Mengapa Otak Manusia Melihat Angka Kecil Lebih Baik | Majalah Kuanta

Lebih dari 150 tahun yang lalu, ekonom dan filsuf William Stanley Jevons menemukan sesuatu yang aneh tentang angka 4. Sambil merenungkan bagaimana pikiran memahami angka, dia melemparkan segenggam kacang hitam ke dalam kotak karton. Kemudian, setelah melihat sekilas, dia menebak berapa jumlahnya, sebelum menghitungnya untuk mencatat nilai sebenarnya. Setelah lebih dari 1,000 percobaan, dia melihat pola yang jelas. Jika terdapat empat biji atau kurang di dalam kotak, dia selalu menebak angka yang tepat. Namun untuk lima kacang atau lebih, perkiraan cepatnya sering kali salah.

Deskripsi Jevons tentang eksperimen dirinya, diterbitkan dalam Alam di 1871, menetapkan “dasar bagaimana kita berpikir tentang angka,” katanya Steven Piantadosi, seorang profesor psikologi dan ilmu saraf di Universitas California, Berkeley. Hal ini memicu perdebatan yang berkepanjangan dan berkelanjutan tentang mengapa tampaknya ada batasan jumlah item yang dapat kita nilai secara akurat untuk ada dalam satu set.

Sekarang, sebuah studi baru in Alam Perilaku Manusia telah mendekati jawabannya dengan melihat secara belum pernah terjadi sebelumnya bagaimana sel-sel otak manusia bekerja ketika dihadapkan pada jumlah tertentu. Temuannya menunjukkan bahwa otak menggunakan kombinasi dua mekanisme untuk menilai berapa banyak objek yang dilihatnya. Seseorang memperkirakan jumlahnya. Yang kedua mempertajam keakuratan perkiraan tersebut – tetapi hanya untuk jumlah kecil.

“Sangat menarik” bahwa temuan ini menghubungkan ide-ide yang telah lama diperdebatkan dengan dasar saraf mereka, kata Piantadosi, yang tidak terlibat dalam penelitian ini. “Tidak banyak hal dalam kognisi di mana orang mampu menunjukkan dengan tepat landasan biologis yang sangat masuk akal.”

Meskipun studi baru ini tidak mengakhiri perdebatan, temuan ini mulai mengungkap dasar biologis tentang bagaimana otak menilai kuantitas, yang dapat memberikan pertanyaan yang lebih besar tentang memori, perhatian, dan bahkan matematika.

Nomor Favorit Neuron

Kemampuan untuk menilai secara instan jumlah item dalam satu set tidak ada hubungannya dengan penghitungan. Bayi manusia sudah mempunyai indera angka ini bahkan sebelum mereka belajar bahasa. Dan penyakit ini tidak terbatas pada manusia saja: Monyet, lebah, ikan, burung gagak, dan hewan lainnya juga memilikinya.

Seekor monyet harus bisa dengan cepat menilai jumlah apel di pohon, dan juga berapa banyak monyet lain yang bersaing untuk mendapatkan apel tersebut. Seekor singa, ketika berhadapan dengan singa lainnya, harus memutuskan apakah akan melawan atau melarikan diri. Lebah madu perlu mengetahui daerah mana yang memiliki bunga paling banyak untuk mencari makan. Seekor guppy memiliki peluang lebih besar untuk melarikan diri dari pemangsa jika ia bergabung dengan kawanannya. “Semakin besar kawanannya, semakin aman ikan-ikan kecil itu,” katanya Brian Butterworth, seorang ahli saraf kognitif di University College London yang tidak terlibat dalam penelitian baru ini.

Kredensial mikro indera bilangan bawaan Oleh karena itu, sangat penting untuk kelangsungan hidup, meningkatkan peluang hewan untuk menemukan makanan, menghindari predator, dan pada akhirnya bereproduksi. “Ini hanya bermanfaat bagi kelangsungan hidup seekor hewan untuk dapat membedakan jumlah numerik,” katanya Andreas Nieder, ketua fisiologi hewan di Universitas Tübingen di Jerman, yang ikut memimpin studi baru ini. Fakta bahwa kemampuan ini ditemukan pada beragam hewan, mulai dari serangga hingga manusia, menunjukkan bahwa kemampuan ini muncul sejak lama, dan dasar sarafnya telah menarik perhatian para ilmuwan kognitif selama beberapa dekade.

Pada tahun 2002, ketika Nieder bekerja dengan ahli saraf Earl Miller di Massachusetts Institute of Technology sebagai mahasiswa pascadoktoral, mereka menerbitkan salah satu bukti pertama bahwa angka memang benar adanya terhubung dengan neuron tertentu. Dalam eksperimen perilaku yang menggunakan monyet, mereka menemukan bahwa neuron-neuron ini, yang terletak di korteks prefrontal tempat berlangsungnya pemrosesan tingkat tinggi, memiliki nomor-nomor favorit yang, ketika dirasakan, membuat sel-sel menyala dalam pemindaian otak.

Misalnya, beberapa neuron disetel ke angka 3. Saat mereka dihadapkan pada tiga objek, mereka akan menembak lebih banyak. Neuron lain disetel ke angka 5 dan aktif ketika dihadapkan dengan lima objek, dan seterusnya. Neuron-neuron ini tidak secara eksklusif berkomitmen pada favorit mereka: Mereka juga mengaktifkan nomor-nomor yang berdekatan dengannya. (Jadi neuron yang disetel ke 5 juga menyala untuk objek empat dan enam.) Namun mereka tidak melakukannya sesering itu, dan ketika angka yang disajikan semakin menjauh dari angka yang diinginkan, laju pengaktifan neuron menurun.

Nieder sangat antusias dengan pertanyaan-pertanyaan mendalam yang disajikan dalam karya tentang pengembangan kemampuan matematika. Angka mengarah pada penghitungan, dan kemudian ke representasi angka simbolis, seperti angka Arab yang mewakili besaran. Angka-angka simbolis tersebut mendasari aritmatika dan matematika. “Bagi kita, mengetahui bagaimana angka-angka direpresentasikan [di otak] merupakan landasan bagi segala sesuatu yang akan datang nanti,” kata Nieder.

Dia melanjutkan untuk belajar sebanyak yang dia bisa tentang jumlah neuron. Pada tahun 2012, timnya menemukan bahwa neuron merespons nomor pilihan mereka saat itu juga memperkirakan suatu himpunan suara atau benda visual. Kemudian, pada tahun 2015, mereka menunjukkan hal itu gagak juga memiliki jumlah neuron. Dalam pertunjukan “perilaku gagak yang luar biasa,” kata Nieder, burung-burung tersebut dapat dengan tepat mematuk jumlah titik atau angka Arab yang ditampilkan kepada mereka.

Namun, belum ada yang mengidentifikasi jumlah neuron pada manusia. Itu karena mempelajari otak manusia sangatlah sulit: Para ilmuwan biasanya tidak dapat mengakses aktivitasnya secara etis dalam eksperimen ketika manusia masih hidup. Alat pencitraan otak tidak memiliki resolusi yang diperlukan untuk membedakan neuron individu, dan keingintahuan ilmiah saja tidak dapat membenarkan penanaman elektroda invasif di otak.

Untuk mengintip ke dalam otak yang hidup, Nieder perlu menemukan pasien yang sudah memiliki implan elektroda dan bersedia menjadi bagian dari penelitiannya. Pada tahun 2015, dia menghubungi Florian Mormann — kepala kelompok neurofisiologi kognitif dan klinis di Universitas Bonn, yang merupakan salah satu dari sedikit dokter di Jerman yang melakukan perekaman sel tunggal pada pasien manusia — untuk melihat apakah dia dan pasiennya akan bergabung dalam pencarian Nieder untuk neuron nomor manusia . Mormann menjawab ya, dan tim mereka mulai memeriksa aktivitas otak pasien epilepsinya, yang sebelumnya telah memasang elektroda untuk meningkatkan perawatan medis mereka.

Sembilan pasien melakukan perhitungan sederhana di kepala mereka sementara peneliti mencatat aktivitas otak mereka. Benar saja, dalam datanya, Nieder dan Mormann melihat neuron menyala untuk nomor pilihan mereka - nomor neuron pertama kali diidentifikasi di otak manusia. Mereka mempublikasikan temuan mereka di Neuron di 2018.

Tentu saja, para ilmuwan saraf terdorong untuk memahami pikiran mereka sendiri, kata Nieder, sehingga “menemukan neuron seperti itu di otak manusia sangatlah bermanfaat.”

Ambang Batas Numerik

Untuk melanjutkan pencarian mereka, Nieder dan Mormann meluncurkan penelitian baru untuk mengetahui bagaimana neuron mewakili bilangan ganjil dan genap. Para peneliti merekrut 17 pasien epilepsi dan menunjukkan kepada mereka kilatan titik-titik, mulai dari jumlah satu hingga sembilan, di layar komputer. Para peserta menunjukkan apakah mereka melihat angka ganjil atau genap, sementara elektroda mencatat aktivitas otak mereka.

Selama beberapa bulan berikutnya, ketika Esther Kutter, seorang mahasiswa pascasarjana yang belajar dengan Nieder, menganalisis data yang dihasilkan, dia melihat sebuah pola yang jelas muncul — tepat di sekitar angka 4.

Data tersebut, yang terdiri dari 801 rekaman penembakan neuron tunggal, menunjukkan dua tanda saraf yang berbeda: satu untuk jumlah kecil dan satu lagi untuk jumlah besar. Di atas angka 4, neuron-neuron yang menembaki nomor yang mereka sukai menjadi semakin kurang tepat, dan mereka secara keliru menembak untuk nomor-nomor yang mendekati nomor yang mereka sukai. Namun untuk level 4 dan di bawahnya, neuron ditembakkan dengan tepat — dengan jumlah kesalahan yang sama, baik saat diaktifkan untuk satu, dua, tiga, atau empat objek. Kegagalan dalam menanggapi angka-angka lain sebagian besar tidak ada.

Ini mengejutkan Nieder. Dia belum pernah melihat batas ini sebelumnya dalam penelitiannya pada hewan: Percobaan tersebut hanya mencakup angka hingga 5. Dia tidak bermaksud untuk menyelidiki pengamatan Jevons, dan dia juga tidak berharap untuk melihat batas saraf yang mengkonfirmasi apa yang telah ditemukan oleh studi perilaku. . Sampai saat itu, dia yakin bahwa otak hanya mempunyai satu mekanisme untuk menilai angka-angka - sebuah kontinum yang semakin kabur semakin tinggi angka-angka tersebut.

Data baru mengubah hal itu baginya. “Batas ini muncul dengan cara yang berbeda-beda,” kata Nieder. Pola saraf menunjukkan bahwa ada mekanisme tambahan yang menekan neuron dengan jumlah lebih kecil agar tidak mengaktifkan nomor yang salah.

Piantadosi dan Serge Dumoulin, direktur Pusat Neuroimaging Spinoza di Amsterdam, sebelumnya telah menerbitkan makalah yang mendukung gagasan bahwa hanya satu mekanisme yang mengatur interpretasi saraf terhadap angka. Namun mereka terkejut dengan data baru Nieder dan Mormann yang menunjukkan bahwa sebenarnya ada dua mekanisme terpisah.

Ini adalah “validasi nyata bahwa angka besar dan kecil memiliki tanda saraf yang berbeda,” kata Piantadosi. Namun dia mengingatkan bahwa dua tanda tangan bisa muncul dari satu proses; apakah hal ini harus digambarkan sebagai satu atau dua mekanisme masih menjadi perdebatan.

“Ini sungguh indah,” kata Dumoulin. “Jenis data ini tidak tersedia dan tentunya tidak pada manusia.”

Namun, masih ada satu lagi ketidakpastian besar. Para peneliti tidak mempelajari korteks prefrontal atau parietal, tempat sebagian besar jumlah neuron berada pada monyet. Sebaliknya, karena di mana elektroda pasien dimasukkan, penelitian ini berfokus pada lobus temporal medial, yang terlibat dalam memori. Ini bukanlah tempat pertama di otak manusia yang Anda selidiki untuk memahami angka, kata Nieder. “Di sisi lain, lobus temporal medial juga bukan tempat terburuk untuk mencari neuron semacam itu.”

Itu karena lobus temporal medial terkait dengan indra bilangan. Ini aktif ketika anak-anak belajar perhitungan dan tabel perkalian, dan itu terkait erat dengan wilayah di mana neuron angka dianggap berada, kata Nieder.

Tidak jelas mengapa jumlah neuron hadir di wilayah ini, kata Butterworth. “Hal-hal yang kami anggap spesifik pada lobus parietal tampaknya juga tercermin di bagian lobus temporal medial.”

Salah satu kemungkinannya adalah ini sama sekali bukan neuron angka. Pedro Pinheiro-Chagas, asisten profesor neurologi di Universitas California, San Francisco, berpendapat bahwa ini mungkin merupakan neuron konsep, yang terletak di lobus temporal medial dan masing-masing terkait dengan konsep tertentu. Misalnya, sebuah penelitian terkenal menemukan neuron konsep yang merespons secara langsung dan spesifik terhadap gambar aktor Jennifer Aniston. “Mungkin mereka tidak menemukan mekanisme number sense. … Mungkin mereka menemukan sel konsep yang juga diterapkan pada angka,” kata Pinheiro-Chagas. “Saat Anda memiliki konsep 'Jennifer Aniston', Anda dapat memiliki konsep 'tiga'.”

Tingkat analisisnya “sangat luar biasa,” katanya Marinella Cappelletti, seorang ahli saraf kognitif di Goldsmiths, Universitas London. Para peneliti memberikan “bukti kuat” untuk mekanisme ganda di lobus temporal medial. Namun menurutnya, akan sangat bermanfaat untuk melihat apakah mekanisme ini juga berlaku di wilayah otak lain, jika ada peluang.

“Saya melihat temuan ini seperti melihat ke dalam sebuah jendela,” kata Cappelletti. “Akan menyenangkan untuk membukanya lebih jauh dan memberi tahu kami lebih banyak tentang bagian otak lainnya.”

Ada Sesuatu Tentang 4

Temuan baru ini memiliki kesamaan yang jelas dengan keterbatasan memori kerja. Orang hanya dapat menyimpan sejumlah objek tertentu dalam kesadarannya, atau memori kerja, pada satu waktu. Eksperimen menunjukkan bahwa angkanya juga 4.

Kesepakatan antara batas kemampuan number sense dan batas memori kerja “sulit untuk diabaikan,” kata Cappelletti.

Mungkin saja mekanismenya saling terkait. Dalam penelitian tentang number sense sebelumnya, ketika seorang peserta berhenti memperhatikan, mereka kehilangan kemampuan untuk secara tepat menilai nilai sebenarnya dari angka 4 dan di bawahnya. Hal ini menunjukkan bahwa sistem angka kecil, yang menekan kesalahan sasaran yang berdekatan dengan angka kecil, mungkin terkait erat dengan perhatian.

Nieder sekarang berhipotesis bahwa sistem bilangan kecil hanya aktif ketika Anda memperhatikan apa yang ada di depan Anda. Dia berharap untuk menguji ide ini pada monyet, selain mencari batas saraf di 4 yang belum ditangkap oleh eksperimen mereka.

Penelitian baru ini “tampaknya menjadi awal dari lompatan baru” dalam pemahaman kita tentang persepsi angka, kata Pinheiro-Chagas, yang dapat memberikan penerapan yang berguna. Ia berharap hal ini akan menjadi bahan diskusi dalam pendidikan matematika dan bahkan kecerdasan buatan, yang berjuang dengan persepsi numerositas. Model bahasa besar “sangat buruk dalam berhitung. Mereka sangat buruk dalam memahami kuantitas,” katanya.

Mengkarakterisasi neuron angka dengan lebih baik juga dapat membantu kita memahami siapa diri kita. Selain sistem bahasa, representasi angka adalah sistem simbol terbesar kedua yang dimiliki manusia. Orang-orang sering menggunakan angka dan dalam berbagai cara, dan kita serta nenek moyang kita telah menggunakan matematika untuk menggambarkan dunia selama ribuan tahun. Dalam hal ini, matematika adalah bagian fundamental dari menjadi manusia.

Dan, seperti yang mulai ditunjukkan oleh penelitian ini, kecakapan berhitung ini mungkin berasal dari jaringan neuron yang disetel dengan baik di otak.

Quanta sedang melakukan serangkaian survei untuk melayani audiens kami dengan lebih baik. Ambil milik kami survei pembaca biologi dan anda akan diikut sertakan untuk menang secara gratis Quanta dagangan.