Tại sao bộ não con người nhận biết những con số nhỏ tốt hơn | Tạp chí Quanta

Hơn 150 năm trước, nhà kinh tế học và triết học William Stanley Jevons đã khám phá ra điều gì đó gây tò mò về con số 4. Trong khi suy ngẫm về cách trí óc hình dung các con số, ông đã ném một nắm đậu đen vào hộp các tông. Sau đó, sau khi liếc nhìn thoáng qua, anh đoán được có bao nhiêu, trước khi đếm chúng để ghi lại giá trị thực. Sau hơn 1,000 lần thử nghiệm, anh đã nhìn thấy một mô hình rõ ràng. Khi có bốn hạt đậu trở xuống trong hộp, anh ấy luôn đoán đúng số. Nhưng với năm hạt đậu trở lên, những ước tính nhanh chóng của ông thường không chính xác.

Mô tả của Jevons về cuộc tự thí nghiệm của ông, xuất bản năm Thiên nhiên trong 1871, thiết lập “nền tảng cho cách chúng ta nghĩ về các con số,” cho biết Steven Piantadosi, giáo sư tâm lý học và khoa học thần kinh tại Đại học California, Berkeley. Nó đã gây ra một cuộc tranh luận kéo dài và liên tục về lý do tại sao dường như có giới hạn về số lượng vật phẩm mà chúng ta có thể đánh giá chính xác có mặt trong một bộ.

Bây giờ, một nghiên cứu mới in Hành vi của con người đã tiến gần hơn đến câu trả lời bằng cách xem xét chưa từng có về cách các tế bào não của con người hoạt động khi tiếp xúc với số lượng nhất định. Những phát hiện của nó cho thấy bộ não sử dụng sự kết hợp của hai cơ chế để đánh giá xem nó nhìn thấy bao nhiêu vật thể. Một ước tính số lượng. Cách thứ hai nâng cao độ chính xác của những ước tính đó - nhưng chỉ với những con số nhỏ.

Piantadosi, người không tham gia vào nghiên cứu, cho biết thật “rất thú vị” khi những phát hiện này kết nối những ý tưởng đã được tranh luận lâu dài với nền tảng thần kinh của chúng. “Không có nhiều thứ trong nhận thức mà con người có thể xác định được nền tảng sinh học hợp lý.”

Mặc dù nghiên cứu mới không kết thúc cuộc tranh luận, nhưng những phát hiện này bắt đầu làm sáng tỏ cơ sở sinh học về cách não đánh giá số lượng, từ đó có thể đưa ra những câu hỏi lớn hơn về trí nhớ, sự chú ý và thậm chí cả toán học.

Con số yêu thích của nơ-ron

Khả năng đánh giá ngay lập tức số lượng vật phẩm trong một bộ không liên quan gì đến việc đếm. Trẻ sơ sinh có khả năng nhận biết số này ngay cả trước khi chúng học ngôn ngữ. Và nó không chỉ giới hạn ở con người: Khỉ, ong, cá, quạ và các động vật khác cũng có nó.

Một con khỉ cần có khả năng phán đoán nhanh chóng số lượng táo trên cây cũng như có bao nhiêu con khỉ khác đang cạnh tranh để giành những quả táo đó. Một con sư tử, khi đối đầu với những con sư tử khác, phải quyết định nên chiến đấu hay bỏ chạy. Ong mật cần biết khu vực nào có nhiều hoa nhất để tìm kiếm thức ăn. Cá bảy màu có cơ hội thoát khỏi kẻ săn mồi tốt hơn nếu nó tham gia vào đàn. “Bãi cạn càng lớn thì cá nhỏ càng an toàn”, ông nói. Brian Butterworth, một nhà khoa học thần kinh nhận thức tại Đại học College London, người không tham gia vào nghiên cứu mới.

T ý thức số bẩm sinh do đó rất quan trọng đối với sự sống còn, tăng cơ hội tìm kiếm thức ăn của động vật, tránh những kẻ săn mồi và cuối cùng là sinh sản. “Việc có thể phân biệt các đại lượng bằng số chỉ đơn giản là mang lại lợi ích cho sự sống sót của một loài động vật,” nói. Andreas Nieder, trưởng khoa sinh lý động vật tại Đại học Tübingen ở Đức, người đồng chủ trì nghiên cứu mới. Việc khả năng này được tìm thấy ở nhiều loài động vật khác nhau, từ côn trùng đến con người, cho thấy rằng nó đã xuất hiện từ lâu và cơ sở thần kinh của nó đã khiến các nhà khoa học nhận thức quan tâm trong nhiều thập kỷ.

Năm 2002, khi Nieder đang làm việc với nhà thần kinh học Earl miller tại Viện Công nghệ Massachusetts với tư cách là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ, họ đã công bố một trong những bằng chứng đầu tiên cho thấy các con số liên kết với các tế bào thần kinh cụ thể. Trong một thí nghiệm về hành vi sử dụng khỉ, họ phát hiện ra rằng những tế bào thần kinh này, nằm ở vỏ não trước trán, nơi diễn ra quá trình xử lý ở cấp độ cao hơn, có những con số ưa thích - những con số yêu thích mà khi được nhận biết sẽ khiến các tế bào sáng lên khi quét não.

Ví dụ, một số tế bào thần kinh được điều chỉnh theo số 3. Khi chúng nhìn thấy ba đồ vật, chúng sẽ bắn ra nhiều hơn. Các tế bào thần kinh khác được điều chỉnh theo số 5 và phát sáng khi nhìn thấy năm đồ vật, v.v. Những tế bào thần kinh này không chỉ dành riêng cho những mục yêu thích của chúng: Chúng cũng kích hoạt những số liền kề với nó. (Vì vậy, tế bào thần kinh được điều chỉnh đến 5 cũng kích hoạt bốn và sáu vật thể.) Nhưng chúng không làm điều đó thường xuyên và khi con số được trình bày càng xa con số ưa thích, tốc độ kích hoạt của tế bào thần kinh sẽ giảm.

Nieder rất phấn khích trước những câu hỏi sâu sắc hơn mà tác phẩm đưa ra về sự phát triển khả năng toán học. Các con số dẫn đến việc đếm và sau đó là cách biểu diễn số mang tính biểu tượng, chẳng hạn như chữ số Ả Rập đại diện cho số lượng. Những con số tượng trưng đó củng cố số học và toán học. “Đối với chúng tôi, việc biết các con số được biểu diễn như thế nào [trong não] đang đặt nền tảng cho mọi thứ sau này,” Nieder nói.

Anh ấy tiếp tục tìm hiểu càng nhiều càng tốt về các nơ-ron số. Vào năm 2012, nhóm của ông đã phát hiện ra rằng các tế bào thần kinh phản ứng với số lượng ưa thích của chúng khi chúng ước tính một bộ của âm thanh hoặc các vật phẩm trực quan. Sau đó, vào năm 2015, họ đã cho thấy rằng Quạ cũng có số lượng tế bào thần kinh. Nieder cho biết, trong màn trình diễn “hành vi đáng kinh ngạc của loài quạ”, những con chim có thể mổ chính xác số chấm hoặc số Ả Rập được hiển thị cho chúng.

Tuy nhiên, chưa ai xác định được số lượng tế bào thần kinh ở người. Đó là bởi vì việc nghiên cứu bộ não con người nổi tiếng là khó khăn: Các nhà khoa học thường không thể tiếp cận hoạt động của nó một cách có đạo đức trong các thí nghiệm khi con người còn sống. Các công cụ chụp ảnh não không có độ phân giải cần thiết để phân biệt từng tế bào thần kinh và chỉ riêng sự tò mò về mặt khoa học không thể biện minh cho việc cấy các điện cực xâm lấn vào não.

Để quan sát một bộ não sống, Nieder cần tìm những bệnh nhân đã được cấy ghép điện cực và những người đồng ý tham gia nghiên cứu của ông. Năm 2015, anh liên hệ Florian Mormann – người đứng đầu nhóm sinh lý thần kinh lâm sàng và nhận thức tại Đại học Bonn, một trong số ít bác sĩ lâm sàng ở Đức thực hiện ghi lại tế bào đơn ở bệnh nhân người – để xem liệu ông và các bệnh nhân của mình có tham gia cuộc tìm kiếm số lượng nơ-ron ở người của Nieder hay không . Mormann đồng ý, và nhóm của họ bắt tay vào kiểm tra hoạt động não của các bệnh nhân động kinh của ông, những người trước đây đã được cấy điện cực để cải thiện việc chăm sóc y tế cho họ.

Chín bệnh nhân thực hiện những phép tính đơn giản trong đầu trong khi các nhà nghiên cứu ghi lại hoạt động não của họ. Chắc chắn rồi, trong dữ liệu, Nieder và Mormann thấy các tế bào thần kinh hoạt động cho những con số ưa thích của họ - lần đầu tiên các nơ-ron số được xác định trong não người. Họ đã công bố phát hiện của họ trong Thần kinh tế bào 2018.

Nieder nói, tất nhiên, các nhà khoa học thần kinh luôn muốn hiểu được tâm trí của chính họ và vì vậy “việc tìm thấy những tế bào thần kinh như vậy trong não người là điều vô cùng bổ ích”.

Ngưỡng số

Để tiếp tục nghiên cứu của mình, Nieder và Mormann đã thực hiện một nghiên cứu mới để tìm hiểu làm thế nào các tế bào thần kinh biểu thị số lẻ và số chẵn. Các nhà nghiên cứu đã tuyển 17 bệnh nhân động kinh và cho họ xem những chấm nhấp nháy, có số lượng từ một đến chín, trên màn hình máy tính. Những người tham gia cho biết họ nhìn thấy số lẻ hay số chẵn trong khi các điện cực ghi lại hoạt động não của họ.

Trong vài tháng tiếp theo, khi Esther Kutter, một sinh viên tốt nghiệp học cùng Nieder, phân tích dữ liệu thu được, cô thấy một mô hình rõ ràng xuất hiện - ngay xung quanh con số 4.

Dữ liệu, bao gồm 801 bản ghi hoạt động của các nơ-ron đơn lẻ, cho thấy hai dấu hiệu thần kinh riêng biệt: một cho số nhỏ và một cho số lớn. Trên con số 4, việc kích hoạt các nơ-ron cho con số ưa thích của chúng dần dần trở nên kém chính xác hơn và chúng kích hoạt nhầm những con số gần với con số ưa thích. Nhưng đối với cấp độ 4 trở xuống, các tế bào thần kinh bắn một cách chính xác - với cùng một lượng lỗi nhỏ cho dù bắn vào một, hai, ba hay bốn vật thể. Việc đánh lửa sai để đáp ứng với các con số khác hầu như không có.

Điều này khiến Nieder ngạc nhiên. Trước đây anh ấy chưa từng nhìn thấy ranh giới này trong các nghiên cứu trên động vật của mình: Những thí nghiệm đó chỉ bao gồm các số lên tới 5. Anh ấy chưa bắt đầu thăm dò quan sát của Jevons, và anh ấy cũng không mong đợi thấy ranh giới thần kinh xác nhận những gì nghiên cứu hành vi đã tìm thấy . Cho đến thời điểm đó, anh đã bị thuyết phục rằng bộ não chỉ có một cơ chế duy nhất để đánh giá các con số - một cơ chế liên tục càng trở nên mờ nhạt hơn khi các con số càng tăng cao.

Dữ liệu mới đã thay đổi điều đó đối với anh ấy. Nieder nói: “Ranh giới này xuất hiện theo những cách khác nhau. Các mô hình thần kinh gợi ý rằng có một cơ chế bổ sung nhằm ngăn chặn các nơ-ron số lượng nhỏ hơn kích hoạt sai số.

Piantadosi và Serge Dumoulin, giám đốc Trung tâm hình ảnh thần kinh Spinoza ở Amsterdam, đã có cả hai bài báo được xuất bản trước đây ủng hộ ý tưởng rằng chỉ có một cơ chế quản lý việc giải thích các con số ở nơ-ron thần kinh. Tuy nhiên, họ bị ấn tượng bởi dữ liệu mới của Nieder và Mormann cho thấy trên thực tế có hai cơ chế riêng biệt.

Piantadosi nói: “Sự xác thực thực sự là số lớn và số nhỏ có dấu hiệu thần kinh khác nhau”. Nhưng ông cảnh báo rằng hai chữ ký có thể xuất hiện từ một quy trình duy nhất; liệu nó nên được mô tả như một hay hai cơ chế vẫn còn đang tranh luận.

“Điều này thật đẹp,” Dumoulin nói. “Loại dữ liệu này không có sẵn và chắc chắn không có ở người.”

Tuy nhiên, vẫn còn một điều không chắc chắn lớn nữa. Các nhà nghiên cứu đã không nghiên cứu vỏ não trước trán hoặc vỏ não, nơi phần lớn số lượng tế bào thần kinh nằm ở khỉ. Thay vào đó, do vị trí các điện cực của bệnh nhân được lắp vào nên nghiên cứu tập trung vào thùy thái dương trong, có liên quan đến trí nhớ. Nieder cho biết đây không phải là nơi đầu tiên trong bộ não con người bạn nghiên cứu để hiểu các con số. “Mặt khác, thùy thái dương giữa cũng không phải là nơi tồi tệ nhất để tìm kiếm những tế bào thần kinh như vậy.”

Đó là bởi vì thùy thái dương trong có liên quan đến cảm giác số. Nieder cho biết, nó hoạt động khi trẻ học các phép tính và bảng cửu chương, đồng thời nó được kết nối mật thiết với các vùng mà các nơ-ron số được cho là nằm ở đó.

Butterworth cho biết vẫn chưa rõ tại sao số lượng nơ-ron lại hiện diện ở khu vực này. “Những điều mà chúng tôi nghĩ là đặc trưng của thùy đỉnh dường như cũng được phản ánh ở các phần của thùy thái dương giữa.”

Một khả năng là đây không phải là số lượng nơ-ron. Pedro Pinheiro-Chagas, trợ lý giáo sư thần kinh học tại Đại học California, San Francisco, cho rằng thay vào đó, đây có thể là các tế bào thần kinh khái niệm, nằm ở thùy thái dương giữa và mỗi tế bào được liên kết với các khái niệm cụ thể. Ví dụ, một nghiên cứu nổi tiếng đã phát hiện ra một nơ-ron khái niệm phản ứng trực tiếp và cụ thể với hình ảnh của diễn viên Jennifer Aniston. “Có lẽ họ chưa tìm ra cơ chế của ý nghĩa con số. … Có lẽ họ đang tìm kiếm các ô khái niệm cũng được áp dụng cho các con số,” Pinheiro-Chagas nói. “Như bạn có khái niệm về 'Jennifer Aniston', bạn có thể có khái niệm về 'ba'."

Mức độ phân tích “thực sự xuất sắc”, cho biết Marinella Cappelletti, một nhà khoa học thần kinh nhận thức tại Goldsmiths, Đại học London. Các nhà nghiên cứu cung cấp “bằng chứng thuyết phục” về cơ chế kép ở thùy thái dương giữa. Tuy nhiên, cô cho rằng sẽ rất có giá trị nếu xem liệu các cơ chế này có hoạt động ở các vùng não khác hay không nếu có cơ hội.

Cappelletti nói: “Tôi thấy những phát hiện này giống như đang nhìn vào một cửa sổ. “Sẽ thật tuyệt nếu mở nó ra thêm một chút và cho chúng tôi biết thêm về phần còn lại của bộ não.”

Có Điều Gì Đó Về 4

Những phát hiện mới này có sự tương đồng rõ ràng với những hạn chế của trí nhớ làm việc. Mọi người chỉ có thể lưu giữ một số lượng đối tượng nhất định trong nhận thức hoặc trí nhớ ngắn hạn của họ cùng một lúc. Thí nghiệm cho thấy con số đó cũng là 4.

Cappelletti cho biết, sự thống nhất giữa ranh giới của ý nghĩa số và ranh giới của trí nhớ làm việc là “khó có thể bỏ qua”.

Có thể các cơ chế có liên quan. Trong các nghiên cứu trước đây về ý nghĩa số, khi một người tham gia ngừng chú ý, họ sẽ mất khả năng đánh giá chính xác giá trị thực của các số từ 4 trở xuống. Điều đó cho thấy rằng hệ thống số nhỏ, giúp ngăn chặn các lỗi xảy ra liền kề với số lượng nhỏ, có thể có mối liên hệ mật thiết với sự chú ý.

Nieder hiện đưa ra giả thuyết rằng hệ thống số nhỏ chỉ hoạt động khi bạn chú ý đến những gì ở phía trước mình. Anh ấy hy vọng có thể thử nghiệm ý tưởng này ở khỉ, ngoài việc tìm kiếm ranh giới thần kinh ở tuổi 4 mà thí nghiệm của họ vẫn chưa nắm bắt được.

Pinheiro-Chagas cho biết, nghiên cứu mới “dường như là sự khởi đầu cho một bước nhảy vọt mới” trong hiểu biết của chúng ta về nhận thức về con số, có thể có những ứng dụng hữu ích. Ông hy vọng nó sẽ là đề tài thảo luận trong lĩnh vực giáo dục toán học và thậm chí cả trí tuệ nhân tạo, lĩnh vực đang gặp khó khăn với nhận thức về số lượng. Các mô hình ngôn ngữ lớn “khá tệ trong việc đếm. Họ khá tệ trong việc hiểu số lượng,” ông nói.

Việc mô tả đặc điểm tốt hơn của các nơ-ron số cũng có thể giúp chúng ta hiểu mình là ai. Bên cạnh hệ thống ngôn ngữ, biểu diễn số là hệ thống ký hiệu lớn thứ hai của con người. Mọi người sử dụng các con số thường xuyên và theo nhiều cách khác nhau, chúng ta và tổ tiên của chúng ta đã sử dụng toán học để mô tả thế giới trong nhiều thiên niên kỷ. Theo nghĩa đó, toán học là một phần cơ bản của con người.

Và, khi nghiên cứu này bắt đầu cho thấy, khả năng tính toán này có thể đều xuất phát từ mạng lưới tế bào thần kinh được điều chỉnh tinh vi trong não.

Quanta đang tiến hành một loạt cuộc khảo sát để phục vụ khán giả của chúng tôi tốt hơn. Lấy của chúng tôi khảo sát độc giả sinh học và bạn sẽ được tham gia để giành chiến thắng miễn phí Quanta hàng hóa.