인간의 두뇌가 작은 숫자를 더 잘 인식하는 이유 | 콴타 매거진

150여 년 전, 경제학자이자 철학자인 윌리엄 스탠리 제번스(William Stanley Jevons)는 숫자 4에 대해 흥미로운 점을 발견했습니다. 그는 마음이 숫자를 어떻게 생각하는지에 대해 고민하던 중 검은콩 한 줌을 판지 상자에 던졌습니다. 그러다가 잠깐 훑어본 뒤 몇 개가 있는지 짐작하고, 세어 실제 가치를 기록했습니다. 1,000번이 넘는 시도 끝에 그는 명확한 패턴을 발견했습니다. 상자에 콩이 XNUMX개 이하일 때 그는 항상 올바른 숫자를 추측했습니다. 그러나 콩이 XNUMX개 이상인 경우 그의 빠른 추정은 종종 부정확했습니다.

Jevons의 자기 실험에 대한 설명은 다음과 같습니다. 에 게시 자연 1871년, "우리가 숫자에 대해 생각하는 방식의 기초"를 설정했다고 말했습니다. 스티븐 피안타도시, 버클리 캘리포니아 대학의 심리학 및 신경 과학 교수. 이는 우리가 세트에 존재한다고 정확하게 판단할 수 있는 항목 수에 제한이 있는 것처럼 보이는 이유에 대한 오랫동안 지속되는 논쟁을 불러일으켰습니다.

지금, 새로운 연구 in 자연 인간 행동 는 특정 양이 제시되었을 때 인간의 뇌 세포가 어떻게 활성화되는지 전례 없는 조사를 통해 답에 더 가까워졌습니다. 그 발견은 뇌가 얼마나 많은 물체를 보는지 판단하기 위해 두 가지 메커니즘의 조합을 사용한다는 것을 시사합니다. 하나는 수량을 추정합니다. 두 번째 방법은 추정치의 정확도를 높여주지만 소수의 경우에만 해당됩니다.

이번 연구에 참여하지 않은 Piantadosi는 이번 발견이 오랫동안 논쟁을 불러일으켰던 아이디어를 신경적 토대와 연결시키는 것은 "매우 흥미롭다"고 말했습니다. "사람들이 매우 그럴듯한 생물학적 기초를 찾아낼 수 있었던 인지 분야는 많지 않습니다."

새로운 연구가 논쟁을 끝내지는 못했지만, 이번 발견은 뇌가 양을 판단하는 방법에 대한 생물학적 기초를 풀기 시작했으며, 이는 기억력, 주의력, 심지어 수학에 관한 더 큰 질문을 알릴 수 있습니다.

뉴런이 가장 좋아하는 숫자

세트에 포함된 항목의 수를 즉시 판단하는 능력은 계산과 관련이 없습니다. 인간 유아는 언어를 배우기 전부터 이러한 숫자 감각을 가지고 있습니다. 그리고 이는 인간에게만 국한되지 않고 원숭이, 벌, 물고기, 까마귀 및 기타 동물에게도 이 증상이 있습니다.

원숭이는 나무에 사과가 몇 개 있는지, 그리고 그 사과를 놓고 경쟁하는 다른 원숭이가 몇 마리인지 빠르게 판단할 수 있어야 합니다. 사자는 다른 사자와 마주쳤을 때 싸울 것인지 도망갈 것인지 결정해야 합니다. 꿀벌은 채집을 위한 꽃이 가장 많은 지역을 알아야 합니다. 구피는 떼에 합류하면 포식자로부터 탈출할 가능성이 더 높습니다. “떼가 클수록 작은 물고기는 더 안전하다”고 말했습니다. 브라이언 버터워스, University College London의 인지 신경과학자인 그는 새로운 연구에 참여하지 않았습니다.

이 타고난 숫자 감각 따라서 생존에 매우 중요하며, 동물이 먹이를 찾고 포식자를 피하며 궁극적으로 번식할 가능성을 높입니다. "수량을 구별할 수 있다는 것은 동물의 생존에 도움이 될 뿐입니다."라고 말했습니다. 안드레아스 니더, 독일 튀빙겐 대학의 동물 생리학 학과장이자 새로운 연구를 공동 주도한 사람입니다. 이 능력이 곤충에서 인간에 이르기까지 다양한 동물에서 발견된다는 사실은 이 능력이 오래 전에 발생했음을 시사하며 그 신경 기반은 수십 년 동안 인지 과학자들의 관심을 끌었습니다.

2002년에 Nieder가 신경과학자와 연구를 하고 있을 때 얼 밀러 매사추세츠 공과대학(Massachusetts Institute of Technology)에서 박사후 연구원으로 그들은 숫자가 존재한다는 최초의 증거 중 하나를 발표했습니다. 특정 뉴런과 연결되어 있음. 원숭이를 대상으로 한 행동 실험에서 그들은 더 높은 수준의 처리가 이루어지는 전두엽 피질에 위치한 이러한 뉴런이 선호하는 숫자, 즉 인지될 때 뇌 스캔에서 세포를 밝게 만드는 선호하는 숫자를 가지고 있음을 발견했습니다.

예를 들어, 일부 뉴런은 숫자 3에 맞춰져 있습니다. 세 개의 물체가 제시되면 더 많이 발사됩니다. 다른 뉴런은 숫자 5에 맞춰져 5개의 물체가 제시될 때 활성화됩니다. 이 뉴런은 자신이 가장 좋아하는 것에만 전념하는 것이 아닙니다. 또한 인접한 숫자에 대해서도 활성화됩니다. (그래서 XNUMX로 조정된 뉴런은 XNUMX개와 XNUMX개의 객체에 대해서도 발화합니다.) 하지만 그렇게 자주 수행하지는 않으며, 제시된 숫자가 선호하는 숫자에서 멀어질수록 뉴런의 발화 속도는 감소합니다.

Nieder는 수학적 능력 개발에 관해 이 작품이 제시하는 더 깊은 질문에 흥미를 느꼈습니다. 숫자는 계산으로 이어지며 수량을 나타내는 아라비아 숫자와 같은 상징적인 숫자 표현으로 이어집니다. 이러한 상징적 숫자는 산술과 수학을 뒷받침합니다. Nieder는 "숫자가 [뇌에서] 어떻게 표현되는지를 아는 것은 나중에 나올 모든 것의 기초를 마련하는 것입니다."라고 말했습니다.

그는 숫자 뉴런에 관해 가능한 한 많은 것을 배웠습니다. 2012년에 그의 팀은 뉴런이 다음과 같은 경우 선호하는 숫자에 반응한다는 것을 발견했습니다. 세트 추정 소리나 시각적 항목. 그러다가 2015년에 그들은 다음과 같은 사실을 보여주었습니다. 까마귀에도 수뉴런이 있다. Nieder는 "놀라운 까마귀 행동" 쇼에서 새들이 자신에게 표시된 점이나 아라비아 숫자의 수를 정확하게 쪼을 수 있었다고 말했습니다.

그러나 인간의 수 뉴런을 확인한 사람은 아무도 없었습니다. 그 이유는 인간의 뇌를 연구하는 것이 매우 어렵기 때문입니다. 과학자들은 일반적으로 사람이 살아 있는 동안 실험에서 뇌의 활동에 윤리적으로 접근할 수 없습니다. 뇌 영상 도구에는 개별 뉴런을 구별하는 데 필요한 해상도가 없으며 과학적 호기심만으로는 뇌에 침습성 전극을 이식하는 것을 정당화할 수 없습니다.

살아있는 뇌를 들여다보기 위해 Nieder는 이미 전극 이식을 받았고 그의 연구에 참여하는 데 동의할 환자를 찾아야 했습니다. 2015년에 그 사람한테 연락이 왔어. 플로리안 모르만 — 인간 환자의 단일 세포 기록을 수행하는 독일에서 몇 안 되는 임상의 중 한 명인 본 대학의 인지 및 임상 신경 생리학 그룹의 책임자 — 그와 그의 환자가 인간 수 뉴런에 대한 Nieder의 검색에 참여할지 확인하기 위해 . Mormann은 그렇다고 답했고, 그들의 팀은 이전에 의료 개선을 위해 전극을 이식한 간질 환자의 뇌 활동을 조사하기 시작했습니다.

XNUMX명의 환자는 머리 속으로 간단한 계산을 하고 연구자들은 그들의 뇌 활동을 기록했습니다. 물론 데이터에서는 Nieder와 Mormann이 뉴런이 발사되는 것을 보았다 그들이 선호하는 숫자에 대해 — 인간의 뇌에서 숫자 뉴런이 처음으로 확인되었습니다. 그들은 그들의 연구 결과를 다음과 같이 발표했습니다. 신경 2018 인치

신경과학자들은 물론 자신의 마음을 이해하려고 하기 때문에 "인간의 뇌에서 그러한 뉴런을 찾는 것은 매우 보람 있는 일"이라고 Nieder는 말했습니다.

숫자 임계값

탐구를 계속하기 위해 Nieder와 Mormann은 뉴런이 홀수와 짝수를 어떻게 나타내는지 알아보기 위한 새로운 연구를 시작했습니다. 연구진은 17명의 간질 환자를 모집하여 컴퓨터 화면에 XNUMX부터 XNUMX까지의 점의 깜박임을 보여주었습니다. 참가자들은 전극이 뇌 활동을 기록하는 동안 홀수 또는 짝수를 보았는지 표시했습니다.

다음 몇 달 동안 Nieder와 함께 공부하는 대학원생 Esther Kutter가 결과 데이터를 분석하면서 그녀는 숫자 4 부근에서 명확한 패턴이 나타나는 것을 확인했습니다.

단일 뉴런 발사에 대한 801개의 기록으로 구성된 데이터는 두 가지 뚜렷한 신경 신호를 보여주었습니다. 하나는 작은 숫자에 대한 것이고 다른 하나는 큰 숫자에 대한 것입니다. 숫자 4 이상에서는 선호하는 숫자에 대한 뉴런의 발사가 점점 덜 정확해지고 선호하는 숫자에 가까운 숫자에 대해 잘못 발사됩니다. 그러나 4 이하의 경우 뉴런은 정확하게 발사되었습니다. XNUMX개, XNUMX개, XNUMX개 또는 XNUMX개 물체에 대해 발사하더라도 동일한 작은 오류가 발생했습니다. 다른 숫자에 대한 응답으로 인한 오발은 거의 없었습니다.

이것은 Nieder를 놀라게했습니다. 그는 이전에 동물 연구에서 이 경계를 본 적이 없었습니다. 그 실험에는 최대 5개의 숫자만 포함되었습니다. 그는 Jevons의 관찰을 조사하기 시작하지 않았으며 행동 연구에서 발견한 것을 확인하는 신경 경계를 기대하지도 않았습니다. . 그 시점까지 그는 뇌에는 숫자를 판단하는 메커니즘이 하나만 있다고 확신했습니다. 숫자가 올라갈수록 이 연속체는 더 모호해졌습니다.

새로운 데이터가 그를 변화시켰습니다. Nieder는 "이 경계는 다양한 방식으로 나타났습니다."라고 말했습니다. 신경 패턴은 더 작은 수의 뉴런이 잘못된 숫자에 대해 발사하는 것을 억제하는 추가 메커니즘이 있음을 시사했습니다.

피안타도시와 세르주 두물랭암스테르담에 있는 Spinoza 신경 영상 센터의 소장인 그는 이전에 단 하나의 메커니즘만이 숫자의 신경 해석을 관리한다는 아이디어를 뒷받침하는 논문을 발표했습니다. 그러나 그들은 실제로 두 가지 별도의 메커니즘이 있음을 보여주는 Nieder와 Mormann의 새로운 데이터에 충격을 받았습니다.

Piantadosi는 "큰 숫자와 작은 숫자가 서로 다른 신경 신호를 가지고 있다는 사실을 실제로 확인하는 것"이라고 말했습니다. 그러나 그는 단일 프로세스에서 두 개의 서명이 나타날 수 있다고 경고했습니다. 그것이 하나의 메커니즘으로 설명되어야 하는지 아니면 두 가지 메커니즘으로 설명되어야 하는지는 여전히 논쟁의 여지가 있습니다.

Dumoulin은 “정말 아름답습니다.”라고 말했습니다. "이러한 유형의 데이터는 이용 가능하지 않았으며 확실히 인간에게는 존재하지 않았습니다."

그러나 한 가지 더 큰 불확실성이 남아 있습니다. 연구자들은 대부분의 뉴런이 원숭이에 위치한 전두엽이나 두정엽 피질을 연구하지 않았습니다. 대신 환자의 전극이 삽입된 위치 때문에 기억에 관여하는 내측 측두엽에 초점을 맞춰 연구를 진행했다. 숫자를 이해하기 위해 조사하는 것은 인간 두뇌의 첫 번째 장소가 아니라고 Nieder는 말했습니다. "반면, 내측 측두엽도 그러한 뉴런을 찾기에 최악의 장소는 아닙니다."

내측측두엽이 수감각과 연결되어 있기 때문이다. 아이들이 계산과 구구단을 배울 때 활성화되며 숫자 뉴런이 있다고 생각되는 영역과 밀접하게 연결되어 있다고 Nieder는 말했습니다.

버터워스는 왜 이 영역에 숫자 뉴런이 존재하는지 명확하지 않다고 말했습니다. “우리가 두정엽에만 국한된다고 생각했던 것들이 내측 측두엽 부분에도 반영되는 것 같습니다.”

한 가지 가능성은 이것이 전혀 숫자 뉴런이 아니라는 것입니다. 페드로 핀헤이로-샤가스캘리포니아 대학교 샌프란시스코 캠퍼스의 신경학 조교수는 이것이 내측 측두엽에 위치하고 각각 특정 개념과 연결된 개념 뉴런일 수 있다고 생각합니다. 예를 들어, 한 유명한 연구에서는 배우 제니퍼 애니스톤의 이미지에 직접적이고 구체적으로 반응하는 개념 뉴런을 발견했습니다. “어쩌면 그들은 숫자 감각의 메커니즘을 찾지 못하는 것일 수도 있습니다. … 아마도 그들은 숫자에도 적용되는 개념 셀을 찾고 있는 것 같습니다.”라고 Pinheiro-Chagas는 말했습니다. “'제니퍼 애니스톤'이라는 콘셉트가 있듯이 '셋'이라는 콘셉트도 있을 수 있죠.”

분석 수준이 "정말 뛰어납니다"라고 말했습니다. 마리넬라 카펠레티, 런던 대학교 골드스미스의 인지 신경과학자. 연구자들은 내측 측두엽의 이중 메커니즘에 대한 "강력한 증거"를 제공합니다. 그러나 그녀는 기회가 주어진다면 이러한 메커니즘이 다른 뇌 영역에서도 작동하는지 확인하는 것이 가치 있을 것이라고 생각합니다.

Cappelletti는 “나는 이러한 발견을 창문을 들여다보는 것과 같다고 생각합니다.”라고 말했습니다. "조금 더 열어서 뇌의 나머지 부분에 대해 더 많이 알려주면 좋을 것입니다."

4에 관한 뭔가가 있습니다

새로운 발견은 작업 기억의 한계와 명백히 유사합니다. 사람들은 한 번에 특정 수의 대상만 인식 또는 작업 기억에 저장할 수 있습니다. 실험 결과 숫자도 4인 것으로 나타났습니다.

숫자 감각의 경계와 작업 기억의 경계 사이의 일치는 "무시하기 어렵다"고 Cappelletti는 말했습니다.

메커니즘이 관련되어 있을 가능성이 있습니다. 숫자 감각에 대한 이전 연구에서는 참가자가 주의를 기울이지 않으면 숫자 4 이하의 실제 값을 정확하게 판단하는 능력을 상실했습니다. 이는 소수로 인접한 오발을 억제하는 소수 시스템이 어텐션과 밀접하게 연관되어 있음을 시사한다.

Nieder는 이제 앞에 있는 것에 주의를 기울일 때만 소수 시스템이 활성화된다는 가설을 세웠습니다. 그는 실험에서 아직 포착하지 못한 4의 신경 경계를 찾는 것 외에도 원숭이에서 이 아이디어를 테스트하기를 바라고 있습니다.

Pinheiro-Chagas는 새로운 연구가 수 인식에 대한 이해에 있어 "새로운 도약의 시작인 것 같다"고 말했습니다. 이는 유용한 응용이 가능합니다. 그는 이것이 수학 교육, 심지어 수적 인식 문제로 어려움을 겪고 있는 인공 지능에 대한 토론의 소재가 되기를 바라고 있습니다. 대규모 언어 모델은 “계산에 꽤 나쁩니다. 그들은 수량을 이해하는 데 매우 부족합니다.”라고 그는 말했습니다.

숫자 뉴런을 더 잘 특성화하면 우리가 누구인지 이해하는 데 도움이 될 수도 있습니다. 숫자 표현은 언어 체계 다음으로 인간의 두 번째로 큰 기호 체계입니다. 사람들은 숫자를 다양한 방식으로 자주 사용하며, 우리와 우리 조상들은 수천 년 동안 수학을 사용하여 세계를 설명해 왔습니다. 그런 의미에서 수학은 인간이 되기 위한 근본적인 부분이다.

그리고 이 연구가 보여주기 시작하면서 이러한 계산 능력은 모두 뇌의 미세하게 조정된 뉴런 네트워크에서 비롯될 수 있습니다.

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