Hvorfor den menneskelige hjernen oppfatter små tall bedre | Quanta Magazine

For mer enn 150 år siden oppdaget økonomen og filosofen William Stanley Jevons noe merkelig ved tallet 4. Mens han funderte over hvordan sinnet oppfatter tall, kastet han en håndfull svarte bønner i en pappeske. Så, etter et flyktig blikk, gjettet han hvor mange det var, før han telte dem for å registrere den sanne verdien. Etter mer enn 1,000 forsøk så han et tydelig mønster. Når det var fire eller færre bønner i boksen, gjettet han alltid riktig antall. Men for fem bønner eller mer var hans raske anslag ofte feil.

Jevons beskrivelse av selveksperimentet hans, publisert i Natur i 1871, sette "grunnlaget for hvordan vi tenker om tall," sa Steven Piantadosi, professor i psykologi og nevrovitenskap ved University of California, Berkeley. Det utløste en langvarig og pågående debatt om hvorfor det ser ut til å være en grense på antall elementer vi nøyaktig kan bedømme å være tilstede i et sett.

Nå, en ny studie in Natur menneskelig adferd har kommet nærmere et svar ved å ta en enestående titt på hvordan menneskelige hjerneceller avfyrer når de blir presentert med visse mengder. Funnene tyder på at hjernen bruker en kombinasjon av to mekanismer for å bedømme hvor mange objekter den ser. Man anslår mengder. Den andre skjerper nøyaktigheten til disse estimatene - men bare for små tall.

Det er "veldig spennende" at funnene kobler lenge omdiskuterte ideer til deres nevrale fundament, sa Piantadosi, som ikke var involvert i studien. "Det er ikke mange ting i kognisjon der folk har vært i stand til å finne svært plausible biologiske grunnlag."

Selv om den nye studien ikke avslutter debatten, begynner funnene å løse det biologiske grunnlaget for hvordan hjernen bedømmer mengder, noe som kan informere større spørsmål om hukommelse, oppmerksomhet og til og med matematikk.

En nevrons favorittnummer

Evnen til å umiddelbart bedømme antall elementer i et sett har ikke noe med telling å gjøre. Menneskelige spedbarn har denne tallforståelsen selv før de lærer språk. Og det er ikke begrenset til mennesker: Aper, bier, fisk, kråker og andre dyr har det også.

En ape må raskt kunne bedømme antall epler i et tre, og også hvor mange andre aper den konkurrerer mot om disse eplene. Når en løve blir konfrontert med andre løver, må den bestemme om den skal kjempe eller flykte. Honningbier må vite hvilket område som har flest blomster for å søke. En guppy har bedre sjanser til å unnslippe et rovdyr hvis den blir med i en stim. "Jo større stimen er, desto tryggere er den lille fisken," sa Brian Butterworth, en kognitiv nevroforsker ved University College London som ikke var involvert i det nye arbeidet.

Dette medfødt tallforståelse er derfor avgjørende for overlevelse, øker et dyrs sjanser til å finne mat, unngå rovdyr og til slutt reprodusere seg. "Det lønner seg ganske enkelt for overlevelsen til et dyr å kunne differensiere numeriske mengder," sa Andreas Nieder, lederen i dyrefysiologi ved Universitetet i Tübingen i Tyskland, som var medleder for den nye studien. Det faktum at denne evnen finnes hos forskjellige dyr, fra insekter til mennesker, tyder på at den oppsto for lenge siden, og dens nevrale grunnlag har interessert kognitive forskere i flere tiår.

I 2002, da Nieder jobbet med nevrovitenskapsmannen Earl Miller ved Massachusetts Institute of Technology som postdoktor publiserte de et av de første bevisene på at tall er knyttet til spesifikke nevroner. I et atferdseksperiment med aper fant de at disse nevronene, som er lokalisert i den prefrontale cortex hvor prosessering på høyere nivå finner sted, har foretrukne tall - favoritttall som, når de oppfattes, får cellene til å lyse opp i hjerneskanninger.

For eksempel er noen nevroner innstilt på tallet 3. Når de blir presentert med tre objekter, skyter de mer. Andre nevroner er innstilt på tallet 5 og avfyrer når de presenteres med fem objekter, og så videre. Disse nevronene er ikke utelukkende forpliktet til sine favoritter: De skyter også for tall ved siden av den. (Så nevronet innstilt på 5 avfyrer også for fire og seks objekter.) Men de gjør det ikke så ofte, og ettersom det presenterte tallet kommer lenger unna det foretrukne tallet, synker nevronenes avfyringshastighet.

Nieder var begeistret over de dypere spørsmålene arbeidet presenterte om utviklingen av matematiske evner. Tall fører til telling, og deretter til symbolske tallrepresentasjoner, for eksempel arabiske tall som står for mengder. Disse symbolske tallene underbygger aritmetikk og matematikk. "For oss å vite hvordan tall er representert [i hjernen] legger grunnlaget for alt som kommer senere," sa Nieder.

Han fortsatte med å lære så mye han kunne om antall nevroner. I 2012 oppdaget teamet hans at nevronene reagerer på deres foretrukne tall når de er estimere et sett av lyder eller visuelle elementer. Så, i 2015, viste de det kråker har også antall nevroner. I et show med "utrolig kråkeoppførsel," sa Nieder, kunne fuglene korrekt hakke antallet prikker eller arabiske tall som ble vist til dem.

Imidlertid hadde ingen identifisert antall nevroner hos mennesker. Det er fordi å studere den menneskelige hjernen er notorisk vanskelig: Forskere kan vanligvis ikke få tilgang til aktiviteten dens etisk i eksperimenter mens folk er i live. Hjernebildeverktøy har ikke oppløsningen som trengs for å skille individuelle nevroner, og vitenskapelig nysgjerrighet alene kan ikke rettferdiggjøre implantering av invasive elektroder i hjernen.

For å se inn i en levende hjerne, trengte Nieder å finne pasienter som allerede hadde elektrodeimplantater og som ville samtykke til å være en del av forskningen hans. I 2015 tok han kontakt Florian Mormann — sjefen for den kognitive og kliniske nevrofysiologigruppen ved Universitetet i Bonn, som er en av få klinikere i Tyskland som gjør enkeltcelleregistreringer av menneskelige pasienter — for å se om han og hans pasienter ville bli med på Nieders søk etter menneskelige tallneuroner . Mormann sa ja, og teamene deres begynte å jobbe med å undersøke hjerneaktiviteten til epilepsipasientene hans, som tidligere hadde fått implantert elektroder for å forbedre medisinsk behandling.

Ni pasienter gjorde enkle beregninger i hodet mens forskerne registrerte hjerneaktiviteten deres. Sikkert nok, i dataene, Nieder og Mormann så nevroner skyte for deres foretrukne tall - første gang antall nevroner ble identifisert i den menneskelige hjernen. De publiserte funnene sine i Neuron i 2018.

Nevrovitenskapsmenn er selvfølgelig drevet til å forstå sitt eget sinn, sa Nieder, og så "å finne slike nevroner i den menneskelige hjernen er ekstremt givende."

En numerisk terskel

For å fortsette sin søken lanserte Nieder og Mormann en ny studie for å finne ut hvordan nevronene representerer oddetall og partall. Forskerne rekrutterte 17 epilepsipasienter og viste dem glimt av prikker, i antall fra én til ni, på dataskjermer. Deltakerne indikerte om de så et oddetall eller et partall mens elektroder registrerte hjerneaktiviteten deres.

I løpet av de neste månedene, da Esther Kutter, en doktorgradsstudent som studerer med Nieder, analyserte de resulterende dataene, så hun et tydelig mønster dukke opp - rett rundt tallet 4.

Dataene, som omfattet 801 opptak av avfyring av enkeltnevroner, viste to distinkte nevrale signaturer: en for små tall og en for store. Over tallet 4 ble nevronenes avfyring for deres foretrukne antall gradvis mindre presis, og de avfyrte feilaktig for tall nær det foretrukne. Men for 4 og under, skjøt nevronene presist - med samme lille mengde feil enten det ble avfyrt for en, to, tre eller fire objekter. Feilskytingen som svar på andre tall var stort sett fraværende.

Dette overrasket Nieder. Han hadde ikke tidligere sett denne grensen i sine dyrestudier: Disse eksperimentene hadde inkludert tall bare opp til 5. Han hadde ikke satt ut for å undersøke Jevons' observasjon, og han forventet heller ikke å se en nevrale grense bekrefte det atferdsstudier hadde funnet. . Frem til det tidspunktet hadde han vært overbevist om at hjernen bare hadde én mekanisme for å bedømme tall - et kontinuum som ble uklarere jo høyere tallene klatret.

De nye dataene endret det for ham. "Denne grensen spratt ut på forskjellige måter," sa Nieder. De nevrale mønstrene antydet at det er en ekstra mekanisme som undertrykker mindre nevroner fra å skyte for feil tall.

Piantadosi og Serge Dumoulin, direktøren for Spinoza Center for Neuroimaging i Amsterdam, hadde begge tidligere publisert artikler som støtter ideen om at bare én mekanisme styrer den neuronale tolkningen av tall. Likevel ble de slått av Nieder og Mormanns nye data som viser at det faktisk er to separate mekanismer.

Det er "reell validering at store og små tall har forskjellige nevrale signaturer," sa Piantadosi. Men han advarte om at to signaturer kan dukke opp fra en enkelt prosess; om det skal beskrives som en mekanisme eller to er fortsatt oppe til debatt.

"Dette er bare vakkert," sa Dumoulin. "Denne typen data var ikke tilgjengelig og absolutt ikke hos mennesker."

Det gjenstår imidlertid en stor usikkerhet til. Forskerne studerte ikke de prefrontale eller parietale cortexene, der flertallet av antall nevroner er lokalisert i aper. I stedet, på grunn av hvor pasientenes elektroder ble satt inn, fokuserte studien på den mediale temporallappen, som er involvert i hukommelsen. Det er ikke det første stedet i den menneskelige hjernen du vil undersøke for å forstå tall, sa Nieder. "På den annen side er den mediale tinninglappen heller ikke det verste stedet å lete etter slike nevroner."

Det er fordi den mediale tinninglappen er knyttet til tallsans. Det er aktivt når barn lærer beregninger og multiplikasjonstabeller, og det er nært knyttet til regioner der antall nevroner antas å ligge, sa Nieder.

Det er ikke klart hvorfor antall nevroner er til stede i denne regionen, sa Butterworth. "Tingene som vi trodde var spesifikke for parietallappen ser ut til å gjenspeiles også i deler av den mediale tinninglappen."

En mulighet er at disse ikke er tallnevroner i det hele tatt. Pedro Pinheiro-Chagas, en assisterende professor i nevrologi ved University of California, San Francisco, mener disse i stedet kan være konseptneuroner, som er lokalisert i den mediale tinninglappen og hver er knyttet til spesifikke konsepter. For eksempel fant en berømt studie et konseptneuron som reagerte direkte og spesifikt på bilder av skuespilleren Jennifer Aniston. "Kanskje de ikke finner mekanismene til tallforståelsen. … Kanskje de finner konseptceller som også brukes på tall,” sa Pinheiro-Chagas. "Som du har konseptet "Jennifer Aniston", kan du ha konseptet "tre."

Analysenivået er "bare virkelig enestående," sa Marinella Cappelletti, en kognitiv nevroforsker ved Goldsmiths, University of London. Forskerne gir "overbevisende bevis" for doble mekanismer i den mediale tinninglappen. Hun mener det imidlertid vil være verdifullt å se om disse mekanismene fungerer i andre hjerneregioner også, hvis muligheten byr seg.

"Jeg ser på disse funnene som å se inn i et vindu," sa Cappelletti. "Det ville vært fint å åpne det litt mer og fortelle oss mer om resten av hjernen."

Det er noe om 4

De nye funnene har klare paralleller til arbeidsminnets begrensninger. Folk kan bare holde et visst antall gjenstander i bevisstheten, eller arbeidsminnet, på en gang. Eksperimenter viser at tallet også er 4.

Avtalen mellom grensen for tallforståelse og arbeidsminnet er "vanskelig å ignorere," sa Cappelletti.

Det er mulig at mekanismene henger sammen. I tidligere studier av tallforståelse, når en deltaker sluttet å være oppmerksom, mistet de evnen til å nøyaktig bedømme den sanne verdien av tallene 4 og under. Det antyder at systemet med små tall, som undertrykker tilstøtende feiltenninger med små tall, kan være nært knyttet til oppmerksomhet.

Nieder antar nå at småtallsystemet slås på bare når du legger merke til det som er foran deg. Han håper å teste denne ideen i aper, i tillegg til å se etter en nevrale grense ved 4 som eksperimentene deres ennå ikke har fanget.

Den nye forskningen "ser ut til å være begynnelsen på et nytt sprang" i vår forståelse av talloppfatning, sa Pinheiro-Chagas, som kan ha nyttige applikasjoner. Han håper det vil være mat for diskusjoner i matematikkundervisningen og til og med kunstig intelligens, som sliter med talloppfatning. Store språkmodeller er «ganske dårlige til å telle. De er ganske dårlige til å forstå mengder, sa han.

Bedre karakterisering av tallnevroner kan også hjelpe oss å forstå hvem vi er. Ved siden av språksystemet er tallrepresentasjon menneskers nest største symbolsystem. Folk bruker tall ofte og på en rekke måter, og vi og våre forfedre har brukt matematikk for å beskrive verden i årtusener. Sånn sett er matematikk en grunnleggende del av det å være menneske.

Og som denne studien begynner å vise, kan alle denne beregningsevnen stamme fra et finjustert nettverk av nevroner i hjernen.

Quanta gjennomfører en serie undersøkelser for å tjene publikum bedre. Ta vår biologi leserundersøkelse og du vil bli registrert for å vinne gratis Quanta handelsvarer.