Dlaczego ludzki mózg lepiej postrzega małe liczby | Magazyn Quanta

Ponad 150 lat temu ekonomista i filozof William Stanley Jevons odkrył coś ciekawego na temat liczby 4. Rozmyślając o tym, jak umysł pojmuje liczby, wrzucił garść czarnej fasoli do kartonowego pudełka. Następnie, po przelotnym spojrzeniu, odgadł, ile ich było, zanim je policzył i odnotował prawdziwą wartość. Po ponad 1,000 próbach dostrzegł wyraźny wzór. Kiedy w pudełku było cztery lub mniej ziaren, zawsze odgadywał właściwą liczbę. Jednak w przypadku pięciu lub więcej ziaren jego szybkie szacunki często okazywały się błędne.

Opis Jevonsa na temat jego eksperymentu na sobie, opublikowane w Natura w 1871, stworzyły „podstawę naszego myślenia o liczbach” – powiedział Stevena Piantadosiego, profesor psychologii i neurologii na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. Wywołało to długotrwałą i ciągłą debatę na temat tego, dlaczego wydaje się, że istnieje ograniczenie liczby elementów, które możemy dokładnie ocenić jako obecne w zestawie.

Teraz, nowe badanie in Charakter Ludzkie zachowanie zbliżyła się do odpowiedzi, przyglądając się w niespotykany dotąd sposób, jak ludzkie komórki mózgowe uruchamiają się pod wpływem określonych ilości. Wyniki badania sugerują, że mózg wykorzystuje kombinację dwóch mechanizmów, aby ocenić, ile obiektów widzi. Szacuje się ilości. Drugie zaostrza dokładność tych szacunków – ale tylko w przypadku małych liczb.

„To bardzo ekscytujące”, że odkrycia łączą długo dyskutowane koncepcje z ich podstawami neuronalnymi, powiedział Piantadosi, który nie był zaangażowany w badanie. „Niewiele jest dziedzin poznania, w przypadku których ludzie byliby w stanie wskazać bardzo wiarygodne podstawy biologiczne”.

Chociaż nowe badanie nie kończy debaty, odkrycia zaczynają rozwikłać biologiczne podstawy sposobu, w jaki mózg ocenia wielkości, co może pomóc w sformułowaniu ważniejszych pytań dotyczących pamięci, uwagi, a nawet matematyki.

Ulubiona liczba neuronu

Możliwość natychmiastowego oszacowania liczby elementów w zestawie nie ma nic wspólnego z liczeniem. Ludzkie niemowlęta mają zmysł liczb jeszcze zanim nauczą się języka. I nie ogranicza się to do ludzi: małpy, pszczoły, ryby, wrony i inne zwierzęta również ją mają.

Małpa musi być w stanie szybko ocenić liczbę jabłek na drzewie, a także liczbę innych małp, z którymi konkuruje o te jabłka. Lew w konfrontacji z innymi lwami musi zdecydować, czy walczyć, czy uciekać. Pszczoły miodne muszą wiedzieć, który obszar ma najwięcej kwiatów do żerowania. Gupik ma większe szanse na ucieczkę przed drapieżnikiem, jeśli dołączy do ławicy. „Im większa ławica, tym bezpieczniejsza jest ta mała rybka” – stwierdził Briana Butterwortha, neurobiolog poznawczy z University College London, który nie był zaangażowany w nową pracę.

To zdjęcie wrodzony zmysł liczb ma zatem kluczowe znaczenie dla przetrwania, zwiększając szanse zwierzęcia na znalezienie pożywienia, unikanie drapieżników i ostatecznie rozmnażanie się. „Możliwość rozróżniania wielkości liczbowych po prostu się opłaca” – stwierdził Andreasa Niedera, kierownik katedry fizjologii zwierząt na Uniwersytecie w Tybindze w Niemczech, który był współkierownikiem nowego badania. Fakt, że zdolność ta występuje u różnych zwierząt, od owadów po ludzi, sugeruje, że pojawiła się ona dawno temu, a jej podstawy neuronowe interesują kognitywistów od dziesięcioleci.

W 2002 roku, kiedy Nieder współpracował z neurobiologiem Hrabia Miller w Massachusetts Institute of Technology w ramach stażu podoktorskiego opublikowali jeden z pierwszych dowodów na to, że liczby istnieją powiązane z określonymi neuronami. W eksperymencie behawioralnym na małpach odkryli, że neurony zlokalizowane w korze przedczołowej, gdzie zachodzi przetwarzanie wyższego poziomu, mają preferowane liczby – ulubione liczby, które po dostrzeżeniu powodują, że komórki świecą na skanach mózgu.

Na przykład niektóre neurony są dostrojone do liczby 3. Kiedy przedstawiono im trzy obiekty, aktywują się mocniej. Inne neurony są dostrojone do liczby 5 i reagują na pięć obiektów itd. Te neurony nie są przywiązane wyłącznie do swoich ulubionych: wyszukują także liczby sąsiadujące z nimi. (Więc neuron dostrojony do 5 także wyzwala impulsy dla czterech i sześciu obiektów.) Ale nie robią tego tak często, a gdy prezentowana liczba oddala się od preferowanej, szybkość wyzwalania neuronów maleje.

Nieder był podekscytowany głębszymi pytaniami, jakie praca postawiła na temat rozwoju zdolności matematycznych. Liczby prowadzą do liczenia, a następnie do symbolicznych reprezentacji liczb, takich jak cyfry arabskie, które zastępują ilości. Te symboliczne liczby leżą u podstaw arytmetyki i matematyki. „Dla nas wiedza, w jaki sposób liczby są reprezentowane [w mózgu], stanowi podstawę wszystkiego, co nadejdzie później” – powiedział Nieder.

Następnie dowiedział się jak najwięcej o neuronach liczbowych. W 2012 roku jego zespół odkrył, że neurony reagują na preferowane liczby, gdy tak się dzieje szacowanie zestawu dźwięków lub elementów wizualnych. Pokazali to w 2015 roku wrony mają również neurony liczbowe. W pokazie „niesamowitego zachowania wron” – stwierdził Nieder – ptaki potrafiły prawidłowo dziobać tyle, ile im wyświetlono kropek lub cyfr arabskich.

Jednak nikt nie zidentyfikował liczby neuronów u ludzi. Dzieje się tak dlatego, że badanie ludzkiego mózgu jest niezwykle trudne: naukowcy zwykle nie mają etycznego dostępu do jego aktywności w eksperymentach za życia ludzi. Narzędzia do obrazowania mózgu nie mają rozdzielczości potrzebnej do rozróżnienia poszczególnych neuronów, a ciekawość naukowa nie może uzasadniać wszczepiania inwazyjnych elektrod do mózgu.

Aby zajrzeć do żywego mózgu, Nieder musiał znaleźć pacjentów, którzy mieli już wszczepione elektrody i którzy zgodziliby się na udział w jego badaniach. W 2015 roku nawiązał kontakt Floriana Mormanna — kierownika grupy neurofizjologii poznawczej i klinicznej na Uniwersytecie w Bonn, który jest jednym z niewielu klinicystów w Niemczech, który dokonuje rejestracji pojedynczych komórek u ludzi — aby sprawdzić, czy on i jego pacjenci dołączą do poszukiwań Niedera w zakresie neuronów liczbowych . Mormann zgodził się, a ich zespoły przystąpiły do ​​badania aktywności mózgu jego pacjentów z padaczką, którym wcześniej wszczepiono elektrody w celu poprawy opieki medycznej.

Dziewięciu pacjentów wykonywało w myślach proste obliczenia, podczas gdy badacze rejestrowali aktywność ich mózgu. Rzeczywiście, w danych Nieder i Mormann widziałem odpalanie neuronów dla preferowanej liczby – po raz pierwszy zidentyfikowano neurony liczbowe w ludzkim mózgu. Wyniki swoich badań opublikowali w Neuron w 2018 roku.

Neurolodzy oczywiście dążą do zrozumienia własnego umysłu, powiedział Nieder, dlatego „znalezienie takich neuronów w ludzkim mózgu jest niezwykle satysfakcjonujące”.

Próg numeryczny

Aby kontynuować swoje poszukiwania, Nieder i Mormann rozpoczęli nowe badanie, aby dowiedzieć się, w jaki sposób neurony reprezentują liczby parzyste i nieparzyste. Naukowcy zrekrutowali 17 pacjentów z padaczką i pokazali im przebłyski kropek w liczbie od jednego do dziewięciu na ekranach komputerów. Uczestnicy wskazali, czy widzieli liczbę nieparzystą czy parzystą, podczas gdy elektrody rejestrowały aktywność ich mózgu.

Kiedy w ciągu następnych kilku miesięcy Esther Kutter, absolwentka studiująca pod kierunkiem Niedera, analizowała uzyskane dane, zauważyła wyłaniający się wyraźny wzór – dokładnie wokół liczby 4.

Dane, które obejmowały 801 nagrań odpalania pojedynczych neuronów, wykazały dwie odrębne sygnatury neuronowe: jedną dla małych i jedną dla dużych liczb. Powyżej liczby 4 neurony wysyłały impulsy w stronę preferowanej liczby, która stawała się coraz mniej precyzyjna i błędnie wysyłały impulsy w celu uzyskania liczb bliskich preferowanej. Ale w przypadku wartości 4 i poniżej neurony uruchamiały się precyzyjnie – z tą samą małą ilością błędów, niezależnie od tego, czy strzelały do ​​jednego, dwóch, trzech czy czterech obiektów. W dużej mierze nie występowały wypadanie zapłonu w odpowiedzi na inne liczby.

To zaskoczyło Niedera. Nie widział wcześniej tej granicy w swoich badaniach na zwierzętach: eksperymenty te obejmowały tylko liczby do 5. Nie miał zamiaru analizować obserwacji Jevonsa ani nie spodziewał się, że granica neuronowa potwierdzi to, co wykazały badania behawioralne . Do tego momentu był przekonany, że mózg ma tylko jeden mechanizm oceniania liczb – kontinuum, które stawało się coraz bardziej niejasne, im wyższe były liczby.

Nowe dane to dla niego zmieniły. „Ta granica pojawiała się na różne sposoby” – powiedział Nieder. Wzorce neuronowe sugerują, że istnieje dodatkowy mechanizm, który powstrzymuje neurony o mniejszej liczbie przed wysyłaniem impulsów w poszukiwaniu niewłaściwych liczb.

Piantadosi i Serge’a Dumoulina, dyrektor Centrum Neuroobrazowania Spinoza w Amsterdamie, opublikował wcześniej oba artykuły potwierdzające pogląd, że tylko jeden mechanizm zarządza neuronową interpretacją liczb. Jednak uderzyły ich nowe dane Niedera i Mormanna pokazujące, że w rzeczywistości istnieją dwa odrębne mechanizmy.

To „prawdziwe potwierdzenie, że duże i małe liczby mają różne sygnatury neuronowe” – powiedział Piantadosi. Przestrzegł jednak, że w wyniku jednego procesu mogą wyłonić się dwa podpisy; to, czy należy go opisać jako jeden mechanizm, czy dwa, jest nadal przedmiotem dyskusji.

„To jest po prostu piękne” – powiedział Dumoulin. „Tego typu dane nie były dostępne, a już na pewno nie u ludzi”.

Pozostaje jednak jeszcze jedna poważna niepewność. Naukowcy nie badali kory przedczołowej ani ciemieniowej, gdzie u małp zlokalizowana jest większość neuronów. Zamiast tego, ze względu na miejsce wprowadzenia elektrod pacjentów, w badaniu skupiono się na przyśrodkowym płacie skroniowym, który bierze udział w pamięci. Nieder powiedział, że nie jest to pierwsze miejsce w ludzkim mózgu, które bada się, aby zrozumieć liczby. „Z drugiej strony przyśrodkowy płat skroniowy również nie jest najgorszym miejscem do poszukiwania takich neuronów”.

Dzieje się tak dlatego, że przyśrodkowy płat skroniowy jest powiązany ze zmysłem liczb. Jest aktywny, gdy dzieci uczą się obliczeń i tabliczki mnożenia, i jest ściśle powiązany z obszarami, w których, jak się uważa, znajdują się neurony liczbowe, powiedział Nieder.

Nie jest jasne, dlaczego neurony liczbowe są obecne w tym regionie, powiedział Butterworth. „To, co uważaliśmy za specyficzne dla płata ciemieniowego, wydaje się mieć odzwierciedlenie także w częściach przyśrodkowego płata skroniowego”.

Jedną z możliwości jest to, że wcale nie są to neurony liczbowe. Pedro Pinheiro-Chagasa, adiunkt neurologii na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Francisco, uważa, że ​​mogłyby to być neurony pojęciowe, które znajdują się w przyśrodkowym płacie skroniowym i są powiązane z konkretnymi pojęciami. Na przykład w jednym ze słynnych badań odkryto neuron koncepcyjny, który reagował bezpośrednio i konkretnie na obrazy aktorki Jennifer Aniston. „Być może nie znajdują mechanizmów zmysłu liczb. … Być może znajdują komórki koncepcyjne, które można zastosować również do liczb” – powiedział Pinheiro-Chagas. „Tak jak masz koncepcję „Jennifer Aniston”, możesz mieć koncepcję „trójki”.

Poziom analizy jest „po prostu naprawdę znakomity” – stwierdził Marinellę Cappelletti, neurobiolog poznawczy w Goldsmiths na Uniwersytecie Londyńskim. Naukowcy dostarczają „przekonujących dowodów” na podwójne mechanizmy w przyśrodkowym płacie skroniowym. Uważa jednak, że cenne byłoby sprawdzenie, czy mechanizmy te działają również w innych obszarach mózgu, jeśli nadarzy się taka okazja.

„Postrzegam te odkrycia jak patrzenie w okno” – powiedział Cappelletti. „Byłoby miło rozwinąć temat nieco szerzej i powiedzieć nam więcej o reszcie mózgu”.

Jest coś o 4

Nowe odkrycia wykazują wyraźne podobieństwa do ograniczeń pamięci roboczej. Ludzie mogą jednocześnie utrzymywać w swojej świadomości lub pamięci roboczej tylko określoną liczbę obiektów. Eksperymenty pokazują, że liczba ta wynosi również 4.

„Trudno zignorować zgodność między granicą zmysłu liczb a granicą pamięci roboczej” – stwierdził Cappelletti.

Możliwe, że mechanizmy są ze sobą powiązane. W poprzednich badaniach nad zmysłem liczb, gdy uczestnik przestał zwracać uwagę, tracił zdolność precyzyjnej oceny prawdziwej wartości liczb 4 i niższych. Sugeruje to, że system małych liczb, który za pomocą małych liczb tłumi sąsiednie wypadanie zapłonu, może być ściśle powiązany z uwagą.

Nieder stawia teraz hipotezę, że system małych liczb włącza się tylko wtedy, gdy zwracasz uwagę na to, co jest przed tobą. Ma nadzieję przetestować ten pomysł na małpach, a także poszukać granicy neuronalnej w punkcie 4, której ich eksperymenty jeszcze nie uchwyciły.

Nowe badanie „wydaje się być początkiem nowego skoku” w naszym rozumieniu percepcji liczb, stwierdził Pinheiro-Chagas, który może mieć przydatne zastosowania. Ma nadzieję, że będzie to pożywka do dyskusji na temat edukacji matematycznej, a nawet sztucznej inteligencji, która zmaga się z postrzeganiem liczebności. Duże modele językowe „całkiem słabo radzą sobie z liczeniem”. Całkiem słabo radzą sobie z ilościami” – stwierdził.

Lepsze scharakteryzowanie neuronów liczbowych może również pomóc nam zrozumieć, kim jesteśmy. Obok systemu językowego reprezentacja liczb jest drugim co do wielkości systemem symboli stosowanym przez człowieka. Ludzie często i na różne sposoby używają liczb, a my i nasi przodkowie od tysiącleci używaliśmy matematyki do opisu świata. W tym sensie matematyka jest podstawową częścią bycia człowiekiem.

Jak zaczyna pokazywać to badanie, cała ta zdolność obliczeniowa może wynikać z precyzyjnie dostrojonej sieci neuronów w mózgu.

Quanta przeprowadza serię ankiet, aby lepiej służyć naszym odbiorcom. Weź nasze ankieta czytelnicza biologii i zostaniesz wpisany, aby wygrać za darmo Quanta towar.