Por que o cérebro humano percebe melhor os números pequenos | Revista Quanta

Há mais de 150 anos, o economista e filósofo William Stanley Jevons descobriu algo curioso sobre o número 4. Enquanto refletia sobre como a mente concebe os números, ele jogou um punhado de feijão preto em uma caixa de papelão. Então, após uma rápida olhada, ele adivinhou quantos eram, antes de contá-los para registrar o valor verdadeiro. Depois de mais de 1,000 tentativas, ele viu um padrão claro. Quando havia quatro ou menos feijões na caixa, ele sempre adivinhava o número certo. Mas, para cinco grãos ou mais, suas estimativas rápidas eram muitas vezes incorretas.

A descrição de Jevons de seu auto-experimento, publicado em Natureza em 1871, estabeleceu a “base de como pensamos sobre os números”, disse Steven Piantadosi, professor de psicologia e neurociência na Universidade da Califórnia, Berkeley. Isso gerou um debate duradouro e contínuo sobre por que parece haver um limite no número de itens que podemos julgar com precisão como presentes em um conjunto.

Agora, um novo estudo in Natureza humana comportamento chegou mais perto de uma resposta ao analisar sem precedentes como as células cerebrais humanas disparam quando apresentadas a certas quantidades. Suas descobertas sugerem que o cérebro usa uma combinação de dois mecanismos para avaliar quantos objetos vê. Estima-se quantidades. A segunda aumenta a precisão dessas estimativas – mas apenas para números pequenos.

É “muito emocionante” que as descobertas conectem ideias há muito debatidas às suas bases neurais, disse Piantadosi, que não esteve envolvido no estudo. “Não há muitas coisas na cognição onde as pessoas tenham sido capazes de identificar bases biológicas muito plausíveis.”

Embora o novo estudo não encerre o debate, as descobertas começam a desvendar a base biológica de como o cérebro avalia as quantidades, o que poderá informar questões maiores sobre memória, atenção e até matemática.

O número favorito de um neurônio

A capacidade de avaliar instantaneamente o número de itens em um conjunto não tem nada a ver com contagem. Os bebês humanos têm esse sentido numérico antes mesmo de aprenderem a linguagem. E não se limita aos humanos: macacos, abelhas, peixes, corvos e outros animais também a possuem.

Um macaco precisa ser capaz de avaliar rapidamente o número de maçãs em uma árvore e também com quantos outros macacos ele está competindo por essas maçãs. Um leão, quando confrontado por outros leões, tem que decidir se vai lutar ou fugir. As abelhas precisam saber qual área tem mais flores para forragear. Um guppy tem mais chances de escapar de um predador se se juntar a um cardume. “Quanto maior o cardume, mais seguro é o peixinho”, disse Brian Butterworth, um neurocientista cognitivo da University College London que não esteve envolvido no novo trabalho.

Esta sentido numérico inato é, portanto, fundamental para a sobrevivência, aumentando as chances de um animal encontrar alimento, evitar predadores e, em última análise, reproduzir-se. “Simplesmente compensa para a sobrevivência de um animal ser capaz de diferenciar quantidades numéricas”, disse Andreas Nieder, catedrático de fisiologia animal da Universidade de Tübingen, na Alemanha, que co-liderou o novo estudo. O facto de esta capacidade ser encontrada em diversos animais, desde insectos até humanos, sugere que surgiu há muito tempo, e a sua base neural tem interessado cientistas cognitivos há décadas.

Em 2002, quando Nieder trabalhava com o neurocientista Earl miller no Instituto de Tecnologia de Massachusetts como pós-doutorado, eles publicaram uma das primeiras evidências de que os números são ligada a neurônios específicos. Numa experiência comportamental com macacos, descobriram que estes neurónios, localizados no córtex pré-frontal, onde ocorre o processamento de nível superior, têm números preferidos – números favoritos que, quando percebidos, fazem as células acenderem-se em exames cerebrais.

Por exemplo, alguns neurônios estão sintonizados com o número 3. Quando são apresentados a três objetos, eles disparam mais. Outros neurônios estão sintonizados com o número 5 e disparam quando apresentados a cinco objetos, e assim por diante. Esses neurônios não estão exclusivamente comprometidos com seus favoritos: eles também disparam para números adjacentes a eles. (Portanto, o neurônio sintonizado em 5 também dispara para quatro e seis objetos.) Mas eles não fazem isso com tanta frequência e, à medida que o número apresentado se afasta do número preferido, a taxa de disparo dos neurônios diminui.

Nieder ficou entusiasmado com as questões mais profundas que o trabalho apresentava sobre o desenvolvimento da habilidade matemática. Os números levam à contagem e, em seguida, às representações numéricas simbólicas, como algarismos arábicos que representam quantidades. Esses números simbólicos sustentam a aritmética e a matemática. “Sabermos como os números são representados [no cérebro] é estabelecer as bases para tudo o que virá depois”, disse Nieder.

Ele passou a aprender o máximo que pôde sobre neurônios numéricos. Em 2012, sua equipe descobriu que os neurônios respondem aos seus números preferidos quando estão estimando um conjunto de sons ou itens visuais. Então, em 2015, eles mostraram que corvos também têm neurônios numéricos. Numa demonstração de “comportamento incrível dos corvos”, disse Nieder, os pássaros conseguiam bicar corretamente o número de pontos ou algarismos arábicos que lhes eram apresentados.

No entanto, ninguém identificou neurônios numéricos em humanos. Isso porque estudar o cérebro humano é notoriamente difícil: os cientistas geralmente não conseguem acessar eticamente sua atividade em experimentos enquanto as pessoas estão vivas. As ferramentas de imagem cerebral não têm a resolução necessária para distinguir neurônios individuais, e a curiosidade científica por si só não pode justificar a implantação de eletrodos invasivos no cérebro.

Para examinar um cérebro vivo, Nieder precisava encontrar pacientes que já tivessem implantes de eletrodos e que consentissem em fazer parte de sua pesquisa. Em 2015, ele contatou Florian Mormann — o chefe do grupo de neurofisiologia cognitiva e clínica da Universidade de Bonn, que é um dos poucos médicos na Alemanha que faz registros unicelulares em pacientes humanos — para ver se ele e seus pacientes se juntariam à busca de Nieder por neurônios numéricos humanos . Mormann disse que sim, e suas equipes começaram a trabalhar examinando a atividade cerebral de seus pacientes com epilepsia, que já haviam implantado eletrodos para melhorar seus cuidados médicos.

Nove pacientes fizeram cálculos simples mentalmente enquanto os pesquisadores registravam sua atividade cerebral. Com certeza, nos dados, Nieder e Mormann vi neurônios disparando para seus números preferidos – a primeira vez que neurônios numéricos foram identificados no cérebro humano. Eles publicaram suas descobertas em Neurônio em 2018.

É claro que os neurocientistas são levados a compreender a sua própria mente, disse Nieder, e por isso “encontrar tais neurónios no cérebro humano é extremamente gratificante”.

Um limite numérico

Para continuar a sua busca, Nieder e Mormann lançaram um novo estudo para descobrir como os neurónios representam números pares e ímpares. Os pesquisadores recrutaram 17 pacientes com epilepsia e mostraram-lhes flashes de pontos, variando em número de um a nove, em telas de computador. Os participantes indicaram se viram um número par ou ímpar enquanto os eletrodos registravam sua atividade cerebral.

Nos meses seguintes, enquanto Esther Kutter, uma estudante de pós-graduação que estudava com Nieder, analisava os dados resultantes, ela viu surgir um padrão claro – bem em torno do número 4.

Os dados, que incluíam 801 gravações de disparos de neurônios únicos, mostraram duas assinaturas neurais distintas: uma para números pequenos e outra para números grandes. Acima do número 4, o disparo dos neurônios para o número preferido tornou-se progressivamente menos preciso e eles dispararam erroneamente para números próximos ao preferido. Mas para 4 e abaixo, os neurônios dispararam com precisão – com a mesma pequena quantidade de erro, quer disparassem para um, dois, três ou quatro objetos. A falha de ignição em resposta a outros números estava praticamente ausente.

Isso surpreendeu Nieder. Ele não tinha visto anteriormente esse limite em seus estudos com animais: esses experimentos incluíram números apenas até 5. Ele não tinha a intenção de investigar a observação de Jevons, nem esperava ver um limite neural confirmar o que os estudos comportamentais haviam descoberto. . Até então, ele estava convencido de que o cérebro tinha apenas um mecanismo para julgar números – um continuum que se tornava mais confuso à medida que os números subiam.

Os novos dados mudaram isso para ele. “Essa fronteira surgiu de maneiras diferentes”, disse Nieder. Os padrões neurais sugeriram que existe um mecanismo adicional que impede que neurônios de números menores disparem para números errados.

Piantadosi e Serge Dumoulin, diretor do Centro Spinoza de Neuroimagem em Amsterdã, já havia publicado artigos apoiando a ideia de que apenas um mecanismo gerencia a interpretação neuronal dos números. No entanto, ficaram impressionados com os novos dados de Nieder e Mormann, que mostram que existem, de facto, dois mecanismos distintos.

É “uma validação real de que números grandes e pequenos têm assinaturas neurais diferentes”, disse Piantadosi. Mas advertiu que duas assinaturas podem surgir de um único processo; se deve ser descrito como um mecanismo ou dois ainda está em debate.

“Isso é simplesmente lindo”, disse Dumoulin. “Este tipo de dados não estava disponível e certamente não em humanos.”

No entanto, permanece mais uma grande incerteza. Os pesquisadores não estudaram os córtices pré-frontais ou parietais, onde a maioria dos neurônios está localizada nos macacos. Em vez disso, devido ao local onde os eletrodos dos pacientes foram inseridos, o estudo se concentrou no lobo temporal medial, que está envolvido na memória. Não é o primeiro lugar no cérebro humano que você investigaria para entender os números, disse Nieder. “Por outro lado, o lobo temporal medial também não é o pior lugar para procurar tais neurônios.”

Isso ocorre porque o lobo temporal medial está ligado ao sentido numérico. É ativo quando as crianças aprendem cálculos e tabuada, e está intimamente conectado a regiões onde se acredita que os neurônios numéricos estejam, disse Nieder.

Não está claro por que os neurônios numéricos estão presentes nesta região, disse Butterworth. “As coisas que pensávamos serem específicas do lobo parietal parecem refletir-se também em partes do lobo temporal medial.”

Uma possibilidade é que estes não sejam neurônios numéricos. Pedro Pinheiro-Chagas, professor assistente de neurologia da Universidade da Califórnia, em São Francisco, acredita que estes poderiam ser neurônios conceituais, localizados no lobo temporal medial e cada um vinculado a conceitos específicos. Por exemplo, um estudo famoso encontrou um neurônio conceitual que respondia direta e especificamente a imagens da atriz Jennifer Aniston. “Talvez eles não estejam encontrando os mecanismos do sentido numérico. … Talvez estejam encontrando células conceituais que também se aplicam a números”, disse Pinheiro-Chagas. “Como você tem o conceito de ‘Jennifer Aniston’, você poderia ter o conceito de ‘três’”.

O nível de análise é “realmente excelente”, disse Marinella Cappelletti, neurocientista cognitivo da Goldsmiths, Universidade de Londres. Os pesquisadores fornecem “evidências convincentes” de mecanismos duplos no lobo temporal medial. Ela acha que seria valioso, no entanto, ver se esses mecanismos operam também em outras regiões do cérebro, se surgir a oportunidade.

“Vejo essas descobertas como se estivéssemos olhando por uma janela”, disse Cappelletti. “Seria bom abrir um pouco mais e nos contar mais sobre o resto do cérebro.”

Há algo em torno de 4

As novas descobertas têm paralelos claros com as limitações da memória de trabalho. As pessoas podem manter apenas um certo número de objetos em sua consciência, ou memória de trabalho, ao mesmo tempo. Experimentos mostram que esse número também é 4.

A concordância entre a fronteira do sentido numérico e a da memória de trabalho é “difícil de ignorar”, disse Cappelletti.

É possível que os mecanismos estejam relacionados. Em estudos anteriores sobre o sentido numérico, quando um participante parava de prestar atenção, perdia a capacidade de julgar com precisão o verdadeiro valor dos números 4 e abaixo. Isso sugere que o sistema de números pequenos, que suprime falhas de ignição adjacentes com números pequenos, pode estar intimamente ligado à atenção.

Nieder agora levanta a hipótese de que o sistema de números pequenos só é ativado quando você presta atenção ao que está à sua frente. Ele espera testar essa ideia em macacos, além de procurar um limite neural em 4 que seus experimentos ainda não tenham capturado.

A nova investigação “parece ser o início de um novo salto” na nossa compreensão da percepção dos números, disse Pinheiro-Chagas, que poderá ter aplicações úteis. Ele espera que isso sirva de tema para discussões na educação matemática e até mesmo na inteligência artificial, que luta contra a percepção da numerosidade. Grandes modelos de linguagem são “muito ruins em contagem. Eles são muito ruins em entender quantidades”, disse ele.

Caracterizar melhor os neurônios numéricos também pode nos ajudar a entender quem somos. Depois do sistema de linguagem, a representação numérica é o segundo maior sistema de símbolos dos humanos. As pessoas usam números com frequência e de diversas maneiras, e nós e nossos ancestrais usamos a matemática para descrever o mundo há milênios. Nesse sentido, a matemática é uma parte fundamental do ser humano.

E, como este estudo começa a mostrar, esta capacidade de cálculo pode resultar de uma rede bem afinada de neurónios no cérebro.

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