Почему человеческий мозг лучше воспринимает маленькие числа | Журнал Кванта

Более 150 лет назад экономист и философ Уильям Стэнли Джевонс обнаружил кое-что любопытное, связанное с числом 4. Размышляя о том, как разум воспринимает числа, он бросил пригоршню черных бобов в картонную коробку. Затем, бросив беглый взгляд, он догадался, сколько их было, прежде чем пересчитать их, чтобы определить истинную стоимость. После более чем 1,000 испытаний он увидел четкую закономерность. Когда в коробке было четыре или меньше бобов, он всегда угадывал правильное число. Но для пяти и более бобов его быстрые оценки часто оказывались неверными.

Описание Джевонсом своего эксперимента над собой: опубликованной в природа в 1871, заложили «основу того, как мы думаем о числах», сказал Стивен Пиантадоси, профессор психологии и нейробиологии Калифорнийского университета в Беркли. Это вызвало длительную и непрекращающуюся дискуссию о том, почему существует ограничение на количество предметов, которые мы можем точно определить, присутствующих в наборе.

Теперь, нового исследования in Природа человека приблизился к ответу, взглянув на беспрецедентный взгляд на то, как срабатывают клетки человеческого мозга при воздействии определенных количеств. Результаты исследования показывают, что мозг использует комбинацию двух механизмов, чтобы определить, сколько объектов он видит. Оценивают количества. Второе повышает точность этих оценок, но только для небольших чисел.

«Очень интересно», что результаты связывают давно обсуждаемые идеи с их нейронной основой, сказал Пиантадоси, который не участвовал в исследовании. «В области познания не так уж много вещей, в которых люди смогли бы определить очень правдоподобные биологические основы».

Хотя новое исследование не положило конец дебатам, его результаты начинают распутывать биологическую основу того, как мозг оценивает величины, что может стать основой для более серьезных вопросов о памяти, внимании и даже математике.

Любимое число нейрона

Умение мгновенно оценить количество предметов в наборе не имеет ничего общего со счетом. Человеческие младенцы обладают этим чувством числа еще до того, как они изучают язык. И это касается не только людей: он есть и у обезьян, пчел, рыб, ворон и других животных.

Обезьяна должна уметь быстро оценить количество яблок на дереве, а также сколькими другими обезьянами она конкурирует за эти яблоки. Лев, столкнувшись с другими львами, должен решить, сражаться или бежать. Медоносным пчелам необходимо знать, в какой области больше всего цветов для кормления. У гуппи больше шансов спастись от хищника, если она присоединится к косяку. «Чем больше косяк, тем безопаснее эта маленькая рыбка», — сказал он. Брайан Баттерворт, когнитивный нейробиолог из Университетского колледжа Лондона, который не участвовал в новой работе.

Эта врожденное чувство числа поэтому имеет решающее значение для выживания, увеличивая шансы животного найти пищу, избежать хищников и, в конечном итоге, размножиться. «Для выживания животного просто окупается способность различать числовые величины», — сказал Андреас Нидер, заведующий кафедрой физиологии животных Тюбингенского университета в Германии, который был одним из руководителей нового исследования. Тот факт, что эта способность обнаружена у самых разных животных, от насекомых до человека, позволяет предположить, что она возникла очень давно, а ее нейронная основа интересовала ученых-когнитивистов на протяжении десятилетий.

В 2002 году, когда Нидер работал с нейробиологом Эрл Миллер в Массачусетском технологическом институте в качестве постдокторанта они опубликовали одно из первых доказательств того, что числа связаны с конкретными нейронами. В поведенческом эксперименте на обезьянах они обнаружили, что эти нейроны, расположенные в префронтальной коре головного мозга, где происходит обработка информации более высокого уровня, имеют предпочтительные числа — любимые числа, которые при восприятии заставляют клетки светиться при сканировании мозга.

Например, некоторые нейроны настроены на цифру 3. Когда им предъявляют три объекта, они активируют больше. Другие нейроны настроены на цифру 5 и активируются, когда им предъявлено пять объектов, и так далее. Эти нейроны не привязаны исключительно к своим фаворитам: они также активируют числа, расположенные рядом с ним. (Таким образом, нейрон, настроенный на 5, также срабатывает на четыре и шесть объектов.) Но они делают это не так часто, и по мере того, как представленное число становится все дальше от предпочтительного числа, скорость срабатывания нейронов снижается.

Нидер был взволнован более глубокими вопросами, поднятыми в работе, о развитии математических способностей. Числа приводят к подсчету, а затем к символическому представлению чисел, например арабским цифрам, которые обозначают количества. Эти символические числа лежат в основе арифметики и математики. «Для нас знание того, как числа представлены [в мозгу], закладывает основу для всего, что произойдет позже», — сказал Нидер.

Он продолжал узнавать как можно больше о числовых нейронах. В 2012 году его команда обнаружила, что нейроны реагируют на предпочтительные числа, когда они оценка набора звуков или визуальных элементов. Затем, в 2015 году, они показали, что у ворон тоже есть числовые нейроны. По словам Нидера, демонстрируя «удивительное поведение ворон», птицы могли правильно клевать количество отображаемых им точек или арабских цифр.

Однако никто не идентифицировал число нейронов у человека. Это потому, что изучать человеческий мозг чрезвычайно сложно: ученые обычно не могут этически оценить его деятельность в экспериментах, пока люди живы. Инструменты визуализации мозга не обладают разрешением, необходимым для различения отдельных нейронов, и само по себе научное любопытство не может оправдать имплантацию инвазивных электродов в мозг.

Чтобы заглянуть в живой мозг, Нидеру нужно было найти пациентов, у которых уже были имплантаты электродов и которые согласились бы принять участие в его исследовании. В 2015 году он обратился Флориан Морманн — руководитель группы когнитивной и клинической нейрофизиологии в Боннском университете, который является одним из немногих клиницистов в Германии, который проводит записи отдельных клеток у пациентов-людей, — чтобы посмотреть, присоединится ли он и его пациенты к поиску Нидера числовых нейронов человека. . Морманн согласился, и их команды приступили к изучению активности мозга его пациентов с эпилепсией, которым ранее были имплантированы электроды для улучшения медицинского обслуживания.

Девять пациентов производили простые вычисления в уме, в то время как исследователи записывали активность их мозга. Конечно же, согласно данным Нидера и Морманна увидел, как нейроны стреляют для их предпочтительных чисел — впервые числовые нейроны были идентифицированы в человеческом мозге. Они опубликовали свои выводы в Нейрон в 2018 году.

Нейробиологи, конечно, стремятся понять собственный разум, говорит Нидер, и поэтому «обнаружение таких нейронов в человеческом мозге чрезвычайно полезно».

Числовой порог

Чтобы продолжить свои поиски, Нидер и Морманн начали новое исследование, чтобы выяснить, как нейроны представляют нечетные и четные числа. Исследователи набрали 17 пациентов с эпилепсией и показали им на экранах компьютеров вспышки точек в количестве от одной до девяти. Участники указывали, видели ли они нечетное или четное число, в то время как электроды записывали активность их мозга.

В течение следующих нескольких месяцев, когда Эстер Каттер, аспирантка, обучавшаяся у Нидера, анализировала полученные данные, она увидела четкую закономерность — как раз вокруг числа 4.

Данные, которые включали 801 запись срабатывания одиночных нейронов, показали две различные нейронные сигнатуры: одну для малых чисел и одну для больших. Выше числа 4 срабатывание нейронов на желаемое число становилось все менее точным, и они ошибочно срабатывали на числа, близкие к предпочтительному. Но при 4 и ниже нейроны сработали точно — с одинаковой небольшой ошибкой независимо от того, сработали ли они по одному, двум, трем или четырем объектам. Осечки в ответ на другие цифры практически отсутствовали.

Это удивило Нидера. Ранее он не видел этой границы в своих исследованиях на животных: эти эксперименты включали числа только до 5. Он не ставил перед собой задачу проверить наблюдения Джевонса и не ожидал увидеть, что нейронная граница подтвердит результаты поведенческих исследований. . До этого момента он был убежден, что у мозга есть только один механизм оценки чисел — континуум, который становится все более размытым по мере того, как числа поднимаются выше.

Новые данные изменили это для него. «Эта граница проявляется по-разному», — сказал Нидер. Нейронные паттерны позволили предположить, что существует дополнительный механизм, который подавляет нейроны меньшего числа, реагирующие на неправильные числа.

Пиантадоси и Серж Дюмулен, директор Центра нейровизуализации Спинозы в Амстердаме, ранее опубликовал обе статьи, подтверждающие идею о том, что только один механизм управляет нейронной интерпретацией чисел. И все же они были поражены новыми данными Нидера и Морманна, показывающими, что на самом деле существуют два отдельных механизма.

Это «реальное подтверждение того, что большие и малые числа имеют разные нейронные сигнатуры», — сказал Пиантадоси. Но он предупредил, что в результате одного процесса могут возникнуть две сигнатуры; вопрос о том, следует ли его описывать как один механизм или как два, все еще остается предметом споров.

«Это просто прекрасно», — сказал Дюмулен. «Такие данные были недоступны, и уж точно не у людей».

Однако остается еще одна серьезная неопределенность. Исследователи не изучали префронтальную или теменную кору головного мозга, где у обезьян расположено большинство числовых нейронов. Вместо этого, из-за того, куда были вставлены электроды пациентов, исследование было сосредоточено на медиальной височной доле, которая участвует в памяти. «Это не первое место в человеческом мозге, которое нужно исследовать, чтобы понять числа», — сказал Нидер. «С другой стороны, медиальная височная доля — тоже не самое худшее место для поиска таких нейронов».

Это потому, что медиальная височная доля связана с чувством числа. Он активен, когда дети изучают вычисления и таблицу умножения, и тесно связан с областями, где, как считается, лежат числовые нейроны, сказал Нидер.

«Непонятно, почему числовые нейроны присутствуют в этой области», — сказал Баттерворт. «То, что, по нашему мнению, было характерно для теменной доли, похоже, отражается и в частях медиальной височной доли».

Одна из возможностей состоит в том, что это вообще не числовые нейроны. Педро Пиньейру-Шагас, доцент кафедры неврологии Калифорнийского университета в Сан-Франциско, считает, что вместо этого это могут быть концептуальные нейроны, которые расположены в медиальной височной доле и каждый из которых связан с конкретными понятиями. Например, одно известное исследование обнаружило концептуальный нейрон, который прямо и конкретно реагировал на изображения актрисы Дженнифер Энистон. «Может быть, они не находят механизмы чувства числа. … Возможно, они находят концептуальные ячейки, которые также применимы к числам», — сказал Пиньейру-Шагас. «Поскольку у вас есть понятие «Дженнифер Энистон», у вас может быть понятие «три».

Уровень анализа «просто выдающийся», сказал Маринелла Каппеллетти, когнитивный нейробиолог из Голдсмитса Лондонского университета. Исследователи предоставляют «убедительные доказательства» двойных механизмов в медиальной височной доле. Однако она считает, что было бы полезно посмотреть, работают ли эти механизмы и в других областях мозга, если представится такая возможность.

«Я воспринимаю эти результаты как взгляд в окно», — сказал Каппеллетти. «Было бы неплохо раскрыть эту тему немного подробнее и рассказать нам больше об остальной части мозга».

Есть что-то около 4

Новые результаты имеют явные параллели с ограничениями рабочей памяти. Люди могут одновременно удерживать в своем сознании или рабочей памяти только определенное количество объектов. Эксперименты показывают, что число также равно 4.

Согласие между границей чувства числа и рабочей памятью «трудно игнорировать», сказал Каппеллетти.

Возможно, механизмы связаны. В предыдущих исследованиях чувства числа, когда участники переставали обращать внимание, они теряли способность точно судить об истинном значении чисел 4 и ниже. Это говорит о том, что система малых чисел, которая подавляет соседние осечки с небольшими числами, может быть тесно связана с вниманием.

Нидер теперь выдвигает гипотезу, что система малых чисел включается только тогда, когда вы обращаете внимание на то, что находится перед вами. Он надеется проверить эту идею на обезьянах, а также найти нейронную границу на уровне 4, которую их эксперименты еще не уловили.

По словам Пиньейру-Шагаса, новое исследование «кажется началом нового скачка» в нашем понимании восприятия чисел, которое может иметь полезные применения. Он надеется, что это станет пищей для дискуссий в области математического образования и даже искусственного интеллекта, который борется с восприятием числа. Большие языковые модели «довольно плохо умеют считать». Они довольно плохо понимают количества», — сказал он.

Более точная характеристика числовых нейронов также может помочь нам понять, кто мы такие. Представление чисел является второй по величине символьной системой человека после языковой системы. Люди используют числа часто и по-разному, и мы и наши предки использовали математику для описания мира на протяжении тысячелетий. В этом смысле математика является фундаментальной частью человеческого бытия.

И, как показывает это исследование, все это вычислительное мастерство может быть обусловлено тонко настроенной сетью нейронов в мозге.

Quanta проводит серию опросов, чтобы лучше обслуживать нашу аудиторию. Возьми наш опрос читателей по биологии и вы будете участвовать в бесплатном выигрыше Quanta товар.