελέτη για να ανακαλύψουν πώς οι νευρώνες αντιπροσωπεύουν περιττούς και ζυγούς αριθμούς. Οι ερευνητές στρατολόγησαν 17 ασθενείς με επιληψία και τους έδειξαν λάμψεις κουκκίδων, που κυμαίνονταν σε αριθμό από μία έως εννέα, σε οθόνες υπολογιστών. Οι συμμετέχοντες υπέδειξαν αν είδαν έναν μονό ή ζυγό αριθμό ενώ τα ηλεκτρόδια κατέγραφαν τη δραστηριότητα του εγκεφάλου τους.

Τους επόμενους μήνες, καθώς η Esther Kutter, μια μεταπτυχιακή φοιτήτρια που μελετούσε με τον Nieder, ανέλυε τα δεδομένα που προέκυψαν, είδε να αναδύεται ένα σαφές μοτίβο - ακριβώς γύρω από τον αριθμό 4.

Τα δεδομένα, τα οποία περιελάμβαναν 801 εγγραφές πυροδότησης μεμονωμένων νευρώνων, έδειξαν δύο διακριτές νευρικές υπογραφές: μία για μικρούς αριθμούς και μία για μεγάλους. Πάνω από τον αριθμό 4, η πυροδότηση των νευρώνων για τον προτιμώμενο αριθμό έγινε σταδιακά λιγότερο ακριβής και λανθασμένα πυροβόλησαν για αριθμούς κοντά στον προτιμώμενο αριθμό. Αλλά για 4 και κάτω, οι νευρώνες πυροβόλησαν με ακρίβεια - με το ίδιο μικρό ποσοστό σφάλματος είτε πυροβολούσαν για ένα, δύο, τρία ή τέσσερα αντικείμενα. Η λανθασμένη πυροδότηση ως απάντηση σε άλλους αριθμούς απουσίαζε σε μεγάλο βαθμό.

Αυτό εξέπληξε τον Νίντερ. Δεν είχε δει προηγουμένως αυτό το όριο στις μελέτες του σε ζώα: Αυτά τα πειράματα περιλάμβαναν αριθμούς μόνο μέχρι το 5. Δεν είχε βάλει σκοπό να διερευνήσει την παρατήρηση του Jevons, ούτε περίμενε να δει ένα νευρικό όριο να επιβεβαιώνει αυτό που είχαν βρει οι μελέτες συμπεριφοράς . Μέχρι εκείνο το σημείο ήταν πεπεισμένος ότι ο εγκέφαλος είχε μόνο έναν μηχανισμό για να κρίνει αριθμούς - μια συνέχεια που γινόταν πιο ασαφής όσο υψηλότερα ανέβαιναν οι αριθμοί.

Τα νέα δεδομένα τον άλλαξαν. «Αυτό το όριο εμφανίστηκε με διαφορετικούς τρόπους», είπε ο Nieder. Τα νευρωνικά μοτίβα πρότειναν ότι υπάρχει ένας πρόσθετος μηχανισμός που καταστέλλει νευρώνες μικρότερου αριθμού από το να εκτοξεύονται για λάθος αριθμούς.

Πιαντάδοσι και Σερζ Ντουμουλέν, ο διευθυντής του Κέντρου Νευροαπεικόνισης Spinoza στο Άμστερνταμ, είχε δημοσιεύσει προηγουμένως εργασίες που υποστηρίζουν την ιδέα ότι μόνο ένας μηχανισμός διαχειρίζεται τη νευρωνική ερμηνεία των αριθμών. Ωστόσο, εντυπωσιάστηκαν από τα νέα δεδομένα του Nieder και του Mormann που δείχνουν ότι στην πραγματικότητα υπάρχουν δύο ξεχωριστοί μηχανισμοί.

Είναι «πραγματική επικύρωση ότι μεγάλοι και μικροί αριθμοί έχουν διαφορετικές νευρικές υπογραφές», είπε ο Piantadosi. Ωστόσο, προειδοποίησε ότι δύο υπογραφές μπορούν να προκύψουν από μια ενιαία διαδικασία. Το αν θα πρέπει να περιγραφεί ως ένας ή δύο μηχανισμοί είναι ακόμη προς συζήτηση.

«Αυτό είναι απλά όμορφο», είπε ο Dumoulin. "Αυτός ο τύπος δεδομένων δεν ήταν διαθέσιμος και σίγουρα όχι σε ανθρώπους."

Ωστόσο, μια ακόμη μεγάλη αβεβαιότητα παραμένει. Οι ερευνητές δεν μελέτησαν τους προμετωπιαίους ή βρεγματικούς φλοιούς, όπου η πλειονότητα των αριθμητικών νευρώνων βρίσκεται σε πιθήκους. Αντίθετα, λόγω του σημείου που εισήχθησαν τα ηλεκτρόδια των ασθενών, η μελέτη επικεντρώθηκε στον έσω κροταφικό λοβό, ο οποίος εμπλέκεται στη μνήμη. Δεν είναι η πρώτη θέση στον ανθρώπινο εγκέφαλο που θα ερευνούσατε για να κατανοήσετε τους αριθμούς, είπε ο Nieder. «Από την άλλη πλευρά, ο έσω κροταφικός λοβός δεν είναι επίσης το χειρότερο μέρος για να αναζητήσετε τέτοιους νευρώνες».

Αυτό συμβαίνει επειδή ο έσω κροταφικός λοβός συνδέεται με την αίσθηση του αριθμού. Είναι ενεργό όταν τα παιδιά μαθαίνουν υπολογισμούς και πίνακες πολλαπλασιασμού και συνδέεται στενά με περιοχές όπου πιστεύεται ότι βρίσκονται αριθμητικοί νευρώνες, είπε ο Nieder.

Δεν είναι σαφές γιατί υπάρχουν αριθμητικοί νευρώνες σε αυτήν την περιοχή, είπε ο Butterworth. «Τα πράγματα που πιστεύαμε ότι ήταν ειδικά για τον βρεγματικό λοβό φαίνεται να αντανακλώνται επίσης σε μέρη του έσω κροταφικού λοβού».

Μια πιθανότητα είναι ότι αυτοί δεν είναι καθόλου αριθμητικοί νευρώνες. Πέδρο Πινέιρο-Σάγκας, επίκουρος καθηγητής νευρολογίας στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, στο Σαν Φρανσίσκο, πιστεύει ότι αυτοί θα μπορούσαν να είναι νευρώνες εννοιών, οι οποίοι βρίσκονται στον έσω κροταφικό λοβό και συνδέονται ο καθένας με συγκεκριμένες έννοιες. Για παράδειγμα, μια διάσημη μελέτη βρήκε έναν εννοιολογικό νευρώνα που ανταποκρινόταν άμεσα και συγκεκριμένα στις εικόνες της ηθοποιού Τζένιφερ Άνιστον. «Ίσως δεν βρίσκουν τους μηχανισμούς της αίσθησης του αριθμού. … Ίσως βρίσκουν εννοιολογικά κελιά που εφαρμόζονται επίσης σε αριθμούς», είπε ο Pinheiro-Chagas. «Καθώς έχετε την έννοια της «Jennifer Aniston», θα μπορούσατε να έχετε την έννοια του «τρεις».

Το επίπεδο ανάλυσης είναι «απλά πραγματικά εξαιρετικό», είπε Marinella Cappelletti, γνωστικός νευροεπιστήμονας στο Goldsmiths του Πανεπιστημίου του Λονδίνου. Οι ερευνητές παρέχουν «επιτακτικά στοιχεία» για διπλούς μηχανισμούς στον έσω κροταφικό λοβό. Πιστεύει, ωστόσο, ότι θα ήταν πολύτιμο να δούμε αν αυτοί οι μηχανισμοί λειτουργούν και σε άλλες περιοχές του εγκεφάλου, εάν παρουσιαστεί η ευκαιρία.

«Βλέπω αυτά τα ευρήματα σαν να κοιτάζω σε ένα παράθυρο», είπε ο Cappelletti. «Θα ήταν ωραίο να το ανοίξουμε λίγο περισσότερο και να μας πούμε περισσότερα για τον υπόλοιπο εγκέφαλο».

Υπάρχει κάτι για 4

Τα νέα ευρήματα έχουν σαφείς παραλληλισμούς με τους περιορισμούς της μνήμης εργασίας. Οι άνθρωποι μπορούν να κρατούν μόνο έναν ορισμένο αριθμό αντικειμένων στη συνείδησή τους ή στη μνήμη εργασίας τους ταυτόχρονα. Τα πειράματα δείχνουν ότι ο αριθμός είναι επίσης 4.

Η συμφωνία μεταξύ του ορίου της αίσθησης του αριθμού και της μνήμης εργασίας είναι «δύσκολο να αγνοηθεί», είπε ο Cappelletti.

Είναι πιθανό οι μηχανισμοί να σχετίζονται. Σε προηγούμενες μελέτες για την αίσθηση των αριθμών, όταν ένας συμμετέχων σταμάτησε να δίνει προσοχή, έχασε την ικανότητά του να κρίνουν με ακρίβεια την πραγματική τιμή των αριθμών 4 και κάτω. Αυτό υποδηλώνει ότι το σύστημα μικρού αριθμού, το οποίο καταστέλλει τις παρακείμενες λανθάνουσες πυροδοτήσεις με μικρούς αριθμούς, μπορεί να είναι στενά συνδεδεμένο με την προσοχή.

Ο Nieder υποθέτει τώρα ότι το σύστημα μικρών αριθμών ενεργοποιείται μόνο όταν προσέχετε τι είναι μπροστά σας. Ελπίζει να δοκιμάσει αυτή την ιδέα σε πιθήκους, εκτός από την αναζήτηση ενός νευρικού ορίου στο 4 που τα πειράματά τους δεν έχουν ακόμη καταγράψει.

Η νέα έρευνα «φαίνεται να είναι η αρχή ενός νέου άλματος» στην κατανόησή μας για την αντίληψη των αριθμών, είπε ο Pinheiro-Chagas, το οποίο θα μπορούσε να έχει χρήσιμες εφαρμογές. Ελπίζει ότι θα αποτελέσει τροφή για συζητήσεις στην εκπαίδευση των μαθηματικών και ακόμη και στην τεχνητή νοημοσύνη, η οποία παλεύει με την αντίληψη της πολλαπλότητας. Τα μεγάλα γλωσσικά μοντέλα είναι «πολύ κακά στο μέτρημα. Είναι πολύ κακοί στην κατανόηση των ποσοτήτων», είπε.

Ο καλύτερος χαρακτηρισμός των αριθμητικών νευρώνων μπορεί επίσης να μας βοηθήσει να καταλάβουμε ποιοι είμαστε. Δίπλα στο γλωσσικό σύστημα, η αναπαράσταση αριθμών είναι το δεύτερο μεγαλύτερο σύστημα συμβόλων των ανθρώπων. Οι άνθρωποι χρησιμοποιούν αριθμούς συχνά και με διάφορους τρόπους, και εμείς και οι πρόγονοί μας έχουμε χρησιμοποιήσει μαθηματικά για να περιγράψουμε τον κόσμο εδώ και χιλιετίες. Υπό αυτή την έννοια, τα μαθηματικά είναι ένα θεμελιώδες μέρος του να είσαι άνθρωπος.

Και, όπως αρχίζει να δείχνει αυτή η μελέτη, αυτή η ικανότητα υπολογισμού μπορεί να προέρχεται από ένα καλά συντονισμένο δίκτυο νευρώνων στον εγκέφαλο.

Quanta διεξάγει μια σειρά από έρευνες για την καλύτερη εξυπηρέτηση του κοινού μας. Πάρτε το δικό μας έρευνα αναγνωστών βιολογίας και θα μπείτε για να κερδίσετε δωρεάν Quanta εμπορεύματα.