מדוע המוח האנושי תופס מספרים קטנים טוב יותר | מגזין קוונטה

לפני יותר מ-150 שנה, הכלכלן והפילוסוף וויליאם סטנלי ג'בונס גילה משהו מוזר לגבי המספר 4. בעודו מתלבט כיצד המוח תופס מספרים, הוא השליך חופן שעועית שחורה לקופסת קרטון. ואז, לאחר מבט חולף, הוא ניחש כמה יש, לפני שספר אותם כדי לרשום את הערך האמיתי. לאחר יותר מ-1,000 ניסויים, הוא ראה דפוס ברור. כשהיו ארבע שעועית או פחות בקופסה, הוא תמיד ניחש את המספר הנכון. אבל עבור חמש שעועית או יותר, ההערכות המהירות שלו היו לעתים קרובות שגויות.

התיאור של ג'בונס את הניסוי העצמי שלו, פורסם ב טבע ב1871, קבע את "הבסיס לאופן שבו אנו חושבים על מספרים", אמר סטיבן פיאנטדוזי, פרופסור לפסיכולוגיה ומדעי המוח באוניברסיטת קליפורניה, ברקלי. זה עורר ויכוח ממושך ומתמשך לגבי מדוע נראה שיש הגבלה על מספר הפריטים שאנו יכולים לשפוט במדויק שהם נוכחים בסט.

עכשיו, מחקר חדש in טבע האדם התנהגות התקרבה לתשובה על ידי מבט חסר תקדים כיצד תאי מוח אנושיים יורים כאשר מוצגים להם כמויות מסוימות. ממצאיו מצביעים על כך שהמוח משתמש בשילוב של שני מנגנונים כדי לשפוט כמה עצמים הוא רואה. אחד מעריך כמויות. השני מחדד את הדיוק של ההערכות הללו - אבל רק עבור מספרים קטנים.

זה "מרגש מאוד" שהממצאים מחברים רעיונות שנויים במחלוקת עם הבסיס העצבי שלהם, אמר פיאנטאדוזי, שלא היה מעורב במחקר. "אין הרבה דברים בקוגניציה שבהם אנשים הצליחו לאתר יסודות ביולוגיים סבירים מאוד."

למרות שהמחקר החדש לא מסיים את הוויכוח, הממצאים מתחילים להתיר את הבסיס הביולוגי לאופן שבו המוח שופט כמויות, מה שיכול להעלות שאלות גדולות יותר על זיכרון, קשב ואפילו מתמטיקה.

המספר האהוב של נוירון

ליכולת לשפוט באופן מיידי את מספר הפריטים בסט אין שום קשר לספירה. לתינוקות אנושיים יש חוש מספר זה עוד לפני שהם לומדים שפה. וזה לא מוגבל לבני אדם: גם לקופים, דבורים, דגים, עורבים וחיות אחרות יש את זה.

קוף צריך להיות מסוגל לשפוט במהירות את מספר התפוחים בעץ, וגם מול כמה קופים אחרים הוא מתחרה על התפוחים האלה. אריה, כאשר הוא מתמודד עם אריות אחרים, צריך להחליט אם להילחם או לברוח. דבורי דבש צריכות לדעת באיזה אזור יש הכי הרבה פרחים לחיפוש מזון. לגופי יש סיכויים טובים יותר להימלט מטורף אם הוא יצטרף להקה. "ככל שהלהקה גדולה יותר, כך הדג הקטן הזה בטוח יותר," אמר בריאן באטרוורת', מדען מוח קוגניטיבי מאוניברסיטת קולג' בלונדון שלא היה מעורב בעבודה החדשה.

זֶה חוש מספרים מולד לכן הוא קריטי להישרדות, מגדיל את הסיכויים של בעל חיים למצוא מזון, הימנעות מטורפים ובסופו של דבר להתרבות. "זה פשוט משתלם להישרדות של בעל חיים להיות מסוגל להבדיל בין כמויות מספריות", אמר אנדראס נידר, הקתדרה לפיזיולוגיה של בעלי חיים באוניברסיטת טובינגן בגרמניה, שהובילה את המחקר החדש. העובדה שהיכולת הזו מצויה בבעלי חיים מגוונים, מחרקים ועד בני אדם, מעידה על כך שהיא נוצרה לפני זמן רב, והבסיס העצבי שלה עניין מדעני קוגניציה במשך עשרות שנים.

ב-2002, כשנידר עבד עם מדען המוח ארל מילר במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס כעמית פוסט-דוקטורט, הם פרסמו את אחת הראיות הראשונות לכך שמספרים הם קשור לנוירונים ספציפיים. בניסוי התנהגותי באמצעות קופים, הם מצאו כי לנוירונים אלו, הממוקמים בקליפת המוח הקדם-מצחית שבה מתרחש עיבוד ברמה גבוהה יותר, יש מספרים מועדפים - מספרים מועדפים שכאשר הם נתפסים, גורמים לתאים להידלק בסריקות מוח.

לדוגמה, חלק מהנוירונים מכוונים למספר 3. כאשר מוצגים להם שלושה עצמים, הם יורים יותר. נוירונים אחרים מכוונים למספר 5 ויורים כאשר מוצגים להם חמישה עצמים, וכן הלאה. הנוירונים האלה אינם מחויבים באופן בלעדי למועדפים שלהם: הם גם יורים למספרים הסמוכים לו. (אז הנוירון המכוון ל-5 יורה גם עבור ארבעה ושישה עצמים.) אבל הם לא עושים זאת לעתים קרובות, וככל שהמספר המוצג מתרחק מהמספר המועדף, קצב הירי של הנוירונים יורד.

נידר התרגש מהשאלות העמוקות יותר שהציגה העבודה לגבי פיתוח היכולת המתמטית. מספרים מובילים לספירה, ולאחר מכן לייצוגי מספרים סמליים, כגון ספרות ערביות המייצגות כמויות. המספרים הסמליים הללו עומדים בבסיס החשבון והמתמטיקה. "כדי שנוכל לדעת כיצד מספרים מיוצגים [במוח] הוא הנחת היסוד לכל מה שיבוא מאוחר יותר", אמר נידר.

הוא המשיך ולמד ככל יכולתו על נוירונים מספר. בשנת 2012, הצוות שלו גילה שהנוירונים מגיבים למספרים המועדפים עליהם כשהם נמצאים הערכת סט של צלילים או פריטים חזותיים. ואז, ב-2015, הם הראו את זה לעורבים יש גם נוירונים מספר. במופע של "התנהגות עורבים מדהימה", אמר נידר, הציפורים יכלו לנקר נכון את מספר הנקודות או הספרות הערביות שהוצגו בפניהן.

עם זאת, איש לא זיהה מספר נוירונים בבני אדם. הסיבה לכך היא שחקר המוח האנושי הוא קשה לשמצה: מדענים בדרך כלל לא יכולים לגשת לפעילותו בצורה אתית בניסויים בזמן שאנשים חיים. לכלי הדמיית מוח אין את הרזולוציה הדרושה כדי להבחין בין נוירונים בודדים, וסקרנות מדעית לבדה לא יכולה להצדיק השתלת אלקטרודות פולשניות במוח.

כדי להציץ לתוך מוח חי, נידר היה צריך למצוא חולים שכבר היו להם שתלי אלקטרודות ואשר יסכימו להיות חלק מהמחקר שלו. ב-2015 הוא יצר קשר פלוריאן מורמן - ראש קבוצת הנוירופיזיולוגיה הקוגניטיבית והקלינית באוניברסיטת בון, שהוא אחד הקלינאים הבודדים בגרמניה שעושה הקלטות חד-תא בחולים אנושיים - כדי לראות אם הוא והמטופלים שלו יצטרפו לחיפוש של נידר אחר נוירונים של מספר אנושי . מורמן אמר שכן, והצוותים שלהם התחילו לעבוד על בדיקת הפעילות המוחית של חולי האפילפסיה שלו, שהושתלו להם בעבר אלקטרודות כדי לשפר את הטיפול הרפואי שלהם.

תשעה חולים עשו חישובים פשוטים בראשם בזמן שהחוקרים תיעדו את פעילות המוח שלהם. בוודאי, בנתונים, נידר ומורמן ראה נוירונים יורים למספרים המועדפים עליהם - הפעם הראשונה בה זוהו נוירוני מספר במוח האנושי. הם פרסמו את הממצאים שלהם ב עיצבון ב 2018.

מדעני מוח מונעים כמובן להבין את המוח שלהם, אמר נידר, ולכן "מציאת נוירונים כאלה במוח האנושי היא מתגמלת ביותר".

סף מספרי

כדי להמשיך במסע שלהם, נידר ומורמן השיקו מחקר חדש כדי לגלות כיצד הנוירונים מייצגים מספרים אי-זוגיים וזוגיים. החוקרים גייסו 17 חולי אפילפסיה והראו להם הבזקי נקודות, שמספרם נע בין אחת לתשע, על מסכי מחשב. המשתתפים ציינו אם הם רואים מספר אי זוגי או זוגי בזמן שהאלקטרודות תיעדו את פעילות המוח שלהם.

במהלך החודשים הבאים, כשאסתר קוטר, סטודנטית לתואר שני שלומדת אצל נידר, ניתחה את הנתונים שהתקבלו, היא ראתה דפוס ברור מתגלה - ממש סביב המספר 4.

הנתונים, שכללו 801 הקלטות של נוירונים בודדים שיורים, הראו שתי חתימות עצביות ברורות: אחת למספרים קטנים ואחת לגדולות. מעל המספר 4, הירי של הנוירונים עבור המספר המועדף שלהם גדל בהדרגה פחות מדויק, והם ירו בטעות עבור מספרים קרובים למספר המועדף. אבל עבור 4 ומטה, הנוירונים ירו בדיוק - עם אותה כמות קטנה של שגיאה בין אם ירו עבור אחד, שניים, שלושה או ארבעה אובייקטים. ההטעיה בתגובה למספרים אחרים נעדרה ברובה.

זה הפתיע את נידר. הוא לא ראה קודם לכן את הגבול הזה במחקריו בבעלי חיים: הניסויים האלה כללו מספרים של עד 5 בלבד. הוא לא יצא לחקור את התצפית של ג'בונס, וגם לא ציפה לראות גבול עצבי מאשר את מה שמצאו מחקרי התנהגות . עד לאותה נקודה הוא היה משוכנע שלמוח יש רק מנגנון אחד לשיפוט מספרים - רצף שהלך והלך והפך למטושטש ככל שהמספרים טיפסו גבוהים יותר.

הנתונים החדשים שינו את זה עבורו. "הגבול הזה צץ בדרכים שונות", אמר נידר. הדפוסים העצביים העלו כי קיים מנגנון נוסף שמדכא נוירונים בעלי מספר קטן יותר מלירות למספרים הלא נכונים.

פיאנטאדוזי ו סרג' דומולין, מנהל מרכז שפינוזה לדימות עצבית באמסטרדם, פרסמו שניהם בעבר מאמרים התומכים ברעיון שרק מנגנון אחד מנהל את הפרשנות הנוירונית של מספרים. עם זאת, הם נדהמו מהנתונים החדשים של נידר ומורמן המראים כי למעשה קיימים שני מנגנונים נפרדים.

זהו "אימות אמיתי שלמספרים גדולים וקטנים יש חתימות עצביות שונות", אמר פיאנטאדוזי. אבל הוא הזהיר ששתי חתימות יכולות להיווצר מתהליך אחד; האם יש לתאר אותו כמנגנון אחד או שניים עדיין נתון לוויכוח.

"זה פשוט יפה," אמר דומולין. "סוג זה של נתונים לא היה זמין ובוודאי לא בבני אדם."

עם זאת, נותרה אי ודאות גדולה נוספת. החוקרים לא חקרו את קליפת המוח הקדם-מצחית או הפריאטלית, שבה רוב הנוירונים במספר נמצאים בקופים. במקום זאת, בגלל המקום בו הוכנסו האלקטרודות של המטופלים, המחקר התמקד באונה הטמפורלית המדיאלית, המעורבת בזיכרון. זה לא המקום הראשון במוח האנושי שתחקור כדי להבין מספרים, אמר נידר. "מצד שני, האונה הטמפורלית המדיאלית היא גם לא המקום הגרוע ביותר לחפש נוירונים כאלה."

הסיבה לכך היא שהאונה הטמפורלית המדיאלית מקושרת לחוש המספרים. זה פעיל כשילדים לומדים חישובים וטבלאות כפל, וזה קשור באופן אינטימי לאזורים שבהם חושבים שנוירוני מספר שוכבים, אמר נידר.

לא ברור מדוע מספר נוירונים נמצאים באזור זה, אמר באטרוורת. "נדמה שהדברים שחשבנו שהם ספציפיים לאונה הקודקודית משתקפים גם בחלקים של האונה הטמפורלית המדיאלית."

אפשרות אחת היא שאלו אינם נוירונים מספר בכלל. פדרו פיניירו-צ'אגס, עוזר פרופסור לנוירולוגיה באוניברסיטת קליפורניה, סן פרנסיסקו, חושב שאלו יכולים במקום זאת להיות נוירונים מושגיים, הממוקמים באונה הטמפורלית המדיאלית וכל אחד מקושר למושגים ספציפיים. לדוגמה, מחקר מפורסם אחד מצא נוירון מושג שהגיב ישירות וספציפית לתמונות של השחקנית ג'ניפר אניסטון. "אולי הם לא מוצאים את המנגנונים של חוש המספרים. ... אולי הם מוצאים תאי מושג המוחלים גם על מספרים," אמר Pinheiro-Chagas. "כמו שיש לך את המושג 'ג'ניפר אניסטון', אתה יכול לקבל את המושג 'שלוש'."

רמת הניתוח היא "פשוט יוצאת מן הכלל", אמר מרינלה קפלטי, מדען מוח קוגניטיבי בגולדסמית'ס, אוניברסיטת לונדון. החוקרים מספקים "ראיות משכנעות" למנגנונים כפולים באונה הטמפורלית המדיאלית. עם זאת, היא חושבת שיהיה זה חשוב לראות אם המנגנונים הללו פועלים גם באזורי מוח אחרים, אם קיימת ההזדמנות.

"אני רואה את הממצאים האלה כהסתכלות לתוך חלון", אמר קפלטי. "יהיה נחמד לפתוח את זה קצת יותר ולספר לנו יותר על שאר המוח."

יש משהו על 4

לממצאים החדשים יש הקבלות ברורות למגבלות זיכרון העבודה. אנשים יכולים להחזיק רק מספר מסוים של אובייקטים במודעות שלהם, או בזיכרון העבודה שלהם, בו-זמנית. ניסויים מראים שהמספר הוא גם 4.

"קשה להתעלם מההסכם בין הגבול של חוש המספרים לזה של זיכרון עבודה", אמר קפלטי.

יתכן שהמנגנונים קשורים זה לזה. במחקרים קודמים על חוש המספרים, כאשר משתתף הפסיק לשים לב, הם איבדו את יכולתו לשפוט במדויק את הערך האמיתי של מספרים 4 ומטה. זה מצביע על כך שמערכת המספרים הקטנים, המדכאת ירי שגויים סמוכות עם מספרים קטנים, עשויה להיות קשורה באופן אינטימי לתשומת לב.

נידר משער כעת שמערכת המספרים הקטנים מופעלת רק כאשר אתה שם לב למה שלפניך. הוא מקווה לבדוק את הרעיון הזה בקופים, בנוסף לחפש גבול עצבי ב-4 שהניסויים שלהם עדיין לא תפסו.

המחקר החדש "נראה כהתחלה של קפיצה חדשה" בהבנתנו את תפיסת המספרים, אמר Pinheiro-Chagas, שיכולים להיות להם יישומים שימושיים. הוא מקווה שזה יהיה מסד לדיונים בחינוך למתמטיקה ואפילו בבינה מלאכותית, שנאבקת בתפיסת מספרים. דגמי שפה גדולים הם "די גרועים בספירה. הם די גרועים בהבנת כמויות", אמר.

אפיון טוב יותר של נוירוני מספר יכול גם לעזור לנו להבין מי אנחנו. לצד מערכת השפה, ייצוג המספרים הוא מערכת הסמלים השנייה בגודלה של בני האדם. אנשים משתמשים במספרים לעתים קרובות ובמגוון דרכים, ואנחנו ואבותינו השתמשנו במתמטיקה כדי לתאר את העולם במשך אלפי שנים. במובן זה, מתמטיקה היא חלק בסיסי בלהיות אנושי.

וכפי שהמחקר הזה מתחיל להראות, יכולת החישוב הזו עשויה לנבוע מרשת מכווננת היטב של נוירונים במוח.

Quanta עורכת סדרה של סקרים כדי לשרת טוב יותר את הקהל שלנו. קח את שלנו סקר קוראי ביולוגיה ותוכלו לזכות בחינם Quanta סחורה.