Miks inimaju tajub väikseid numbreid paremini | Ajakiri Quanta

Rohkem kui 150 aastat tagasi avastas majandusteadlane ja filosoof William Stanley Jevons midagi kummalist numbri 4 kohta. Mõtiskledes selle üle, kuidas mõistus numbreid ette kujutab, viskas ta pappkasti peotäie musti ube. Seejärel arvas ta pärast põgusat pilku, kui palju neid oli, enne kui loendas need tõelise väärtuse fikseerimiseks. Pärast enam kui 1,000 katset nägi ta selget mustrit. Kui kastis oli neli või vähem ube, arvas ta alati õige arvu ära. Kuid viie või enama oa kohta olid tema kiired hinnangud sageli valed.

Jevonsi kirjeldus oma katsest, avaldatakse loodus aastal 1871, panid aluse sellele, kuidas me arvudest mõtleme, ütles ta Steven Piantadosi, psühholoogia ja neuroteaduse professor California ülikoolis Berkeleys. See kutsus esile pikaajalise ja kestva arutelu selle üle, miks näib olevat piiratud esemete arv, mida me komplektis täpselt hinnata saame.

Nüüd, uus uuring in Loodus Inimkäitumine on jõudnud vastusele lähemale, heites enneolematu pilgu sellele, kuidas inimese ajurakud teatud kogustes vallanduvad. Selle tulemused näitavad, et aju kasutab kahe mehhanismi kombinatsiooni, et hinnata, kui palju objekte see näeb. Üks hindab koguseid. Teine suurendab nende hinnangute täpsust, kuid ainult väikeste arvude puhul.

On "väga põnev", et leiud seovad kaua arutatud ideed nende närvide alustega, ütles Piantadosi, kes ei osalenud uuringus. "Tunnetuses pole palju asju, mille puhul inimesed oleksid suutnud kindlaks teha väga usutavad bioloogilised alused."

Kuigi uus uuring ei lõpeta arutelu, hakkavad leiud lahti harutama bioloogilist alust selle kohta, kuidas aju hindab koguseid, mis võib anda suuremaid küsimusi mälu, tähelepanu ja isegi matemaatika kohta.

Neuronite lemmiknumber

Võimalus koheselt hinnata komplekti kuuluvate esemete arvu ei ole loendamisega seotud. Inimimikutel on see numbritaju juba enne keele õppimist. Ja see ei piirdu ainult inimestega: seda on ka ahvidel, mesilastel, kaladel, varestel ja muudel loomadel.

Ahv peab suutma kiiresti hinnata õunte arvu puus ja ka seda, kui paljude teiste ahvidega ta nende õunte pärast võistleb. Lõvi peab teiste lõvidega silmitsi seistes otsustama, kas võidelda või põgeneda. Mesilased peavad teadma, millises piirkonnas on toiduotsimiseks kõige rohkem õisi. Guppil on paremad võimalused kiskja eest põgeneda, kui ta liitub parvega. "Mida suurem parv, seda ohutum on see väike kala," ütles Brian Butterworth, Londoni ülikooli kolledži kognitiivne neuroteadlane, kes uues töös ei osalenud.

see kaasasündinud arvutaju on seetõttu ellujäämise seisukohalt ülioluline, suurendades looma võimalusi toitu leida, vältida kiskjaid ja lõpuks paljuneda. "Looma ellujäämise jaoks tasub lihtsalt ära, et ta suudab numbrilisi koguseid eristada," ütles Andreas Nieder, Saksamaal Tübingeni ülikooli loomafüsioloogia õppetooli juhataja, kes juhtis uut uuringut. Asjaolu, et seda võimet leidub erinevatel loomadel putukatest inimesteni, viitab sellele, et see tekkis juba ammu ja selle närvibaas on kognitiivteadlasi huvitanud aastakümneid.

Aastal 2002, kui Nieder töötas neuroteadlasega Earl Miller Massachusettsi Tehnoloogiainstituudis järeldoktorandina avaldasid nad ühe esimese tõendi selle kohta, et arvud on seotud spetsiifiliste neuronitega. Käitumiskatses, milles kasutati ahve, leidsid nad, et nendel neuronitel, mis paiknevad prefrontaalses ajukoores, kus toimub kõrgemal tasemel töötlemine, on eelistatud numbrid – lemmiknumbrid, mida tajudes panevad rakud aju skaneerimisel süttima.

Näiteks on mõned neuronid häälestatud numbrile 3. Kui neile esitatakse kolm objekti, süttivad nad rohkem. Teised neuronid on häälestatud numbrile 5 ja süttivad, kui neile esitatakse viis objekti jne. Need neuronid ei ole ainult oma lemmikutele pühendunud: nad tulistavad ka sellega külgnevaid numbreid. (Seega 5-le häälestatud neuron tulistab ka nelja ja kuue objekti puhul.) Kuid nad ei tee seda nii sageli ja kuna esitatud arv eelistatud arvust kaugeneb, väheneb neuronite vallandumiskiirus.

Niederit erutasid sügavamad küsimused, mida töö matemaatiliste võimete arendamise kohta esitas. Numbrid viivad loendamiseni ja seejärel numbrite sümboolsete esitusteni, nagu araabia numbrid, mis tähistavad koguseid. Need sümboolsed numbrid on aritmeetika ja matemaatika aluseks. "Selleks, et me teaksime, kuidas numbreid [ajus] kujutatakse, loome aluse kõigele, mis hiljem tuleb," ütles Nieder.

Ta õppis arvu neuronite kohta nii palju kui võimalik. 2012. aastal avastas tema meeskond, et neuronid reageerivad nende eelistatud arvudele, kui nad on komplekti hindamine helidest või visuaalsetest esemetest. Siis, 2015. aastal, nad näitasid seda varestel on ka arvneuroneid. Nieder ütles, et "vareste hämmastava käitumise" saates suutsid linnud õigesti noppida neile kuvatavate punktide või araabia numbrite arvu.

Kuid keegi ei tuvastanud inimestel arvu neuroneid. Selle põhjuseks on asjaolu, et inimaju uurimine on kurikuulsalt keeruline: teadlased ei saa tavaliselt elusate katsete käigus selle aktiivsust eetiliselt kontrollida. Aju kuvamistööriistadel pole üksikute neuronite eristamiseks vajalikku eraldusvõimet ja teaduslik uudishimu üksi ei õigusta invasiivsete elektroodide implanteerimist ajju.

Elava aju vaatamiseks pidi Nieder leidma patsiendid, kellel olid juba elektroodimplantaadid ja kes nõustuksid osalema tema uurimistöös. 2015. aastal võttis ta ühendust Florian Mormann — Bonni ülikooli kognitiivse ja kliinilise neurofüsioloogia grupi juht, kes on üks väheseid kliinikuid Saksamaal, kes teeb inimpatsientidel üherakulisi salvestusi, et näha, kas tema ja ta patsiendid ühinevad Niederi inimarvu neuronite otsimisega. . Mormann ütles jah ning nende meeskonnad asusid uurima tema epilepsiahaigete ajutegevust, kellele oli varem meditsiiniabi parandamiseks implanteeritud elektroodid.

Üheksa patsienti tegid peas lihtsaid arvutusi, samal ajal kui teadlased registreerisid nende ajutegevust. Muidugi, andmetes Nieder ja Mormann nägin, kuidas neuronid tulistasid nende eelistatud numbrite jaoks - esimene kord, kui inimese ajus tuvastati arvneuronid. Nad avaldasid oma leiud aastal Neuron aastal 2018.

Nieder ütles, et neuroteadlased on loomulikult sunnitud mõistma oma meelt ja seega "on selliste neuronite leidmine inimese ajus äärmiselt rahuldust pakkuv".

Numbriline lävi

Oma otsingute jätkamiseks käivitasid Nieder ja Mormann uue uuringu, et selgitada välja, kuidas neuronid esindavad paarituid ja paarituid numbreid. Teadlased värbasid 17 epilepsiahaiget ja näitasid neile arvutiekraanidel täppe, mille arv ulatus ühest üheksani. Osalejad märkisid, kas nad nägid paaritu või paarisarvu ajal, mil elektroodid registreerisid nende ajutegevust.

Järgmise paari kuu jooksul, kui Niederi juures õppiv magistrant Esther Kutter saadud andmeid analüüsis, nägi ta selget mustrit – täpselt numbri 4 ümber.

Andmed, mis hõlmasid 801 üksikute neuronite vallandumist, näitasid kahte erinevat närvisignatuuri: üks väikeste arvude ja teine ​​​​suurte arvude jaoks. Numbrist 4 kõrgemal muutus neuronite eelistatud numbrite tulistamine järk-järgult vähem täpseks ja nad tulistasid ekslikult eelistatud numbritele lähedastele numbritele. Kuid 4 ja alla selle tulistasid neuronid täpselt – sama väikese veaga, olenemata sellest, kas nad tulistavad ühte, kahte, kolme või nelja objekti. Süütetõrge vastuseks teistele numbritele suures osas puudus.

See üllatas Niederit. Ta ei olnud seda piiri varem oma loomkatsetes näinud: need katsed hõlmasid ainult kuni 5-ni. Ta ei olnud asunud uurima Jevonsi tähelepanekuid ega lootnud näha närvipiiri, mis kinnitaks seda, mida käitumisuuringud olid leidnud. . Kuni selle hetkeni oli ta veendunud, et ajus on arvude hindamiseks vaid üks mehhanism – kontiinum, mis muutus seda hägusemaks, mida kõrgemale numbrid tõusid.

Uued andmed muutsid seda tema jaoks. "See piir tuli välja erineval viisil, " ütles Nieder. Närvimustrid viitasid sellele, et on olemas täiendav mehhanism, mis pärsib väiksema arvu neuroneid valedele numbritele tulistamise eest.

Piantadosi ja Serge Dumoulin, Amsterdami Spinoza neuropiltide keskuse direktor, olid mõlemad varem avaldanud dokumendid, mis toetasid ideed, et ainult üks mehhanism juhib numbrite neuronaalset tõlgendamist. Kuid neid rabasid Niederi ja Mormanni uued andmed, mis näitasid, et tegelikult on kaks erinevat mehhanismi.

See on "tõeline kinnitus, et suurtel ja väikestel arvudel on erinevad närvisignatuurid," ütles Piantadosi. Kuid ta hoiatas, et ühest protsessist võib tekkida kaks allkirja; Seda, kas seda tuleks kirjeldada ühe või kahe mehhanismina, on endiselt arutelu all.

"See on lihtsalt ilus," ütles Dumoulin. "Seda tüüpi andmed ei olnud kättesaadavad ja kindlasti mitte inimestel."

Siiski jääb veel üks suur ebakindlus. Teadlased ei uurinud prefrontaalset ega parietaalset ajukoort, kus enamik neuroneid paikneb ahvidel. Selle asemel, kuna patsientide elektroodid sisestati, keskendus uuring mediaalsele oimusagarale, mis on seotud mäluga. Nieder ütles, et see pole esimene koht inimese ajus, mida peaksite numbrite mõistmiseks uurima. "Teisest küljest ei ole ka mediaalne oimusagara halvim koht selliste neuronite otsimiseks."

Selle põhjuseks on asjaolu, et mediaalne temporaalsagara on seotud numbritajuga. See on aktiivne, kui lapsed õpivad arvutusi ja korrutustabeleid, ning see on tihedalt seotud piirkondadega, kus arvatakse olevat arvu neuronid, ütles Nieder.

Butterworth ütles, et pole selge, miks selles piirkonnas on arvu neuroneid. "Asjad, mida me arvasime olevat parietaalsagara spetsiifilised, näivad peegelduvat ka mediaalse oimusagara osades."

Üks võimalus on, et need pole üldse arvneuronid. Pedro Pinheiro-ChagasSan Francisco California ülikooli neuroloogia abiprofessor arvab, et need võiksid olla kontseptsiooni neuronid, mis asuvad mediaalses oimusagaras ja on kõik seotud konkreetsete mõistetega. Näiteks ühes kuulsas uuringus leiti kontseptsiooni neuron, mis reageeris otseselt ja konkreetselt näitleja Jennifer Anistoni piltidele. "Võib-olla nad ei leia numbritaju mehhanisme. … Võib-olla leiavad nad kontseptsioonilahtreid, mida kasutatakse ka numbrite puhul, ”ütles Pinheiro-Chagas. "Kuna teil on mõiste "Jennifer Aniston", võiks teil olla mõiste "kolm"."

Analüüsi tase on "lihtsalt suurepärane," ütles Marinella Cappelletti, Londoni ülikooli Goldsmithsi kognitiivne neuroteadlane. Teadlased pakuvad "kaitsvaid tõendeid" kahekordsete mehhanismide kohta mediaalses oimusagaras. Ta arvab, et võimaluse korral oleks siiski kasulik näha, kas need mehhanismid toimivad ka teistes ajupiirkondades.

"Ma näen neid leide kui aknast vaatamist," ütles Cappelletti. "Oleks tore seda natuke rohkem avada ja meile ülejäänud aju kohta rohkem rääkida."

4-st on midagi

Uutel leidudel on selged paralleelid töömälu piirangutega. Inimesed suudavad oma teadvuses või töömälus korraga hoida vaid teatud arvu objekte. Katsed näitavad, et ka number on 4.

Arvutaju ja töömälu piiri vahelist kokkulepet on "raske ignoreerida", ütles Cappelletti.

Võimalik, et mehhanismid on omavahel seotud. Varasemates numbritaju uuringutes kaotas osaleja tähelepanu pööramise lõpetades võime hinnata täpselt arvude 4 ja alla selle tegelikku väärtust. See viitab sellele, et väikese arvuga süsteem, mis summutab kõrvuti asetsevad tõrkeid väikeste arvudega, võib olla tähelepanuga tihedalt seotud.

Nieder oletab nüüd, et väikeste numbrite süsteem lülitub sisse ainult siis, kui pöörate tähelepanu sellele, mis teie ees on. Ta loodab katsetada seda ideed ahvidel, lisaks otsib 4-aastaselt närvipiiri, mida nende katsed pole veel tabanud.

Pinheiro-Chagas ütles, et uus uurimus "näib olevat uue hüppe algus" meie arusaamises numbrite tajumisest, millel võib olla kasulikke rakendusi. Ta loodab, et see on söödaks aruteludeks matemaatikahariduse ja isegi tehisintellekti alal, mis võitleb arvukuse tajumisega. Suured keelemudelid oskavad loendada üsna halvasti. Nad oskavad kogustest aru saada üsna halvasti,” ütles ta.

Arvneuronite parem iseloomustamine võib samuti aidata meil mõista, kes me oleme. Keelesüsteemi kõrval on numbrite esitus inimeste suuruselt teine ​​sümbolisüsteem. Inimesed kasutavad numbreid sageli ja mitmel viisil ning meie ja meie esivanemad oleme kasutanud matemaatikat maailma kirjeldamiseks aastatuhandeid. Selles mõttes on matemaatika inimeseks olemise oluline osa.

Ja nagu see uuring hakkab näitama, võib see arvutusvõime tuleneda aju peenhäälestatud neuronite võrgustikust.

Quanta viib läbi mitmeid küsitlusi, et meie vaatajaskonda paremini teenindada. Võtke meie bioloogia lugejaküsitlus ja teid osaletakse tasuta võitmiseks Quanta kaubad.