Miksi ihmisaivot näkevät pienet numerot paremmin | Quanta-lehti

Yli 150 vuotta sitten taloustieteilijä ja filosofi William Stanley Jevons löysi jotain outoa numerosta 4. Pohtiessaan, kuinka mieli kuvittelee numerot, hän heitti kourallisen mustia papuja pahvilaatikkoon. Sitten hetkellisen vilkaisun jälkeen hän arvasi, kuinka monta niitä oli, ennen kuin laski ne tallentaakseen todellisen arvon. Yli 1,000 kokeen jälkeen hän näki selkeän kuvion. Kun laatikossa oli neljä tai vähemmän papuja, hän arvasi aina oikean numeron. Mutta viiden tai useamman pavun osalta hänen nopeat arvionsa olivat usein virheellisiä.

Jevonsin kuvaus omakokeilustaan, julkaistu luonto vuonna 1871, asetti "perustan sille, kuinka ajattelemme numeroita", sanoi Steven Piantadosi, psykologian ja neurotieteen professori Kalifornian yliopistossa Berkeleyssä. Se herätti pitkäaikaisen ja jatkuvan keskustelun siitä, miksi joukossa olevien esineiden lukumäärällä näyttää olevan raja.

Nyt, uusi tutkimus in Luonnon ihmisen käyttäytyminen on päässyt lähemmäksi vastausta tarkastelemalla ennennäkemättömällä tavalla, kuinka ihmisen aivosolut syttyvät, kun niille annetaan tiettyjä määriä. Sen havainnot viittaavat siihen, että aivot käyttävät kahden mekanismin yhdistelmää arvioidakseen kuinka monta esinettä ne näkevät. Yksi arvioi määriä. Toinen terävöittää näiden arvioiden tarkkuutta - mutta vain pienille määrille.

On "erittäin jännittävää", että havainnot yhdistävät pitkään kiistellyt ideat niiden hermopohjaan, sanoi Piantadosi, joka ei ollut mukana tutkimuksessa. "Kognitiossa ei ole monia asioita, joissa ihmiset ovat kyenneet osoittamaan erittäin uskottavia biologisia perusteita."

Vaikka uusi tutkimus ei lopeta keskustelua, havainnot alkavat purkaa biologista perustaa sille, kuinka aivot arvioivat määriä, mikä voisi antaa lisää kysymyksiä muistista, huomiosta ja jopa matematiikasta.

Neuronin suosikkinumero

Kyky arvioida välittömästi sarjan esineiden lukumäärää ei liity mitenkään laskemiseen. Ihmislapsilla on tämä lukuaisti jo ennen kuin he oppivat kieltä. Eikä se rajoitu ihmisiin: sitä on myös apinoilla, mehiläisillä, kaloilla, varisilla ja muilla eläimillä.

Apinan on pystyttävä nopeasti arvioimaan puussa olevien omenoiden määrä ja myös kuinka monta muuta apinaa vastaan ​​se kilpailee näistä omenoista. Kun leijona kohtaa muita leijonia, hänen on päätettävä, taisteleeko vai pakeneeko. Mehiläisten on tiedettävä, millä alueella on eniten kukkia ravinnonhakuun. Guppylla on paremmat mahdollisuudet paeta saalistajaa, jos se liittyy parvioon. "Mitä suurempi parvi, sitä turvallisempi pieni kala on", sanoi Brian Butterworth, kognitiivinen neurotieteilijä University College Londonista, joka ei ollut mukana uudessa työssä.

Tämä luontainen lukutaju on siksi kriittinen selviytymisen kannalta, mikä lisää eläimen mahdollisuuksia löytää ruokaa, välttää petoeläimiä ja lopulta lisääntyä. "Eläimen selviytymisen kannalta kannattaa, että se pystyy erottamaan numeeriset suuret", sanoi Andreas Nieder, eläinfysiologian johtaja Tübingenin yliopistossa Saksassa, joka johti uutta tutkimusta. Se, että tätä kykyä löytyy erilaisista eläimistä hyönteisistä ihmisiin, viittaa siihen, että se syntyi kauan sitten, ja sen hermopohja on kiinnostanut kognitiivisia tutkijoita vuosikymmeniä.

Vuonna 2002, jolloin Nieder työskenteli neurotieteilijän kanssa Earl Miller Massachusetts Institute of Technologyssa tutkijatohtorina he julkaisivat yhden ensimmäisistä todisteista siitä, että luvut ovat liittyy tiettyihin hermosoluihin. Apinoilla tehdyssä käyttäytymiskokeessa he havaitsivat, että näillä hermosoluilla, jotka sijaitsevat prefrontaalisessa aivokuoressa, jossa korkeamman tason prosessointi tapahtuu, on ensisijaiset numerot - suosikkinumerot, jotka havaitessaan saavat solut syttymään aivoskannauksissa.

Esimerkiksi jotkut neuronit on viritetty numeroon 3. Kun niille esitetään kolme esinettä, ne ampuvat enemmän. Muut neuronit viritetään numeroon 5 ja syttyvät, kun heille esitetään viisi esinettä ja niin edelleen. Nämä neuronit eivät ole sitoutuneet yksinomaan suosikkeihinsa: ne myös ampuvat sen vieressä olevia numeroita. (Joten 5:een viritetty neuroni laukaisee myös neljää ja kuutta kohdetta.) Mutta he eivät tee sitä niin usein, ja kun esitetty luku etenee halutusta numerosta, neuronien laukaisunopeus laskee.

Nieder innostui työn esittämistä syvemmistä kysymyksistä matemaattisten kykyjen kehittämisestä. Numerot johtavat laskemiseen ja sitten symbolisiin lukuesitykseen, kuten arabialaisiin numeroihin, jotka tarkoittavat määriä. Nämä symboliset luvut tukevat aritmetiikkaa ja matematiikkaa. "Se, että tiedämme kuinka numerot esitetään [aivoissa], luo perustan kaikelle myöhemmin tulevalle", Nieder sanoi.

Hän jatkoi oppia niin paljon kuin pystyi lukuhermosoluista. Vuonna 2012 hänen tiiminsä havaitsi, että neuronit reagoivat haluamiinsa numeroihin ollessaan arvioimassa joukkoa äänistä tai visuaalisista kohteista. Sitten vuonna 2015 he osoittivat sen varisilla on myös lukuisia hermosoluja. Nieder sanoi, että "hämmästyttävän variskäyttäytymisen" esityksessä linnut pystyivät nokkimaan oikein niille näytettyjen pisteiden tai arabialaisten numeroiden määrän.

Kukaan ei kuitenkaan ollut tunnistanut lukuisia hermosoluja ihmisissä. Tämä johtuu siitä, että ihmisaivojen tutkiminen on tunnetusti vaikeaa: tiedemiehet eivät yleensä pääse käsiksi sen toimintaan eettisesti kokeissa ihmisten ollessa elossa. Aivojen kuvantamistyökaluilla ei ole tarvittavaa resoluutiota yksittäisten hermosolujen erottamiseen, eikä tieteellinen uteliaisuus yksinään voi oikeuttaa invasiivisten elektrodien istuttamista aivoihin.

Kurkistaakseen eläviin aivoihin Niederin täytyi löytää potilaita, joilla oli jo elektrodiimplantteja ja jotka suostuisivat osallistumaan hänen tutkimukseensa. Vuonna 2015 hän otti yhteyttä Florian Mormann — Bonnin yliopiston kognitiivisen ja kliinisen neurofysiologian ryhmän päällikkö, joka on yksi harvoista saksalaisista kliinikoista, jotka tekevät yksisoluisia tallenteita ihmispotilaille - nähdäkseen, liittyisivätkö hän ja hänen potilaansa Niederin ihmisneuronien etsintään. . Mormann sanoi kyllä, ja heidän tiiminsä alkoivat tutkia hänen epilepsiapotilaidensa aivotoimintaa, joille oli aiemmin istutettu elektrodeja parantamaan sairaanhoitoaan.

Yhdeksän potilasta teki yksinkertaisia ​​laskelmia päässään, kun taas tutkijat kirjasivat heidän aivotoimintansa. Totta kai, tiedoissa Nieder ja Mormann näki hermosolujen ampuvan niiden ensisijaisten lukujen vuoksi - ensimmäistä kertaa lukuhermosoluja tunnistettiin ihmisen aivoissa. He julkaisivat havaintonsa vuonna Neuroni vuonna 2018.

Neurotieteilijöiden on tietysti ajettava ymmärtämään omaa mieltään, Nieder sanoi, ja siksi "tällaisten neuronien löytäminen ihmisen aivoista on erittäin palkitsevaa".

Numeerinen kynnys

Nieder ja Mormann käynnistivät etsintönsä jatkamiseksi uuden tutkimuksen selvittääkseen, kuinka neuronit edustavat parittomia ja parillisia lukuja. Tutkijat rekrytoivat 17 epilepsiapotilasta ja osoittivat heille pisteiden välähdyksiä, joiden lukumäärä vaihteli yhdestä yhdeksään, tietokoneen näytöllä. Osallistujat ilmoittivat, näkivätkö he parillisen vai parillisen luvun, kun elektrodit tallensivat heidän aivotoimintansa.

Seuraavien kuukausien aikana, kun Esther Kutter, Niederin kanssa opiskeleva jatko-opiskelija, analysoi tulokseksi saatuja tietoja, hän näki selvän kuvion nousevan - aivan numeron 4 ympärillä.

Tiedot, jotka käsittivät 801 yksittäistä hermosolujen laukaisua, osoittivat kaksi erillistä hermotunnistetta: yksi pienille määrille ja toinen suurille. Numeron 4 yläpuolella hermosolujen ensisijainen luku heikkeni vähitellen, ja ne ampuivat virheellisesti numeroita, jotka olivat lähellä ensisijaista numeroa. Mutta 4:llä ja sitä pienemmällä hermosolut ampuivat tarkasti - samalla pienellä virhemäärällä ampuessaan yhtä, kahta, kolmea tai neljää kohdetta. Sytytyskatkos vastauksena muihin numeroihin puuttui suurelta osin.

Tämä yllätti Niederin. Hän ei ollut aiemmin nähnyt tätä rajaa eläintutkimuksissaan: Näissä kokeissa oli vain lukuja viiteen asti. Hän ei ollut ryhtynyt tutkimaan Jevonsin havaintoa, eikä hän odottanut näkevänsä hermorajan vahvistavan käyttäytymistutkimuksissa havaittuja tietoja. . Siihen asti hän oli ollut vakuuttunut siitä, että aivoilla oli vain yksi mekanismi numeroiden arvioimiseksi – jatkumo, joka sumeampi mitä korkeammalle luvut nousivat.

Uudet tiedot muuttivat asian hänen kannaltaan. "Tämä raja ponnahti esiin eri tavoin", Nieder sanoi. Neuraaliset kuviot viittasivat siihen, että on olemassa lisämekanismi, joka estää pienemmän lukumäärän hermosoluja ampumasta vääriä lukuja.

Piantadosi ja Serge DumoulinAmsterdamin Spinoza-keskuksen neuroimaging-keskuksen johtajalla oli molemmat aiemmin julkaistut asiakirjat, jotka tukevat ajatusta, että vain yksi mekanismi hallitsee numeroiden neuronaalista tulkintaa. Silti he hämmästyivät Niederin ja Mormannin uusista tiedoista, jotka osoittivat, että itse asiassa on kaksi erillistä mekanismia.

Se on "todellinen validointi, että suurilla ja pienillä luvuilla on erilaiset hermotunnisteet", Piantadosi sanoi. Mutta hän varoitti, että yhdestä prosessista voi syntyä kaksi allekirjoitusta; Siitä, pitäisikö sitä kuvata yhdeksi vai kahdeksi mekanismiksi, keskustellaan edelleen.

"Tämä on vain kaunista", Dumoulin sanoi. "Tällaista dataa ei ollut saatavilla eikä todellakaan ihmisillä."

Jäljellä on kuitenkin vielä yksi suuri epävarmuus. Tutkijat eivät tutkineet prefrontaalista tai parietaalista aivokuorta, joissa suurin osa neuroneista sijaitsee apinoissa. Sen sijaan, koska potilaiden elektrodit asetettiin, tutkimuksessa keskityttiin mediaaliseen ohimolohkoon, joka osallistuu muistiin. Se ei ole ensimmäinen paikka ihmisaivoissa, jota tutkit ymmärtääksesi numeroita, Nieder sanoi. "Toisaalta mediaalinen ohimolohko ei myöskään ole huonoin paikka etsiä tällaisia ​​hermosoluja."

Tämä johtuu siitä, että mediaalinen ohimolohko on yhteydessä numeroaistiin. Se on aktiivinen, kun lapset oppivat laskelmia ja kertolaskuja, ja se liittyy läheisesti alueisiin, joilla lukuhermosolujen uskotaan olevan, Nieder sanoi.

Ei ole selvää, miksi tällä alueella on useita neuroneja, Butterworth sanoi. "Asioita, joiden luulimme olevan spesifisiä parietaalilohkolle, näyttävät heijastuvan myös mediaalisen ohimolohkon osiin."

Yksi mahdollisuus on, että nämä eivät ole lainkaan numerohermosoluja. Pedro Pinheiro-Chagas, Kalifornian yliopiston San Franciscon neurologian apulaisprofessori, uskoo, että nämä voisivat sen sijaan olla käsitehermosoluja, jotka sijaitsevat mediaalisessa ohimolohkossa ja ovat yhteydessä tiettyihin käsitteisiin. Esimerkiksi eräs kuuluisa tutkimus löysi käsitehermosolun, joka reagoi suoraan ja erityisesti näyttelijä Jennifer Anistonin kuviin. ”Ehkä he eivät löydä lukuaistin mekanismeja. … Ehkä he löytävät konseptisoluja, joita sovelletaan myös numeroihin”, Pinheiro-Chagas sanoi. "Kuten sinulla on käsite "Jennifer Aniston", sinulla voisi olla käsite "kolme".

Analyysin taso on "vain todella erinomainen", sanoi Marinella Cappelletti, kognitiivinen neurotieteilijä Goldsmithsista, Lontoon yliopistosta. Tutkijat tarjoavat "kiinnostavia todisteita" kahdesta mekanismista mediaalisessa ohimolohkossa. Hänen mielestään olisi kuitenkin arvokasta nähdä, toimivatko nämä mekanismit myös muilla aivojen alueilla, jos mahdollisuus tarjoutuu.

"Näen nämä löydöt katsomisena ikkunaan", Cappelletti sanoi. "Olisi mukava avata sitä hieman enemmän ja kertoa meille enemmän muista aivoista."

4:ssä on jotain

Uusilla löydöillä on selkeitä yhtäläisyyksiä työmuistin rajoitusten kanssa. Ihmiset voivat pitää tietoisuudessaan tai työmuistissaan vain tietyn määrän esineitä kerrallaan. Kokeet osoittavat, että luku on myös 4.

Sopimus lukuaistin ja työmuistin rajan välillä on "vaikea sivuuttaa", Cappelletti sanoi.

On mahdollista, että mekanismit liittyvät toisiinsa. Aiemmissa lukuaistitutkimuksissa, kun osallistuja lakkasi kiinnittämään huomiota, he menettivät kykynsä arvioida tarkasti numeroiden 4 ja sitä pienempien todellisia arvoja. Tämä viittaa siihen, että pienten lukujen järjestelmä, joka vaimentaa vierekkäisiä sytytyshäiriöitä pienillä luvuilla, saattaa olla läheisesti sidottu huomioon.

Nieder olettaa nyt, että pienten lukujen järjestelmä käynnistyy vain, kun kiinnität huomiota siihen, mikä on edessäsi. Hän toivoo testaavansa tätä ideaa apinoissa sen lisäksi, että hän etsii 4-vuotiaana hermorajaa, jota heidän kokeensa eivät ole vielä saaneet kiinni.

Pinheiro-Chagas sanoi, että uusi tutkimus "näyttää olevan uuden harppauksen alku" ymmärryksessämme numerokäsityksestä, jolla voi olla hyödyllisiä sovelluksia. Hän toivoo, että se on ruokintaa keskusteluille matematiikan koulutuksen ja jopa lukuisuuden kanssa kamppailevan tekoälyn alalla. Suuret kielimallit ovat "melko huonoja laskemaan. He ovat melko huonoja ymmärtämään määriä", hän sanoi.

Numeroneuronien parempi karakterisointi voi myös auttaa meitä ymmärtämään, keitä olemme. Kielijärjestelmän vieressä numeroesitys on ihmisten toiseksi suurin symbolijärjestelmä. Ihmiset käyttävät numeroita usein ja monin eri tavoin, ja me ja esi-isämme ovat käyttäneet matematiikkaa kuvaamaan maailmaa vuosituhansien ajan. Siinä mielessä matematiikka on olennainen osa ihmisenä olemista.

Ja kuten tämä tutkimus alkaa osoittaa, tämä laskentakyky saattaa kaikki johtua aivojen hienosäätetystä hermosolujen verkostosta.

Quanta tekee sarjan kyselyjä palvellakseen paremmin yleisöämme. Ota meidän biologian lukijakysely ja pääset mukaan voittamaan ilmaiseksi Quanta kauppatavaraa.