Miért érzékeli jobban az emberi agy a kis számokat | Quanta Magazin

Több mint 150 évvel ezelőtt William Stanley Jevons közgazdász és filozófus felfedezett valami érdekeset a 4-es számmal kapcsolatban. Miközben azon töprengett, hogyan képzeli el az elme a számokat, egy marék fekete babot dobott egy kartondobozba. Aztán egy röpke pillantás után kitalálta, hányan vannak, mielőtt megszámolta őket, hogy rögzítse a valódi értéket. Több mint 1,000 próba után világos mintát látott. Amikor négy vagy kevesebb bab volt a dobozban, mindig kitalálta a megfelelő számot. Ám öt vagy több bab esetében a gyors becslései gyakran tévesek voltak.

Jevons leírása saját kísérletéről, kiadva Természet 1871-ben, megadja „a számokról való gondolkodásunk alapját” – mondta Steven Piantadosi, a Berkeley-i Kaliforniai Egyetem pszichológia és idegtudomány professzora. Hosszan tartó és folyamatos vitát váltott ki arról, hogy miért tűnik úgy, hogy korlátozva van azon elemek száma, amelyeket pontosan meg tudunk ítélni egy készletben.

Most, egy új tanulmány in Természet emberi viselkedés közelebb került a válaszhoz azáltal, hogy soha nem látott pillantást vetett arra, hogyan tüzelnek az emberi agysejtek, ha bizonyos mennyiségekkel látják el őket. Eredményei arra utalnak, hogy az agy két mechanizmus kombinációját használja annak megítélésére, hogy hány tárgyat lát. Az egyik a mennyiségeket becsüli meg. A második élesíti e becslések pontosságát – de csak kis számok esetén.

„Nagyon izgalmas”, hogy az eredmények a régóta vitatott ötleteket összekapcsolják a neurális hátterükkel – mondta Piantadosi, aki nem vett részt a tanulmányban. "Nem sok olyan dolog van a megismerésben, ahol az emberek nagyon valószínű biológiai alapokat tudtak meghatározni."

Bár az új tanulmány nem zárja le a vitát, az eredmények elkezdik feloldani az agy mennyiségi megítélésének biológiai alapját, ami nagyobb kérdéseket vethet fel a memóriáról, a figyelemről és még a matematikáról is.

Egy neuron kedvenc száma

A készlet elemeinek azonnali megítélésének képességének semmi köze a számláláshoz. Az emberi csecsemők már a nyelvtanulás előtt is érzékelik ezt a számot. És ez nem csak az emberekre vonatkozik: majmok, méhek, halak, varjak és más állatok is rendelkeznek vele.

Egy majomnak gyorsan meg kell tudnia ítélni a fán lévő almák számát, és azt is, hogy hány másik majommal verseng az almáért. Az oroszlánnak, amikor más oroszlánokkal találkozik, el kell döntenie, hogy harcol vagy menekül. A mézelő méheknek tudniuk kell, hogy a takarmányszerzéshez melyik területen van a legtöbb virág. Egy guppinak nagyobb esélye van megszökni a ragadozó elől, ha csatlakozik egy rajhoz. „Minél nagyobb a raj, annál biztonságosabb az a kis hal” – mondta Brian Butterworth, a University College London kognitív idegtudósa, aki nem vett részt az új munkában.

Ezt veleszületett számérzék ezért kritikus a túlélés szempontjából, növelve az állatok esélyét, hogy táplálékot találjanak, elkerüljék a ragadozókat és végül szaporodjanak. „Egy állat túlélése szempontjából egyszerűen kifizetődő, ha képes megkülönböztetni a numerikus mennyiségeket” – mondta Andreas Nieder, a németországi Tübingeni Egyetem állatélettani tanszéke, az új tanulmány társvezetője. Az a tény, hogy ez a képesség különféle állatokban megtalálható, a rovaroktól az emberekig, arra utal, hogy nagyon régen keletkezett, és idegi alapja évtizedek óta foglalkoztatja a kognitív tudósokat.

2002-ben, amikor Nieder az idegtudóssal dolgozott Earl Miller a Massachusetts Institute of Technology posztdoktori ösztöndíjasként publikálták az egyik első bizonyítékot arra vonatkozóan, hogy a számok specifikus neuronokhoz kapcsolódik. Egy majmokkal végzett viselkedési kísérlet során azt találták, hogy ezek a neuronok, amelyek a prefrontális kéregben helyezkednek el, ahol a magasabb szintű feldolgozás zajlik, preferált számokkal rendelkeznek – ezek a kedvenc számok, amelyek észlelésekor a sejtek felvillannak az agyi szkennelés során.

Például egyes neuronok a 3-as számra vannak hangolva. Ha három tárgyat kapnak, többet tüzelnek. Más neuronok az 5-ös számra vannak hangolva, és akkor tüzelnek, amikor öt tárgyat mutatnak be, és így tovább. Ezek a neuronok nem kizárólag a kedvenceik mellett vannak: a szomszédos számokra is tüzelnek. (Tehát az 5-re hangolt neuron négy és hat objektumra is tüzel.) De nem teszik ezt olyan gyakran, és ahogy a bemutatott szám egyre távolabb kerül a preferált számtól, a neuronok tüzelési sebessége csökken.

Niedert izgatták a munka által a matematikai képességek fejlesztésével kapcsolatos mélyebb kérdések. A számok számoláshoz vezetnek, majd szimbolikus számábrázolásokhoz, például arab számokhoz, amelyek mennyiségeket jelölnek. Ezek a szimbolikus számok alátámasztják az aritmetikát és a matematikát. "Ahhoz, hogy tudjuk, hogyan jelennek meg a számok [az agyban], az megalapozza mindazt, ami később jön" - mondta Nieder.

A lehető legtöbbet tanult a számneuronokról. 2012-ben csapata felfedezte, hogy a neuronok az általuk preferált számra reagálnak, amikor vannak egy halmaz becslése hangok vagy vizuális elemek. Aztán 2015-ben ezt megmutatták a varjaknak is vannak számneuronjai. Nieder szerint a „csodálatos varjúviselkedés” bemutatója során a madarak helyesen tudták megcsípni a számukra megjelenített pontok vagy arab számok számát.

Azonban senki sem azonosított számú neuronokat az emberekben. Ennek az az oka, hogy az emberi agy tanulmányozása köztudottan nehéz: a tudósok általában nem férhetnek hozzá etikailag a kísérletek során, amíg az emberek élnek. Az agyi képalkotó eszközök nem rendelkeznek az egyes neuronok megkülönböztetéséhez szükséges felbontással, és a tudományos kíváncsiság önmagában nem igazolhatja az invazív elektródák agyba történő beültetését.

Az élő agyba való betekintéshez Niedernek olyan betegeket kellett találnia, akiknek már volt elektródaimplantátumuk, és akik beleegyeztek, hogy részt vegyenek a kutatásában. 2015-ben felvette a kapcsolatot Florian Mormann - a Bonni Egyetem kognitív és klinikai neurofiziológiai csoportjának vezetője, aki azon kevés németországi klinikusok egyike, akik egysejtű felvételeket készítenek emberi betegeken -, hogy kiderüljön, ő és páciensei csatlakoznának-e Nieder emberszámú neuronok kutatásához. . Mormann igent mondott, és csapataik elkezdték vizsgálni az epilepsziás betegei agytevékenységét, akikhez korábban elektródákat ültettek be, hogy javítsák orvosi ellátásukat.

Kilenc beteg fejben végzett egyszerű számításokat, miközben a kutatók feljegyezték agyi tevékenységüket. Bizony, az adatokban Nieder és Mormann neuronokat látott tüzelni az általuk preferált számok miatt – ez az első alkalom, amikor az emberi agyban azonosítottak számneuronokat. Eredményeiket ben publikálták Neuron A 2018.

Az idegtudósok természetesen arra törekszenek, hogy megértsék saját elméjüket, mondta Nieder, így „az ilyen neuronok megtalálása az emberi agyban rendkívül kifizetődő”.

Numerikus küszöb

Kutatásuk folytatására Nieder és Mormann új tanulmányt indított annak kiderítésére, hogy a neuronok hogyan reprezentálják a páratlan és páros számokat. A kutatók 17 epilepsziás beteget toboroztak, és egytől kilencig terjedő pontok villanását mutatták meg nekik a számítógép képernyőjén. A résztvevők jelezték, hogy páratlan vagy páros számot láttak-e, miközben az elektródák rögzítették agyi aktivitásukat.

A következő néhány hónapban, amikor Esther Kutter, a Niedernél tanuló végzős hallgató elemezte a kapott adatokat, világos mintát látott felbukkanni – pontosan a 4-es szám körül.

Az adatok, amelyek 801 egyetlen neuron tüzelésének felvételét tartalmazták, két különálló idegi aláírást mutattak: egyet a kis számú, egyet pedig a nagy számára. A 4-es szám felett az idegsejtek által preferált számra való tüzelése fokozatosan kevésbé volt pontos, és tévesen a preferált számhoz közeli számokra tüzeltek. De 4 és az alatt a neuronok pontosan tüzeltek – ugyanolyan kis hibával, akár egy, két, három vagy négy objektumra tüzelnek. A többi számra adott gyújtáskimaradás nagyrészt hiányzott.

Ez meglepte Niedert. Korábban nem látta ezt a határt állatkísérleteiben: ezekben a kísérletekben csak 5-ig terjedő számok szerepeltek. Nem Jevons megfigyelésének vizsgálatára törekedett, és arra sem számított, hogy egy idegi határ megerősíti azt, amit a viselkedési tanulmányok találtak. . Egészen addig a pontig meg volt győződve arról, hogy az agynak egyetlen mechanizmusa van a számok megítélésére – egy kontinuum, amely egyre homályosabb, minél magasabbra emelkednek a számok.

Az új adatok ezt megváltoztatták számára. "Ez a határ különböző módon bukkant fel" - mondta Nieder. Az idegi minták arra utaltak, hogy van egy további mechanizmus, amely elnyomja a kisebb számú neuronokat, hogy rossz számra tüzeljenek.

Piantadosi és Serge Dumoulin, az amszterdami Spinoza Neuroimaging Központ igazgatója, mindkét korábban publikált tanulmánya alátámasztja azt az elképzelést, hogy csak egy mechanizmus kezeli a számok neuronális értelmezését. Mégis meglepte őket Nieder és Mormann új adatai, amelyek azt mutatják, hogy valójában két különálló mechanizmus létezik.

Ez „valódi igazolás, hogy nagy és kis számok eltérő idegi aláírásokkal rendelkeznek” – mondta Piantadosi. Arra azonban figyelmeztetett, hogy egyetlen folyamatból két aláírás születhet; még vita tárgyát képezi, hogy egy vagy két mechanizmusként kell-e leírni.

– Ez egyszerűen gyönyörű – mondta Dumoulin. "Ez a fajta adat nem állt rendelkezésre, és természetesen nem az embereknél."

Azonban még egy nagy bizonytalanság maradt. A kutatók nem tanulmányozták a prefrontális vagy parietális kéregeket, ahol a neuronok többsége majmokban található. Ehelyett a páciens elektródáinak behelyezése miatt a vizsgálat a mediális temporális lebenyre összpontosított, amely részt vesz a memóriában. Nem ez az első hely az emberi agyban, amit a számok megértése érdekében érdemes megvizsgálni – mondta Nieder. "Másrészt a középső halántéklebeny nem a legrosszabb hely az ilyen neuronok keresésére."

Ennek az az oka, hogy a mediális halántéklebeny a számérzékhez kapcsolódik. Aktív, amikor a gyerekek számításokat és szorzótáblákat tanulnak, és szorosan kapcsolódik azokhoz a régiókhoz, ahol úgy gondolják, hogy a számneuronok fekszenek, mondta Nieder.

Nem világos, hogy miért vannak jelen számos neuron ebben a régióban, mondta Butterworth. "Azok a dolgok, amelyekről azt hittük, hogy a parietális lebenyre jellemzőek, úgy tűnik, a mediális halántéklebeny egyes részein is tükröződnek."

Az egyik lehetőség az, hogy ezek egyáltalán nem számneuronok. Pedro Pinheiro-Chagas, a San Francisco-i Kaliforniai Egyetem neurológiai adjunktusa úgy véli, hogy ezek inkább fogalmi neuronok lehetnek, amelyek a mediális halántéklebenyben helyezkednek el, és mindegyik bizonyos fogalmakhoz kapcsolódik. Például egy híres tanulmány talált egy koncepciós neuront, amely közvetlenül és specifikusan reagált a színész Jennifer Aniston képeire. „Talán nem találják a számérzék mechanizmusait. … Talán olyan fogalmi cellákat találnak, amelyeket a számokra is alkalmaznak” – mondta Pinheiro-Chagas. „Ahogyan a „Jennifer Aniston” fogalma van, úgy a „három” fogalma is lehet.

Az elemzés szintje „csak igazán kiemelkedő” – mondta Marinella Cappelletti, kognitív idegtudós, a Goldsmiths, University of London. A kutatók „meggyőző bizonyítékot” szolgáltatnak a mediális halántéklebeny kettős mechanizmusára. Úgy véli azonban, hogy érdemes lenne megvizsgálni, hogy ezek a mechanizmusok működnek-e más agyi régiókban is, ha lehetőség nyílik rá.

„Úgy látom ezeket a leleteket, mintha az ablakba néznének” – mondta Cappelletti. "Jó lenne egy kicsit kinyitni, és többet mondani az agy többi részéről."

Van valami a 4-ben

Az új eredmények egyértelmű párhuzamot mutatnak a munkamemória korlátaival. Az emberek egyszerre csak bizonyos számú tárgyat tarthatnak tudatukban vagy munkamemóriájukban. A kísérletek azt mutatják, hogy a szám is 4.

A számérzék és a munkamemória határa közötti egyetértést „nehéz figyelmen kívül hagyni” – mondta Cappelletti.

Lehetséges, hogy a mechanizmusok összefüggenek. A korábbi számérzékelési vizsgálatok során, amikor egy résztvevő abbahagyta a figyelemfelkeltést, elvesztette a képességét, hogy pontosan meg tudja ítélni a 4-es és az alatti számok valódi értékét. Ez arra utal, hogy a kis számrendszer, amely kis számokkal elnyomja a szomszédos gyújtáskimaradásokat, szorosan kötődik a figyelemhez.

Nieder most azt feltételezi, hogy a kisszámú rendszer csak akkor kapcsol be, ha arra figyelsz, ami előtted van. Azt reméli, hogy ezt az ötletet majmokon is kipróbálhatja, amellett, hogy 4 éves korban olyan idegi határt keres, amelyet kísérleteik még nem sikerült megragadniuk.

Pinheiro-Chagas szerint az új kutatás „egy új ugrás kezdetének tűnik” a számészlelés megértésében, aminek hasznos alkalmazásai lehetnek. Reméli, hogy ez takarmány lesz a matematikaoktatás, sőt a mesterséges intelligencia témakörében folytatott vitákhoz, amelyek a számszerűség érzékelésével küszködnek. A nagy nyelvi modellek „elég rosszul tudnak számolni. Elég rosszul értik a mennyiséget” – mondta.

A számneuronok jobb jellemzése abban is segíthet, hogy megértsük, kik is vagyunk. A nyelvi rendszer mellett a számábrázolás az emberek második legnagyobb szimbólumrendszere. Az emberek gyakran és sokféleképpen használják a számokat, mi és őseink évezredek óta használjuk a matematikát a világ leírására. Ebben az értelemben a matematika az emberi lét alapvető része.

És amint ez a tanulmány kezd kimutatni, ez a számítási képesség mind az agy neuronjainak finoman hangolt hálózatából fakadhat.

Quanta felméréssorozatot végez közönségünk jobb kiszolgálása érdekében. Vidd a miénket biológia olvasói felmérés és ingyenesen nyerhetsz Quanta áru.