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为什么人脑能更好感知小数字

(2023-11-27 09:36:37)

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杂谈

为什么人脑能更好感知小数字

大脑为代表小数字和大数字有不同的系统的发现挑衅关于记忆、注意力和数学的新问题。

NEUROSCIENCE

Myriam Wares for Quanta Magazine

ByYasemin Saplakoglu

Staff Writer

November 9, 2023

150 多年前，经济学家和哲学家威廉·斯坦利·杰文斯（William Stanley Jevons）发现了某些关于数字 4 的好奇的东西。在沉思关于思维如何感知数字时，他把一把黑豆扔进了一个纸板箱。然后，在短暂的一瞥之后，在数了它们来记录真实值之前他猜了有多少个。经过1000多次尝试后，他看到了一个清晰的模式。当在盒子里有四颗或更少的豆子时他总是猜对这个数字。但对五颗豆子或更多，他的快速估计往往是不正确的。

加州大学伯克利分校心理学和神经科学教授史蒂文·皮安塔多西（Steven Piantadosi）说，1871年发表在《自然》杂志上的杰文斯的他的自我实验的描述为“我们如何思考关于数字设定了基础”。它引发了一场持久而持续的关于为什么似乎在一组我们能准确判断的物品的数字上有一个限制的辩论。

现在，在《人类行为》杂志上的一项新研究已经通过采取一个前所未有的当呈现了一定数量时观察人类大脑细胞如何放电更接近一个答案。它的发现提示大脑用两种机制的组合来判断它看到多少物体。一个估计数量。第二个尖锐这些估计的准确性------但只对小数字。

皮安塔多西说， “这是非常令人兴奋的，这些发现将长期争论的想法联系到它们的神经支撑”，他没有参与这项研究。“在认知中没有许多人们一直能够来定下非常合理的生物学基础的东西”。

尽管这项新研究并没有结束争论，但这些发现开始来解开大脑如何判断数量的生物学基础，这可能告知关于记忆、注意力甚至数学的更大问题。

150多年前，由经济学家威廉·斯坦利·杰文斯（William Stanley Jevons）的一项简单实验提示大脑在数字4处越过了一个数字阈值。新的研究解释支撑他观察的神经机制。National Portrait Gallery London

一个神经元最喜欢的数字

来瞬时判断在一个集合中项目数量的能力与计数没有任何要做的。人类婴儿甚至在他们学习语言之前有这种数字感。它不被限于人类：猴子、蜜蜂、鱼、乌鸦和其他动物也有它。

一只猴子需要能够快速的判断在一棵树上苹果的数量，以及为那些苹果多少其他猴子正在争夺。一只狮子当面对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。如果一只孔雀鱼加入一群鱼它有更好的机会来逃脱捕食者。伦敦大学学院的认知神经科学家布莱恩·巴特沃斯（Brian Butterworth）说，“鱼群越大，小鱼就越安全” ，他没有参与这项新工作。

因此，这种固有的数字感对生存是至关重要的，增加一个动物的寻找食物、避开捕食者并最终繁殖的机会。德国图宾根大学动物生理学主席安德烈亚斯·尼德（Andreas Nieder）说，“一只动物能够来区分数字的量对动物的生存有回报的” ，他共同领导了这项新研究。这种能力被发现在从昆虫到人类的各种动物中的事实提示它很久以前就被唤醒，它的神经基础几十年来已经兴趣了认知科学家。

食腐乌鸦区分在一个计算机显示器上的点数。在之前的研究中，安德烈亚斯·尼德（Andreas Nieder）显示了鸟类有数字神经元。Courtesy of Andreas Nieder

2002年，当尼德正与麻省理工学院的神经科学家厄尔·米勒（Earl Miller）工作担任博士后研究员时，他们发表了第一批证据之一，数字被联系到特定的神经元。在一项用猴子的行为实验中，他们发现了这些神经元被位于前额叶皮层中，在那里更高水平的处理发生，有首选的数字 ------最喜欢的数字当被感知时使这些细胞在大脑扫描中亮起来。

例如，一些神经元被调谐到数字 3。当它们被表现了三个物体时它们放电更多的。其他神经元被调谐到数字 5，并当五个物体被表现时放电，依此类推。这些神经元不完全的对它们的最爱负责：它们还对相邻它们的数字放电。（因此，调谐到 5 的神经元也会对 4 个和 6 个物体放电）。但它们并不经常这样做，并且随被表现的数字与首选数字越来越远，神经元的放电率降低。

对我们来知道数字怎样被表示（在大脑中）正在为以后的一切奠定基础。安德烈亚斯·尼德（Andreas Nieder），德国图宾根大学动物生理学系主任

尼德被这项工作提出的关于数学能力的开发的更深层次的问题兴奋。数字导致计数，然后到符号数字代表，例如代表数量的阿拉伯数字。这些象征性的数字支撑算术和数学。

尼德说，“对我们来知道数字怎样被在大脑中代表为以后的一切设定基础”。

他继续尽可能多的了解关于数字神经元的。2012年，他的团队发现了当神经元正在估计一组声音或视觉项目时它们对它们喜欢的数字响应。然后，在2015年，他们显示了乌鸦也有数字神经元。尼德说，在“惊人的乌鸦行为”一个表演中，这些鸟可以正确的啄食显示给它们的点数或阿拉伯数字。

然而，没有人已经在人类中识别了数字神经元。这是因为研究人脑是出了名困难的：当人们活着时科学家通常不能在实验中伦理的进入它的活动。脑成像工具没有来区分单个神经元所需的分辨率，仅凭科学好奇心并不能判断在大脑中植入侵入性电极。

为窥视一个活生生的大脑，尼德需要找到已经植入电极并同意是他研究的部分的患者。2015年，他联系了波恩大学认知和临床神经生理学小组的负责人弗洛里安·莫尔曼（Florian Mormann），他是德国为数不多的在人类患者中做过单细胞记录的临床医生之一，来看是否他和他的患者会加入尼德的搜索人类数字神经元。莫尔曼答应了，他们的团队开始检查他的癫痫患者的大脑活动，这些患者以前已经植入电极来改善他们的医疗护理。

神经科学家罕见的研究一个活生生的人脑。已经植入了电极来改善他们的医疗护理的癫痫患者，他们同意帮助研究人员研究人类中的数字感。超细电极能测量单个神经元的活动。Courtesy of Andreas Nieder

九名患者在他们的头中做了简单的计算，同时研究人员记录了他们的大脑活动。果不其然，在数据中，尼德和莫尔曼看到了为它们喜欢的数字放电的神经元------这是第一次在人脑中已经发现数字神经元。他们于2018年在神经元（Neuron）杂志上发表了他们的发现。

尼德说，神经科学家当然被驱使来理解他们自己的思维，因此“在人类大脑中发现这样的神经元是极端回报的”。

一个数字阈值

为继续他们的探索，尼德和莫尔曼发起了一项新的来找出神经元如何代表奇数和偶数的研究。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范围从一到九个点的闪光。参与者指明了当电极记录他们的大脑活动时是否他们看到了奇数或偶数。

在接下来的几个月里，随与尼德一起学习的研究生埃丝特·库特（Esther Kutter）分析了结果数据，她看到了一个清晰的模式------围绕着数字4。

这些数据包含801个单个神经元放电的记录，显示了两个分明的神经签名：一个对小数字，一个对大数字。对数字 4 以上，神经元对它们的首选数字的放电逐渐变得不那么精确，并且它们错误的对接近首选数字的放电。但对4及以下的，神经元精度的放电------无论是发射一个、两个、三个还是四个物体，误差都一致这让尼德大吃一惊。他以前在他的动物研究中从未见过这个界限：这些实验已经只包括最多到5的数字。他没有打算来探究杰文斯的观察，也没有期望来看一个神经边界证实行为的研究已经发现了。直到那个点为止，他一直坚信大脑只有一种判断数字的机制------一个数字爬得越高就越模糊的连续体。

德国图宾根大学动物生理学系主任安德烈亚斯·尼德（Andreas Nieder）率先开展了一项将数感定位在大脑中的研究。Courtesy of Andreas Nieder

对他新数据改变了那个。尼德说，“这个边界以不同的方式蹦出来”。神经模式提示还有一种额外的机制抑制更小数字的神经元不为错误的数字放电。

皮安塔多西和阿姆斯特丹斯宾诺莎神经影像学中心主任塞尔日·杜穆兰（Serge Dumoulin）此前都发表过论文，支持只有一种机制管理神经元的数字的解释的想法。然而，尼德和莫尔曼的新数据显示事实上有两种独立的机制让他们震惊。

皮安塔多西说，这是“大数字和小数字有不同神经签名的真正验证”。但他告诫说，从一个单一过程能浮现两个签名，它应该被描述为一种机制还是两种机制仍有待商榷。

杜穆兰说，“这只是美丽的，这种类型的数据是不可利用的，当然不在人类中”。

然而，还有一个主要的不确定性仍然的。研究人员没有研究前额叶或顶叶皮层，在那里猴子中的大多数数字神经元被位于。相反，由于患者的电极的被插入的位置，该研究集中在被卷入记忆的内侧颞叶。尼德说，这并不是人类大脑中第一个你要来调查来理解数字的地方。“另一方面，内侧颞叶也不是来寻找这种神经元的最糟糕地方”。

尼德说，那是因为内侧颞叶被联系到数字感。当孩子们学习计算和乘法表时它是活跃的，并且它与数字神经元被认为所在的区域密切相关。

目前尚不清楚为什么数字神经元被表现在这个区域中，巴特沃斯说。“我们认为对顶叶是特有的东西似乎也被反映在内侧颞叶的部分中”。

一种可能性是，这些毕竟不是数字神经元。加州大学旧金山分校神经病学助理教授佩德罗·皮涅罗-查加斯（Pedro Pinheiro-Chagas）认为，这些神经元可能反而是概念神经元，它们位于内侧颞叶并且每个神经元都被联系到特定概念。例如，一项著名的研究发现了一个概念神经元，它直接的和特别的对演员詹妮弗·安妮斯顿（Jennifer Aniston）的图像响应。皮涅罗-查加斯说，“也许他们没有找到数字感的机制。...也许他们正在发现也适用于数字的概念细胞，因为你有'詹妮弗·安妮斯顿'的概念时你可以有'三'的概念“。