人間の脳はなぜ小さな数字をより良く認識するのか | クアンタマガジン

150 年以上前、経済学者で哲学者のウィリアム・スタンリー・ジェボンズは、「4」という数字について興味深いことを発見しました。彼は、心がどのように数字を思い浮かべるかについて思索しながら、一掴みの黒豆を段ボール箱に放り込みました。 そして、一瞬見た後、実際の値を記録するためにそれらを数える前に、その数を推測しました。 1,000 回以上の試行の後、彼は明確なパターンを発見しました。 箱の中の豆が XNUMX つ以下の場合、彼は常に正しい数を推測しました。 しかし、豆が XNUMX 個以上の場合、彼の簡単な見積もりはしばしば間違っていました。

ジェヴォンズの自己実験の説明、 に発表され 自然 in 1871、「数字についての考え方の基礎」を設定すると述べました。 スティーブン・ピアンタドシ、カリフォルニア大学バークレー校の心理学と神経科学の教授。 これは、セット内に存在すると正確に判断できるアイテムの数に制限があるように見える理由について、長期にわたる継続的な議論を引き起こしました。

今、 新しい研究 in 自然人間行動 博士らは、特定の量が与えられたときに人間の脳細胞がどのように活性化するかを前例のない調査によって明らかにすることで、その答えに少しずつ近づきました。 その研究結果は、脳がXNUMXつのメカニズムを組み合わせて、見た物の数を判断していることを示唆している。 数量を推定します。 XNUMX 番目の方法では、これらの推定値の精度が高まりますが、それは少数の場合に限られます。

この研究には関与していないピアンタドシ氏は、今回の研究結果が長年議論されてきたアイデアとその神経基盤とを結びつけてくれたことは「非常に興味深い」と述べた。 「人類が非常にもっともらしい生物学的基礎を正確に特定できたものは、認知の分野ではあまり多くありません。」

新しい研究は議論に終止符を打つわけではないが、今回の研究結果は、脳が数量をどのように判断するかについての生物学的基礎を解明し始めており、それは記憶、注意力、さらには数学についてのより大きな疑問を与える可能性がある。

ニューロンの好きな数字

セット内のアイテムの数を瞬時に判断する能力は、数を数えるということとは何の関係もありません。 人間の幼児は、言語を学ぶ前からこの数感覚を持っています。 そしてそれは人間に限定されず、サル、ミツバチ、魚、カラス、その他の動物もこの病気を持っています。

サルは、木にあるリンゴの数と、それらのリンゴをめぐって他のサルの数を素早く判断できなければなりません。 ライオンは他のライオンと対峙したとき、戦うか逃げるかを決断しなければなりません。 ミツバチは、どのエリアに採餌用の花が最も多く咲いているかを知る必要があります。 グッピーが群れに加わると、捕食者から逃げる可能性が高くなります。 「浅瀬が大きければ大きいほど、小さな魚はより安全になります」と彼は言いました。 ブライアン・バターワース、ロンドン大学ユニバーシティ・カレッジの認知神経科学者だが、この新しい研究には関与していない。

この 生来の数感覚 したがって、動物が食物を見つけ、捕食者を避け、最終的には繁殖する可能性を高め、生存にとって重要です。 「動物の生存にとって、数値を区別できることは単純に有益です」と彼は言いました。 アンドレアス・ニーダー、ドイツのテュービンゲン大学の動物生理学教授であり、新しい研究を共同主導しました。 この能力が昆虫から人間に至るまでの多様な動物に見られるという事実は、それがはるか昔に出現したことを示唆しており、その神経基盤は数十年にわたって認知科学者に興味を持ってきました。

2002年、ニーダーが神経科学者と研究していたとき アール・ミラー 彼らはマサチューセッツ工科大学で博士研究員として、数値が 特定のニューロンと結びついている。 サルを使った行動実験で、高度な処理が行われる前頭前皮質に位置するこれらのニューロンには、好みの番号、つまり知覚されると脳スキャンで細胞が光るお気に入りの番号があることが判明した。

たとえば、一部のニューロンは数字の 3 に調整されています。5 つのオブジェクトが提示されると、ニューロンはさらに発火します。 他のニューロンは数字の 5 に調整され、XNUMX つのオブジェクトが提示されると発火します。などです。 これらのニューロンは、お気に入りだけにコミットしているわけではありません。それらは、それに隣接する番号にも発火します。 (つまり、XNUMX に調整されたニューロンは、XNUMX つと XNUMX つのオブジェクトに対しても発火します。) しかし、それほど頻繁には行われず、提示された数値が推奨される数値から遠ざかるにつれて、ニューロンの発火率は低下します。

ニーダーは、この研究が数学的能力の発達に関して提示したより深い疑問に興奮しました。 数字は数えることにつながり、さらに数量を表すアラビア数字などの記号的な数字表現につながります。 これらの象徴的な数字は算術と数学を支えます。 「私たちにとって、数字が（脳内で）どのように表されるのかを知ることは、その後に起こるすべての基礎を築くことになります」とニーダー氏は語った。

彼は数値ニューロンについてできる限り多くのことを学び続けました。 2012 年、彼のチームは、ニューロンが好みの数値に反応することを発見しました。 セットの見積もり 音や視覚的なアイテムのこと。 そして 2015 年に彼らは次のことを示しました。 カラスにも数値ニューロンがある。 ニーダー氏によると、「カラスの驚くべき行動」のショーでは、鳥は表示された点やアラビア数字の数を正確につつくことができたという。

しかし、人間の数値ニューロンを特定した人は誰もいませんでした。 それは、人間の脳の研究が難しいことで知られるためです。科学者は通常、人間が生きている間に実験においてその活動に倫理的にアクセスすることはできません。 脳画像ツールには個々のニューロンを区別するのに必要な解像度がありませんし、科学的好奇心だけでは脳に侵襲的な電極を埋め込むことを正当化できません。

生きた脳をのぞくために、ニーダー氏はすでに電極を埋め込んでおり、彼の研究に参加することに同意してくれる患者を見つける必要がありました。 2015年に彼は連絡を取った フロリアン・モーマン — ボン大学の認知および臨床神経生理学グループの責任者であり、人間の患者の単細胞記録を行っているドイツで数少ない臨床医の一人である — 彼と彼の患者がニーダーのヒト番号ニューロンの探索に参加するかどうかを確認するため。 モーマン氏は「そうだ」と答え、彼らのチームは、以前に医療改善のために電極を埋め込まれていた彼のてんかん患者の脳活動の検査に取り掛かった。

XNUMX人の患者は頭の中で簡単な計算を行い、研究者は脳の活動を記録した。 案の定、データではニーダーとモルマンが ニューロンの発火を見た ニューロンの好ましい数は、人間の脳で初めて特定されたニューロンの数です。 彼らは調査結果を次のように発表しました。 ニューロン 2018インチ

神経科学者は当然ながら自分自身の心を理解したいと考えており、そのため「人間の脳内でそのようなニューロンを発見することは非常にやりがいのあることだ」とニーダー氏は述べた。

数値のしきい値

探求を続けるために、ニーダーとモーマンは、ニューロンが奇数と偶数をどのように表現するかを調べる新しい研究を開始しました。 研究者らは17人のてんかん患者を募集し、コンピューター画面上でXNUMXからXNUMXまでのドットの点滅を見せた。 参加者は、電極が脳の活動を記録している間、奇数が見えたか偶数が見えたかを示しました。

次の数か月間、ニーダーのもとで研究している大学院生のエスター・クッターが結果のデータを分析すると、数字の 4 のあたりに明確なパターンが現れることがわかりました。

このデータは、単一ニューロンの発火を記録した 801 件で構成されており、4 つの異なる神経シグネチャが示されました。4 つは小さい数で、もう XNUMX つは大きい数です。 数字が XNUMX を超えると、優先する数字に対するニューロンの発火の精度が徐々に低下し、優先する数字に近い数字に対して誤って発火するようになりました。 しかし、XNUMX 以下の場合、ニューロンは正確に発火しました。XNUMX つ、XNUMX つ、XNUMX つ、または XNUMX つのオブジェクトに対して発火した場合でも、同じ少量の誤差が発生しました。 他の番号に応答したときの誤作動はほとんどありませんでした。

これにはニーダーさんも驚きました。 彼は、これまで動物実験でこの境界を見たことがなかった。それらの実験には最大 5 までの数字しか含まれていなかった。彼はジェボンズの観察を調査するつもりはなかったし、行動研究で発見されたことが神経境界によって裏付けられることも予想していなかった。 。 その時点まで彼は、脳には数字を判断するメカニズムが XNUMX つだけある、つまり数字が大きくなるほど曖昧になる連続体だと確信していました。

新しいデータが彼の状況を変えた。 「この境界はさまざまな形で現れました」とニーダー氏は言う。 ニューラル パターンは、少数のニューロンが間違った数で発火するのを抑制する追加のメカニズムがあることを示唆しています。

ピアンタドシと セルジュ・デュムランアムステルダムのスピノザ神経イメージングセンター所長である彼は、どちらも以前に発表した論文で、XNUMX つのメカニズムだけが数値の神経細胞による解釈を管理するという考えを裏付けています。 しかし、彼らは、実際には XNUMX つの別個のメカニズムが存在することを示すニーダーとモーマンの新しいデータに衝撃を受けました。

これは「大きい数と小さい数では異なる神経シグネチャがあるという本当の検証だ」とピアンタドシ氏は語った。 しかし、彼は、XNUMX つのプロセスから XNUMX つの署名が現れる可能性があると警告しました。 それを XNUMX つのメカニズムとして説明すべきか、それとも XNUMX つのメカニズムとして説明すべきかについては、まだ議論の余地があります。

「これは本当に美しいです」とデュムランさんは言いました。 「この種のデータは入手できず、もちろん人間のデータもありませんでした。」

ただし、もう XNUMX つの大きな不確実性が残っています。 研究者らは、サルの前頭前皮質や頭頂葉皮質（神経細胞の大部分が存在する場所）については研究しなかった。 その代わりに、患者の電極が挿入された場所のため、研究は記憶に関与する内側側頭葉に焦点を当てた。 ニーダー氏によると、数字を理解するために人間の脳の中で最初に調査する場所はそこではないという。 「その一方で、内側側頭葉はそのようなニューロンを探すのに最悪の場所というわけでもありません。」

それは側頭葉の内側が数字の感覚と結びついているからです。 ニーダー氏によると、子供が計算や九九を学ぶときに活性化し、数値ニューロンが存在すると考えられる領域と密接に関係しているという。

バターワース氏によると、なぜこの領域に数値ニューロンが存在するのかは不明だという。 「私たちが頭頂葉に特有だと思っていたことが、内側側頭葉の一部にも反映されているようです。」

可能性の XNUMX つは、これらが数値ニューロンではないということです。 ペドロ・ピニェイロ・シャーガスカリフォルニア大学サンフランシスコ校の神経学の助教授は、これらは代わりに、側頭葉の内側に位置し、それぞれが特定の概念に関連付けられている概念ニューロンである可能性があると考えています。 たとえば、ある有名な研究では、俳優ジェニファー・アニストンの画像に直接的かつ特異的に反応する概念ニューロンを発見しました。 「もしかしたら、彼らは数の感覚のメカニズムを見つけていないのかもしれません。 …おそらく彼らは、数字にも適用される概念セルを発見しているのでしょう」とピニェイロ＝シャーガス氏は語った。 「『ジェニファー・アニストン』という概念があるように、『XNUMX』という概念もあるでしょう。」

分析のレベルは「本当に優れています」と述べました。 マリネッラ・カペレッティ、ロンドン大学ゴールドスミス校の認知神経科学者。 研究者らは、内側側頭葉の二重機構について「説得力のある証拠」を提供している。 しかし、機会があれば、これらのメカニズムが他の脳領域でも同様に機能しているかどうかを確認することは価値があるだろうと彼女は考えている。

「これらの発見は窓を覗いているようなものだと思います」とカペレッティ氏は語った。 「もう少しオープンにして、脳の残りの部分についてもっと詳しく教えてもらえたらいいですね。」

4について何かがある

新しい発見は、作業記憶の限界と明らかに類似しています。 人間は、一度に意識または作業記憶に一定数のオブジェクトしか保持できません。 実験によると、その数も 4 です。

数感覚の境界と作業記憶の境界の間の一致は「無視するのは難しい」とカペレッティ氏は言う。

メカニズムが関係している可能性があります。 数の感覚に関するこれまでの研究では、参加者が注意を払うのをやめると、4 以下の数字の真の値を正確に判断する能力が失われます。 このことは、小さな数で隣接する失火を抑制する小数システムが注意力と密接に結びついている可能性があることを示唆している。

ニーダー氏は現在、少数システムは目の前のことに注意を払っているときにのみオンになるという仮説を立てています。 彼は、実験でまだ捕捉されていない4歳の神経境界を探すことに加えて、このアイデアをサルでテストしたいと考えている。

この新しい研究は、私たちの数認識の理解において「新たな飛躍の始まりのようだ」とピニェイロ＝シャーガス氏は述べ、有用な応用が可能になる可能性があると述べた。 同氏は、これが数学教育、さらには数の認識に苦戦している人工知能における議論の材料になることを期待している。 大規模な言語モデルは「計算がかなり苦手です。 彼らは数量を理解するのがかなり苦手です」と彼は言いました。

数値ニューロンをより適切に特徴付けることは、私たちが何者であるかを理解するのにも役立ちます。 数値表現は、言語システムに次いで人間にとって XNUMX 番目に大きな記号システムです。 人々はさまざまな方法で数字を頻繁に使用しており、私たちと私たちの祖先は何千年もの間、世界を記述するために数学を使用してきました。 その意味で、数学は人間の根幹をなすものです。

そして、この研究が示し始めているように、この計算能力はすべて、脳内の細かく調整されたニューロンのネットワークに由来している可能性があります。

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