Pourquoi le cerveau humain perçoit mieux les petits nombres | Magazine Quanta

Il y a plus de 150 ans, l'économiste et philosophe William Stanley Jevons a découvert quelque chose de curieux à propos du chiffre 4. Tout en réfléchissant à la façon dont l'esprit conçoit les nombres, il a jeté une poignée de haricots noirs dans une boîte en carton. Puis, après un rapide coup d’œil, il devina combien il y en avait, avant de les compter pour en enregistrer la vraie valeur. Après plus de 1,000 XNUMX essais, il a constaté une tendance claire. Lorsqu’il y avait quatre grains ou moins dans la boîte, il devinait toujours le bon chiffre. Mais pour cinq haricots ou plus, ses estimations rapides étaient souvent incorrectes.

Description de Jevons de son auto-expérience, publié dans Nature en 1871., a posé les « fondements de notre façon de penser les chiffres », a déclaré Steven Piantadosi, professeur de psychologie et de neurosciences à l'Université de Californie à Berkeley. Cela a déclenché un débat de longue durée sur la raison pour laquelle il semble y avoir une limite au nombre d'éléments dont nous pouvons juger avec précision qu'ils sont présents dans une extension.

Maintenant, une nouvelle étude in Comportement humain de nature s'est rapproché d'une réponse en jetant un regard sans précédent sur la façon dont les cellules du cerveau humain se déclenchent lorsqu'on leur présente certaines quantités. Ses résultats suggèrent que le cerveau utilise une combinaison de deux mécanismes pour juger du nombre d’objets qu’il voit. On estime des quantités. La seconde améliore la précision de ces estimations, mais uniquement pour de petits nombres.

Il est « très excitant » que les résultats relient des idées longtemps débattues à leurs fondements neuronaux, a déclaré Piantadosi, qui n'a pas participé à l'étude. "Il n'y a pas beaucoup de choses en cognition où les gens ont pu identifier des fondements biologiques très plausibles."

Bien que la nouvelle étude ne mette pas fin au débat, les résultats commencent à démêler les bases biologiques sur lesquelles le cerveau juge les quantités, ce qui pourrait éclairer des questions plus vastes sur la mémoire, l’attention et même les mathématiques.

Le numéro préféré d'un neurone

La capacité de juger instantanément le nombre d’éléments dans un ensemble n’a rien à voir avec le comptage. Les nourrissons humains possèdent ce sens du nombre avant même d’apprendre le langage. Et cela ne se limite pas aux humains : les singes, les abeilles, les poissons, les corbeaux et d'autres animaux en sont également atteints.

Un singe doit être capable de juger rapidement du nombre de pommes dans un arbre, ainsi que du nombre d'autres singes avec lesquels il est en compétition pour ces pommes. Un lion, confronté à d’autres lions, doit décider s’il doit se battre ou fuir. Les abeilles doivent savoir quelle zone possède le plus de fleurs pour se nourrir. Un guppy a de meilleures chances d’échapper à un prédateur s’il rejoint un banc. "Plus le banc est grand, plus le petit poisson est en sécurité", a déclaré Brian Butterworth, neuroscientifique cognitif à l'University College London qui n'a pas participé aux nouveaux travaux.

Ce sens inné des nombres est donc essentiel à la survie, augmentant les chances d'un animal de trouver de la nourriture, d'éviter les prédateurs et, finalement, de se reproduire. "Il est tout simplement payant pour la survie d'un animal d'être capable de différencier des quantités numériques", a déclaré Andreas Nieder, titulaire de la chaire de physiologie animale de l'Université de Tübingen en Allemagne, qui a codirigé la nouvelle étude. Le fait que cette capacité se retrouve chez divers animaux, depuis les insectes jusqu’aux humains, suggère qu’elle est apparue il y a longtemps et que ses bases neuronales intéressent les scientifiques cognitifs depuis des décennies.

En 2002, alors que Nieder travaillait avec le neuroscientifique Earl Miller au Massachusetts Institute of Technology en tant que boursier postdoctoral, ils ont publié l'un des premiers éléments de preuve démontrant que les chiffres sont lié à des neurones spécifiques. Dans une expérience comportementale utilisant des singes, ils ont découvert que ces neurones, situés dans le cortex préfrontal où se déroule le traitement de niveau supérieur, ont des numéros préférés – des numéros préférés qui, lorsqu'ils sont perçus, font s'allumer les cellules lors des scintigraphies cérébrales.

Par exemple, certains neurones sont réglés sur le chiffre 3. Lorsqu’on leur présente trois objets, ils déclenchent davantage. D'autres neurones sont réglés sur le chiffre 5 et se déclenchent lorsqu'on leur présente cinq objets, et ainsi de suite. Ces neurones ne sont pas exclusivement dédiés à leurs favoris : ils se déclenchent également pour les numéros adjacents. (Ainsi, le neurone réglé sur 5 se déclenche également pour quatre et six objets.) Mais ils ne le font pas aussi souvent, et à mesure que le nombre présenté s'éloigne du nombre préféré, la cadence de déclenchement des neurones diminue.

Nieder était enthousiasmé par les questions plus profondes que présentaient les travaux sur le développement des capacités mathématiques. Les nombres conduisent au comptage, puis à des représentations symboliques de nombres, comme les chiffres arabes qui remplacent les quantités. Ces nombres symboliques sous-tendent l’arithmétique et les mathématiques. "Pour nous, savoir comment les nombres sont représentés [dans le cerveau] pose les bases de tout ce qui viendra plus tard", a déclaré Nieder.

Il a ensuite appris autant qu'il pouvait sur les neurones numériques. En 2012, son équipe a découvert que les neurones réagissent à leurs nombres préférés lorsqu'ils sont estimer un ensemble de sons ou d’éléments visuels. Puis, en 2015, ils ont montré que les corbeaux ont aussi des neurones numériques. Dans un spectacle de «comportement étonnant de corbeau», a déclaré Nieder, les oiseaux pouvaient correctement picorer le nombre de points ou de chiffres arabes qui leur étaient présentés.

Cependant, personne n’avait identifié le nombre de neurones chez l’homme. C'est parce que l'étude du cerveau humain est notoirement difficile : les scientifiques ne peuvent généralement pas accéder à son activité de manière éthique lors d'expériences alors que les gens sont en vie. Les outils d’imagerie cérébrale n’ont pas la résolution nécessaire pour distinguer les neurones individuels, et la curiosité scientifique ne peut à elle seule justifier l’implantation d’électrodes invasives dans le cerveau.

Pour examiner un cerveau vivant, Nieder devait trouver des patients qui avaient déjà des implants d'électrodes et qui consentiraient à faire partie de ses recherches. En 2015, il contacte Florian Mormann — le chef du groupe de neurophysiologie cognitive et clinique de l'Université de Bonn, qui est l'un des rares cliniciens en Allemagne à réaliser des enregistrements unicellulaires sur des patients humains — pour voir si lui et ses patients se joindraient à la recherche de Nieder sur les neurones à nombre humain . Mormann a dit oui, et leurs équipes se sont mises au travail pour examiner l'activité cérébrale de ses patients épileptiques, à qui des électrodes avaient été implantées auparavant pour améliorer leurs soins médicaux.

Neuf patients effectuaient des calculs simples dans leur tête pendant que les chercheurs enregistraient leur activité cérébrale. Effectivement, dans les données, Nieder et Mormann j'ai vu les neurones s'allumer pour leurs nombres préférés – c’était la première fois que des neurones numériques étaient identifiés dans le cerveau humain. Ils ont publié leurs conclusions dans Neuron dès 2018.

Les neuroscientifiques sont bien sûr amenés à comprendre leur propre esprit, a déclaré Nieder, et ainsi « trouver de tels neurones dans le cerveau humain est extrêmement gratifiant ».

Un seuil numérique

Pour poursuivre leur quête, Nieder et Mormann ont lancé une nouvelle étude pour découvrir comment les neurones représentent les nombres impairs et pairs. Les chercheurs ont recruté 17 patients épileptiques et leur ont montré des éclairs de points, allant de un à neuf, sur des écrans d'ordinateur. Les participants ont indiqué s'ils voyaient un nombre impair ou pair pendant que les électrodes enregistraient leur activité cérébrale.

Au cours des mois suivants, alors qu’Esther Kutter, une étudiante diplômée de Nieder, analysait les données obtenues, elle a vu émerger une tendance claire – juste autour du chiffre 4.

Les données, qui comprenaient 801 enregistrements de neurones uniques, ont montré deux signatures neuronales distinctes : une pour les petits nombres et une pour les grands. Au-dessus du chiffre 4, le déclenchement des neurones pour leur numéro préféré est devenu progressivement moins précis, et ils ont déclenché par erreur pour des nombres proches du numéro préféré. Mais pour 4 et moins, les neurones se déclenchaient avec précision – avec le même petit taux d’erreur, qu’ils déclenchent pour un, deux, trois ou quatre objets. Les ratés d’allumage en réponse à d’autres chiffres étaient largement absents.

Cela a surpris Nieder. Il n'avait jamais vu cette limite auparavant dans ses études sur les animaux : ces expériences portaient sur des nombres allant jusqu'à 5 seulement. Il n'avait pas entrepris d'examiner l'observation de Jevons, et il ne s'attendait pas non plus à voir une limite neuronale confirmer ce que les études comportementales avaient trouvé. . Jusque-là, il était convaincu que le cerveau ne disposait que d’un seul mécanisme pour juger les nombres – un continuum qui devenait de plus en plus flou à mesure que les nombres montaient.

Les nouvelles données ont changé la donne pour lui. "Cette frontière est apparue de différentes manières", a déclaré Nieder. Les modèles neuronaux suggèrent qu'il existe un mécanisme supplémentaire qui empêche les neurones à plus petit nombre de se déclencher pour les mauvais nombres.

Piantadosi et Serge Dumoulin, directeur du Centre Spinoza de neuroimagerie à Amsterdam, avait déjà publié des articles soutenant l'idée selon laquelle un seul mécanisme gère l'interprétation neuronale des nombres. Ils ont pourtant été frappés par les nouvelles données de Nieder et Mormann montrant qu'il existe en fait deux mécanismes distincts.

C'est « une véritable validation du fait que les grands et les petits nombres ont des signatures neuronales différentes », a déclaré Piantadosi. Mais il a averti que deux signatures peuvent émerger d'un seul processus ; la question de savoir si cela doit être décrit comme un ou deux mécanismes reste encore à débattre.

"C'est tout simplement magnifique", a déclaré Dumoulin. "Ce type de données n'était pas disponible et certainement pas chez les humains."

Cependant, une autre incertitude majeure demeure. Les chercheurs n’ont pas étudié les cortex préfrontal ou pariétal, où se trouvent la majorité des neurones chez le singe. Au lieu de cela, en raison de l'endroit où les électrodes des patients ont été insérées, l'étude s'est concentrée sur le lobe temporal médial, impliqué dans la mémoire. Ce n'est pas le premier endroit du cerveau humain qu'il faut explorer pour comprendre les chiffres, a déclaré Nieder. "D'un autre côté, le lobe temporal médial n'est pas non plus le pire endroit pour rechercher de tels neurones."

C'est parce que le lobe temporal médial est lié au sens du nombre. Il est actif lorsque les enfants apprennent les calculs et les tables de multiplication, et il est intimement lié aux régions où l'on pense que se trouvent les neurones numériques, a déclaré Nieder.

On ne sait pas pourquoi un certain nombre de neurones sont présents dans cette région, a déclaré Butterworth. "Les éléments que nous pensions spécifiques au lobe pariétal semblent également se refléter dans certaines parties du lobe temporal médial."

Une possibilité est qu’il ne s’agit pas du tout de neurones numériques. Pedro Pinheiro-Chagas, professeur adjoint de neurologie à l'Université de Californie à San Francisco, pense qu'il pourrait s'agir plutôt de neurones conceptuels, situés dans le lobe temporal médial et chacun étant lié à des concepts spécifiques. Par exemple, une étude célèbre a découvert un neurone conceptuel qui répondait directement et spécifiquement aux images de l’actrice Jennifer Aniston. « Peut-être qu’ils ne trouvent pas les mécanismes du sens des nombres. … Peut-être qu'ils découvrent des cellules conceptuelles qui s'appliquent également aux nombres », a déclaré Pinheiro-Chagas. « Comme vous avez le concept de « Jennifer Aniston », vous pourriez avoir le concept de « trois ».

Le niveau d’analyse est « tout simplement exceptionnel », a déclaré Marinella Cappelletti, neuroscientifique cognitif à Goldsmiths, Université de Londres. Les chercheurs fournissent des « preuves convaincantes » de mécanismes doubles dans le lobe temporal médial. Elle pense toutefois qu’il serait utile de voir si ces mécanismes fonctionnent également dans d’autres régions du cerveau, si l’occasion se présente.

"Je vois ces découvertes comme si je regardais par une fenêtre", a déclaré Cappelletti. "Ce serait bien de l'ouvrir un peu plus et de nous en dire plus sur le reste du cerveau."

Il y a quelque chose à propos de 4

Les nouvelles découvertes présentent des parallèles évidents avec les limites de la mémoire de travail. Les gens ne peuvent détenir qu’un certain nombre d’objets dans leur conscience, ou dans leur mémoire de travail, à la fois. Les expériences montrent que ce nombre est également 4.

L’accord entre la limite du sens du nombre et celle de la mémoire de travail est « difficile à ignorer », a déclaré Cappelletti.

Il est possible que les mécanismes soient liés. Dans des études précédentes sur le sens des nombres, lorsqu’un participant cessait d’y prêter attention, il perdait sa capacité à juger avec précision la vraie valeur des nombres 4 et inférieurs. Cela suggère que le système à petit nombre, qui supprime les ratés adjacents avec de petits nombres, pourrait être intimement lié à l'attention.

Nieder émet maintenant l'hypothèse que le système des petits nombres ne s'active que lorsque vous faites attention à ce qui se trouve devant vous. Il espère tester cette idée chez des singes, en plus de rechercher une limite neuronale à 4 que leurs expériences n'ont pas encore capturée.

La nouvelle recherche « semble être le début d’un nouveau pas » dans notre compréhension de la perception des nombres, a déclaré Pinheiro-Chagas, qui pourrait avoir des applications utiles. Il espère que cela alimentera les discussions dans le domaine de l’enseignement des mathématiques et même de l’intelligence artificielle, qui lutte avec la perception de la quantité. Les grands modèles de langage sont « assez mauvais pour compter. Ils sont assez mauvais pour comprendre les quantités », a-t-il déclaré.

Mieux caractériser les neurones numériques peut également nous aider à comprendre qui nous sommes. Après le système linguistique, la représentation des nombres est le deuxième système symbolique humain. Les gens utilisent les chiffres fréquemment et de diverses manières, et nous et nos ancêtres utilisons les mathématiques pour décrire le monde depuis des millénaires. En ce sens, les mathématiques sont un élément fondamental de l’être humain.

Et, comme cette étude commence à le montrer, ces prouesses en calcul pourraient toutes provenir d’un réseau finement réglé de neurones dans le cerveau.

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