Varför den mänskliga hjärnan uppfattar små tal bättre | Quanta Magazine

För mer än 150 år sedan upptäckte ekonomen och filosofen William Stanley Jevons något märkligt med siffran 4. Medan han funderade över hur sinnet uppfattar siffror, slängde han en handfull svarta bönor i en kartong. Sedan, efter en flyktig blick, gissade han hur många det var innan han räknade dem för att registrera det verkliga värdet. Efter mer än 1,000 XNUMX försök såg han ett tydligt mönster. När det var fyra eller färre bönor i lådan gissade han alltid rätt antal. Men för fem bönor eller fler var hans snabba uppskattningar ofta felaktiga.

Jevons beskrivning av sitt självexperiment, som publicerades i Natur i 1871, satte "grunden för hur vi tänker om siffror", sa Steven Piantadosi, professor i psykologi och neurovetenskap vid University of California, Berkeley. Det utlöste en långvarig och pågående debatt om varför det verkar finnas en gräns för antalet föremål som vi exakt kan bedöma är närvarande i en uppsättning.

Nu, en ny studie in Natur Mänskligt beteende har kommit närmare ett svar genom att ta en aldrig tidigare skådad titt på hur mänskliga hjärnceller eldas när de presenteras med vissa kvantiteter. Dess resultat tyder på att hjärnan använder en kombination av två mekanismer för att bedöma hur många föremål den ser. Man uppskattar mängder. Den andra skärper noggrannheten i dessa uppskattningar - men bara för små siffror.

Det är "mycket spännande" att fynden kopplar länge omdebatterade idéer till deras neurala fundament, säger Piantadosi, som inte var involverad i studien. "Det finns inte många saker i kognition där människor har kunnat peka ut mycket rimliga biologiska grunder."

Även om den nya studien inte avslutar debatten, börjar resultaten att reda ut den biologiska grunden för hur hjärnan bedömer kvantiteter, vilket kan informera större frågor om minne, uppmärksamhet och till och med matematik.

En neurons favoritnummer

Möjligheten att omedelbart bedöma antalet föremål i en uppsättning har inget med räkning att göra. Mänskliga spädbarn har denna talkänsla redan innan de lär sig språk. Och det är inte begränsat till människor: apor, bin, fiskar, kråkor och andra djur har det också.

En apa måste snabbt kunna bedöma antalet äpplen i ett träd, och även hur många andra apor den tävlar mot om dessa äpplen. Ett lejon måste, när det konfronteras med andra lejon, bestämma om det ska slåss eller fly. Honungsbin behöver veta vilket område som har flest blommor för födosök. En guppy har bättre chanser att fly från ett rovdjur om den går med i ett stim. "Ju större stim, desto säkrare är den lilla fisken," sa Brian Butterworth, en kognitiv neuroforskare vid University College London som inte var involverad i det nya arbetet.

Denna medfödd talkänsla är därför avgörande för överlevnad, vilket ökar ett djurs chanser att hitta mat, undvika rovdjur och i slutändan föröka sig. "Det lönar sig helt enkelt för ett djurs överlevnad att kunna särskilja numeriska kvantiteter," sa Andreas Nieder, professuren i djurfysiologi vid universitetet i Tübingen i Tyskland, som medledde den nya studien. Det faktum att denna förmåga finns hos olika djur, från insekter till människor, tyder på att den uppstod för länge sedan, och dess neurala grund har intresserat kognitiva forskare i årtionden.

2002, när Nieder arbetade med neuroforskaren Earl Miller vid Massachusetts Institute of Technology som postdoktor publicerade de ett av de första bevisen för att siffror är kopplat till specifika neuroner. I ett beteendeexperiment med apor fann de att dessa neuroner, som är belägna i den prefrontala cortex där bearbetning på högre nivå äger rum, har föredragna siffror - favoritnummer som, när de uppfattas, får cellerna att lysa upp i hjärnskanningar.

Till exempel är vissa neuroner inställda på siffran 3. När de presenteras med tre föremål avfyrar de mer. Andra neuroner är inställda på siffran 5 och avfyrar när de presenteras med fem föremål, och så vidare. Dessa neuroner är inte uteslutande engagerade i sina favoriter: De skjuter också för nummer som gränsar till den. (Så neuronen inställd på 5 avfyrar också för fyra och sex objekt.) Men de gör det inte så ofta, och när det presenterade talet kommer längre bort från det föredragna talet, minskar neuronernas avfyrningshastighet.

Nieder var entusiastisk över de djupare frågor som arbetet presenterade om utvecklingen av matematisk förmåga. Siffror leder till räkning och sedan till symboliska talrepresentationer, till exempel arabiska siffror som står för kvantiteter. Dessa symboliska siffror stödjer aritmetik och matematik. "För oss att veta hur siffror representeras [i hjärnan] lägger grunden för allt som kommer senare," sa Nieder.

Han fortsatte med att lära sig så mycket han kunde om antal neuroner. 2012 upptäckte hans team att nervcellerna svarar på sina föredragna siffror när de är uppskatta en uppsättning av ljud eller visuella föremål. Sedan, 2015, visade de det kråkor har också antal neuroner. I en show av "fantastiskt kråkbeteende", sa Nieder, kunde fåglarna korrekt hacka antalet prickar eller arabiska siffror som visades för dem.

Ingen hade dock identifierat antal neuroner hos människor. Det beror på att det är notoriskt svårt att studera den mänskliga hjärnan: Forskare kan vanligtvis inte komma åt dess aktivitet etiskt i experiment medan människor lever. Hjärnavbildningsverktyg har inte den upplösning som behövs för att särskilja enskilda neuroner, och vetenskaplig nyfikenhet ensam kan inte motivera implantering av invasiva elektroder i hjärnan.

För att titta in i en levande hjärna behövde Nieder hitta patienter som redan hade elektrodimplantat och som skulle samtycka till att vara en del av hans forskning. 2015 tog han kontakt Florian Mormann — chefen för den kognitiva och kliniska neurofysiologigruppen vid universitetet i Bonn, som är en av få läkare i Tyskland som gör encellsinspelningar på mänskliga patienter — för att se om han och hans patienter skulle gå med i Nieders sökande efter mänskliga antal neuroner . Mormann sa ja, och deras team började arbeta med att undersöka hjärnaktiviteten hos hans epilepsipatienter, som tidigare hade fått elektroder inopererade för att förbättra sin medicinska vård.

Nio patienter gjorde enkla beräkningar i huvudet medan forskare registrerade deras hjärnaktivitet. Visst nog, i uppgifterna, Nieder och Mormann såg nervceller skjuta för deras föredragna antal — första gången antal neuroner hade identifierats i den mänskliga hjärnan. De publicerade sina resultat i Neuron i 2018.

Neuroforskare drivs naturligtvis att förstå sitt eget sinne, sa Nieder, och så "att hitta sådana neuroner i den mänskliga hjärnan är extremt givande."

En numerisk tröskel

För att fortsätta sin strävan lanserade Nieder och Mormann en ny studie för att ta reda på hur nervcellerna representerar udda och jämna tal. Forskarna rekryterade 17 epilepsipatienter och visade dem blixtar av prickar, från ett till nio, på datorskärmar. Deltagarna angav om de såg ett udda eller jämnt tal medan elektroder registrerade deras hjärnaktivitet.

Under de närmaste månaderna, när Esther Kutter, en doktorand som studerar med Nieder, analyserade de resulterande uppgifterna, såg hon ett tydligt mönster dyka upp - precis runt siffran 4.

Data, som omfattade 801 inspelningar av enstaka neuroner som avfyrades, visade två distinkta neurala signaturer: en för små antal och en för stora. Ovanför siffran 4 växte neuronernas avfyring för deras föredragna antal gradvis mindre exakt, och de avfyrade felaktigt för nummer nära det föredragna. Men för 4 och under sköt nervcellerna exakt - med samma lilla mängd fel oavsett om de sköt för ett, två, tre eller fyra objekt. Misständningen som svar på andra siffror var i stort sett frånvarande.

Detta förvånade Nieder. Han hade inte tidigare sett denna gräns i sina djurstudier: dessa experiment hade endast inkluderat siffror upp till 5. Han hade inte tänkt undersöka Jevons observation, och han förväntade sig inte heller att se en neural gräns bekräfta vad beteendestudier hade funnit . Fram till den punkten hade han varit övertygad om att hjärnan bara hade en mekanism för att bedöma siffror - ett kontinuum som blev suddigare ju högre siffrorna klättrade.

De nya uppgifterna ändrade det för honom. "Den här gränsen dök ut på olika sätt," sa Nieder. De neurala mönstren antydde att det finns en ytterligare mekanism som undertrycker mindre antal neuroner från att skjuta för fel nummer.

Piantadosi och Serge Dumoulin, chefen för Spinoza Center for Neuroimaging i Amsterdam, hade båda tidigare publicerat artiklar som stöder tanken att endast en mekanism hanterar neuronal tolkning av tal. Ändå slogs de av Nieder och Mormanns nya data som visar att det faktiskt finns två separata mekanismer.

Det är "verklig validering att stora och små antal har olika neurala signaturer," sade Piantadosi. Men han varnade för att två signaturer kan uppstå från en enda process; huruvida det ska beskrivas som en eller två mekanismer är fortfarande uppe för debatt.

"Det här är bara vackert," sa Dumoulin. "Den här typen av data var inte tillgänglig och absolut inte hos människor."

Ännu en stor osäkerhet kvarstår dock. Forskarna studerade inte de prefrontala eller parietala cortexerna, där majoriteten av antalet neuroner finns i apor. Istället, på grund av var patientens elektroder sattes in, fokuserade studien på den mediala temporalloben, som är involverad i minnet. Det är inte det första stället i den mänskliga hjärnan du skulle undersöka för att förstå siffror, sa Nieder. "Å andra sidan är den mediala temporalloben inte heller det värsta stället att leta efter sådana neuroner."

Det beror på att den mediala temporalloben är kopplad till talkänsla. Det är aktivt när barn lär sig beräkningar och multiplikationstabeller, och det är intimt kopplat till regioner där antal neuroner tros ligga, sa Nieder.

Det är inte klart varför antalet neuroner finns i denna region, sa Butterworth. "De saker som vi trodde var specifika för parietalloben verkar återspeglas också i delar av den mediala temporalloben."

En möjlighet är att dessa inte alls är nummerneuroner. Pedro Pinheiro-Chagas, en biträdande professor i neurologi vid University of California, San Francisco, tror att dessa istället kan vara konceptneuroner, som finns i den mediala temporalloben och var och en är kopplade till specifika begrepp. Till exempel fann en berömd studie ett konceptneuron som reagerade direkt och specifikt på bilder av skådespelaren Jennifer Aniston. "Kanske de inte hittar mekanismerna för sifferkänslan. ... Kanske de hittar konceptceller som också tillämpas på siffror, säger Pinheiro-Chagas. "Som du har begreppet 'Jennifer Aniston', kan du ha begreppet 'tre'."

Analysnivån är "bara riktigt enastående", sa Marinella Cappelletti, en kognitiv neuroforskare vid Goldsmiths, University of London. Forskarna ger "övertygande bevis" för dubbla mekanismer i den mediala temporalloben. Hon tror dock att det skulle vara värdefullt att se om dessa mekanismer fungerar i andra hjärnregioner också, om möjligheten finns.

"Jag ser dessa fynd som att titta in i ett fönster," sa Cappelletti. "Det skulle vara trevligt att öppna upp det lite mer och berätta mer om resten av hjärnan."

Det är något om 4

De nya rönen har tydliga paralleller till arbetsminnets begränsningar. Människor kan bara hålla ett visst antal föremål i sin medvetenhet, eller arbetsminne, samtidigt. Experiment visar att siffran också är 4.

Överensstämmelsen mellan gränsen för talkänsla och arbetsminnets gräns är "svår att ignorera", sa Cappelletti.

Det är möjligt att mekanismerna är relaterade. I tidigare studier av talkänsla, när en deltagare slutade uppmärksamma, förlorade de sin förmåga att exakt bedöma det verkliga värdet av nummer 4 och lägre. Det tyder på att systemet med små siffror, som undertrycker närliggande felavfyrningar med små siffror, kan vara intimt knutet till uppmärksamhet.

Nieder antar nu att systemet med små siffror bara aktiveras när du är uppmärksam på vad som finns framför dig. Han hoppas kunna testa denna idé i apor, förutom att leta efter en neural gräns vid 4 som deras experiment ännu inte har fångat.

Den nya forskningen "tycks vara början på ett nytt språng" i vår förståelse av taluppfattning, sa Pinheiro-Chagas, som kan ha användbara tillämpningar. Han hoppas att det ska bli foder för diskussioner inom matematikundervisningen och till och med artificiell intelligens, som kämpar med taluppfattning. Stora språkmodeller är ”ganska dåliga på att räkna. De är ganska dåliga på att förstå kvantiteter”, sa han.

Bättre karakterisering av antal neuroner kan också hjälpa oss att förstå vilka vi är. Vid sidan av språksystemet är sifferrepresentation människors näst största symbolsystem. Människor använder siffror ofta och på en mängd olika sätt, och vi och våra förfäder har använt matematik för att beskriva världen i årtusenden. I den meningen är matematik en grundläggande del av att vara människa.

Och, som den här studien börjar visa, kan denna beräkningsförmåga alla härröra från ett finjusterat nätverk av neuroner i hjärnan.

Quanta genomför en serie undersökningar för att bättre betjäna vår publik. Ta vår biologi läsarundersökning och du kommer att delta för att vinna gratis Quanta handelsvaror.