为什么人脑能更好地感知小数字？ 广达杂志

150 多年前，经济学家兼哲学家威廉·斯坦利·杰文斯 (William Stanley Jevons) 对数字 4 发现了一些奇怪的东西。在思考大脑如何构思数字时，他将一把黑豆扔进了一个纸板箱。 然后，他扫了一眼，猜出了有多少，然后数了数，记录了真实的价值。 经过 1,000 多次试验，他看到了清晰的规律。 当盒子里有四颗或更少的豆子时，他总是能猜到正确的数字。 但对于五颗或更多的豆子，他的快速估计常常是错误的。

杰文斯对他的自我实验的描述， 发表于 自然 在1871，奠定了“我们如何看待数字的基础”，说 史蒂文·皮安塔多西加州大学伯克利分校心理学和神经科学教授。 它引发了一场持久且持续的争论，即为什么我们可以准确判断集合中存在的项目数量似乎受到限制。

现在， 一项新的研究 in 自然人类行为 通过前所未有地研究人类脑细胞在受到一定数量的刺激时如何放电，我们离答案又近了一步。 研究结果表明，大脑结合使用两种机制来判断它看到了多少物体。 人们估计数量。 第二个提高了这些估计的准确性——但仅限于少量的情况。

没有参与这项研究的皮安塔多西说，这些发现将长期争论的想法与其神经基础联系起来，这“非常令人兴奋”。 “在认知领域，人们能够确定非常合理的生物学基础的事情并不多。”

尽管这项新研究并没有结束争论，但研究结果开始阐明大脑如何判断数量的生物学基础，这可能会揭示有关记忆、注意力甚至数学的更大问题。

神经元最喜欢的数字

立即判断集合中项目数量的能力与计数无关。 人类婴儿甚至在学习语言之前就具有这种数字感。 而且它不仅限于人类：猴子、蜜蜂、鱼、乌鸦和其他动物也有它。

猴子需要能够快速判断树上苹果的数量，以及它正在与多少只其他猴子竞争这些苹果。 当狮子遇到其他狮子时，必须决定是战斗还是逃跑。 蜜蜂需要知道哪个区域有最多的花朵可供觅食。 如果孔雀鱼加入浅滩，它就有更好的机会逃脱捕食者。 “浅滩越大，小鱼就越安全。” 布赖恩·巴特沃斯是伦敦大学学院的认知神经科学家，他没有参与这项新工作。

本篇 与生俱来的数感 因此，对于生存至关重要，它可以增加动物寻找食物、躲避捕食者并最终繁殖的机会。 “能够区分数字数量对于动物的生存来说是有回报的，”说 安德烈亚斯·尼德尔德国蒂宾根大学动物生理学系主任，也是这项新研究的共同领导者。 事实上，这种能力存在于从昆虫到人类的多种动物身上，这表明它很久以前就出现了，而且它的神经基础几十年来一直引起认知科学家的兴趣。

2002年，当尼德与神经科学家一起工作时 伯爵米勒 作为麻省理工学院的博士后研究员，他们发表了第一个证据，表明数字是 与特定神经元相连。 在一项使用猴子进行的行为实验中，他们发现这些神经元位于发生高级处理的前额皮质中，它们有偏好的数字——当感知到这些数字时，这些神经元会在大脑扫描中点亮。

例如，一些神经元被调整为数字 3。当它们看到三个物体时，它们会放电更多。 其他神经元被调整为数字 5，并在出现五个物体时触发，依此类推。 这些神经元并不完全致力于它们最喜欢的数字：它们也会激发与其相邻的数字。 （因此，调整为 5 的神经元也会对四个和六个物体进行放电。）但它们不会经常这样做，并且随着呈现的数字距离首选数字越来越远，神经元的放电率会降低。

尼德对这项工作提出的有关数学能力发展的更深层次问题感到兴奋。 数字导致计数，然后导致符号数字表示，例如代表数量的阿拉伯数字。 这些符号数字是算术和数学的基础。 “对于我们来说，了解数字在[大脑中]是如何表示的，为以后的一切奠定了基础，”尼德说。

他继续尽可能多地学习有关神经元数量的知识。 2012 年，他的团队发现，当神经元 估计一组 声音或视觉项目。 然后，在 2015 年，他们表明 乌鸦也有许多神经元。 尼德说，在一场“令人惊奇的乌鸦行为”表演中，这些鸟可以正确地啄出显示给它们的点或阿拉伯数字的数量。

然而，没有人确定人类神经元的数量。 这是因为研究人脑是出了名的困难：科学家通常无法在人活着的时候在实验中合乎道德地了解其活动。 大脑成像工具不具备区分单个神经元所需的分辨率，仅凭科学好奇心并不能证明在大脑中植入侵入性电极是合理的。

为了观察活体大脑，尼德需要找到已经植入电极并且同意参与他的研究的患者。 2015年，他联系了 弗洛里安·莫曼 ——波恩大学认知和临床神经生理学小组的负责人，他是德国为数不多的对人类患者进行单细胞记录的临床医生之一——看看他和他的患者是否会加入尼德对人类数字神经元的研究。 莫曼答应了，他们的团队开始检查他的癫痫患者的大脑活动，这些患者之前曾植入电极以改善他们的医疗护理。

当研究人员记录他们的大脑活动时，九名患者在头脑中进行了简单的计算。 果然，在数据中，Nieder 和 Mormann 看到神经元放电 他们喜欢的数量——第一次在人脑中确定了神经元的数量。 他们发表了他们的发现 神经元 。

尼德说，神经科学家当然渴望了解自己的思想，因此“在人脑中找到这样的神经元是非常有意义的”。

数字阈值

为了继续他们的探索，尼德和莫尔曼发起了一项新研究，以找出神经元如何表示奇数和偶数。 研究人员招募了 17 名癫痫患者，并在电脑屏幕上向他们展示了闪烁的点，数量从 XNUMX 到 XNUMX 个不等。 参与者表示他们看到的是奇数还是偶数，同时电极记录了他们的大脑活动。

在接下来的几个月里，当 Nieder 的研究生埃丝特·库特 (Esther Kutter) 分析了所得数据时，她发现了一个清晰的模式——就在数字 4 附近。

这些数据包含 801 个单个神经元放电的记录，显示出两种不同的神经特征：一种代表小数量，另一种代表大数量。 当数字超过 4 时，神经元针对其首选数字的放电逐渐变得不那么精确，并且它们会错误地针对接近首选数字的数字进行放电。 但对于 4 及以下的物体，神经元放电精确——无论是针对一个、两个、三个还是四个物体放电，误差都一样小。 对其他数字的反应基本上不存在。

这让尼德尔感到惊讶。 他之前在动物研究中从未见过这个边界：那些实验只包含最多 5 个数字。他并没有打算探究杰文斯的观察结果，也不期望看到神经边界证实行为研究的发现。 在那之前，他一直坚信大脑只有一种判断数字的机制——数字越高，这种连续体就越模糊。

新数据改变了他的情况。 “这个边界以不同的方式出现，”尼德说。 神经模式表明，还有一种额外的机制可以抑制数量较少的神经元向错误的数量发出信号。

皮安塔多西和 塞尔日·杜穆兰阿姆斯特丹斯宾诺莎神经影像中心主任，两人之前都发表过论文，支持只有一种机制管理神经元对数字的解释的观点。 然而，尼德和莫尔曼的新数据让他们感到震惊，这些数据表明实际上存在两种独立的机制。

皮安塔多西说，这是“真正验证了大数字和小数字具有不同的神经特征”。 但他警告说，同一个流程中可能会出现两个签名； 是否应将其描述为一种或两种机制仍有争议。

“这真是太美了，”杜穆兰说。 “这种类型的数据无法获得，尤其是人类数据。”

然而，还存在一个重大不确定性。 研究人员没有研究猴子的前额叶或顶叶皮质，其中大部分神经元位于前额叶或顶叶皮质。 相反，由于患者电极插入的位置，该研究重点关注与记忆有关的内侧颞叶。 尼德说，为了理解数字，这并不是人类大脑中第一个需要研究的地方。 “另一方面，内侧颞叶也不是寻找此类神经元的最糟糕的地方。”

这是因为内侧颞叶与数感有关。 尼德说，当孩子们学习计算和乘法表时，它就会活跃起来，并且它与数字神经元所在的区域密切相关。

巴特沃斯说，目前尚不清楚为什么该区域存在大量神经元。 “我们认为顶叶特有的东西似乎也反映在内侧颞叶的某些部分。”

一种可能性是这些根本不是数字神经元。 佩德罗·皮涅罗-恰加斯加州大学旧金山分校神经学助理教授认为，这些神经元可能是概念神经元，它们位于内侧颞叶，每个神经元都与特定的概念相关。 例如，一项著名的研究发现了一个概念神经元，它可以直接、专门地对演员詹妮弗·安妮斯顿的图像做出反应。 “也许他们没有找到数感的机制。 ......也许他们正在寻找也适用于数字的概念单元，”Pinheiro-Chagas 说。 “正如你有‘詹妮弗·安妮斯顿’的概念一样，你也可以有‘三’的概念。”

分析水平“非常出色”，说 马里内拉·卡佩莱蒂，伦敦大学金史密斯学院的认知神经科学家。 研究人员为内侧颞叶的双重机制提供了“令人信服的证据”。 然而，她认为，如果有机会的话，看看这些机制是否也在其他大脑区域发挥作用将是有价值的。

卡佩莱蒂说：“我认为这些发现就像是在观察一扇窗户。” “如果能够进一步打开它并告诉我们更多关于大脑其他部分的信息，那就太好了。”

有一些关于 4 的事

新发现与工作记忆的局限性有明显的相似之处。 人们一次只能在意识或工作记忆中记住一定数量的物体。 实验表明数量也是4。

卡佩莱蒂说，数感和工作记忆之间的界限“难以忽视”。

这些机制可能是相关的。 在之前的数感研究中，当参与者停止注意力时，他们就失去了精确判断4及以下数字真实值的能力。 这表明，用小数量抑制相邻失火的小数量系统可能与注意力密切相关。

尼德现在假设，只有当你注意眼前的事物时，小数字系统才会开启。 除了寻找他们的实验尚未捕获的 4 处神经边界之外，他还希望在猴子身上测试这个想法。

皮涅罗-查加斯说，这项新研究“似乎是我们对数字感知理解的新飞跃的开始”，它可能具有有用的应用。 他希望这将成为数学教育甚至人工智能领域讨论的素材，人工智能与数字感知作斗争。 大型语言模型“在计数方面非常糟糕。 他们在理解数量方面非常糟糕，”他说。

更好地表征数字神经元也可以帮助我们了解我们是谁。 数字表示是仅次于语言系统的人类第二大符号系统。 人们经常以各种方式使用数字，我们和我们的祖先几千年来一直使用数学来描述世界。 从这个意义上说，数学是人类的基本组成部分。

而且，正如这项研究开始表明的那样，这种计算能力可能全部源于大脑中精细调节的神经元网络。

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