بیش از 150 سال پیش، ویلیام استنلی جوونز، اقتصاددان و فیلسوف، چیزی کنجکاو در مورد عدد 4 کشف کرد. در حالی که در مورد چگونگی درک ذهن از اعداد فکر می کرد، یک مشت لوبیا سیاه را در یک جعبه مقوایی انداخت. سپس، پس از یک نگاه گذرا، قبل از شمارش آنها برای ثبت ارزش واقعی، حدس زد که تعداد آنها چقدر است. پس از بیش از 1,000 آزمایش، او یک الگوی واضح را دید. وقتی چهار یا کمتر لوبیا در جعبه بود، همیشه عدد مناسب را حدس می زد. اما برای پنج لوبیا یا بیشتر، تخمین سریع او اغلب نادرست بود.

توصیف جوونز از خودآزمایی خود، منتشر شده در طبیعت در 1871، گفت: "بنیاد نحوه تفکر ما در مورد اعداد" را تنظیم کنید استیون پیانتادوسی، استاد روانشناسی و علوم اعصاب در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی. این جرقه یک بحث طولانی مدت و مداوم در مورد اینکه چرا به نظر می رسد محدودیتی در تعداد آیتم هایی وجود دارد که می توانیم به طور دقیق قضاوت کنیم که در یک مجموعه حضور دارند وجود دارد.

اکنون، یک مطالعه جدید in رفتار انسان طبیعت با نگاهی بی‌سابقه به چگونگی شلیک سلول‌های مغز انسان در صورت ارائه مقادیر مشخص، به پاسخ نزدیک‌تر شده است. یافته های آن نشان می دهد که مغز از ترکیبی از دو مکانیسم برای قضاوت در مورد تعداد اشیاء که می بیند استفاده می کند. یکی مقادیر را تخمین می زند. دومی دقت آن تخمین ها را افزایش می دهد - اما فقط برای اعداد کوچک.

پیانتادوسی، که در این مطالعه شرکت نداشت، گفت: «بسیار هیجان‌انگیز» است که این یافته‌ها ایده‌های بحث‌شده طولانی را به پشتوانه‌های عصبی آن‌ها مرتبط می‌کند. چیزهای زیادی در شناخت وجود ندارد که افراد بتوانند مبانی زیستی بسیار قابل قبولی را مشخص کنند.

اگرچه مطالعه جدید به بحث پایان نمی‌دهد، اما یافته‌ها شروع به باز کردن پایه‌های بیولوژیکی چگونگی قضاوت مغز در مقادیر می‌کنند، که می‌تواند سوالات بزرگ‌تری در مورد حافظه، توجه و حتی ریاضیات ارائه دهد.

عدد مورد علاقه یک نورون

توانایی قضاوت فوری تعداد آیتم ها در یک مجموعه ربطی به شمارش ندارد. نوزادان انسان حتی قبل از یادگیری زبان این حس عدد را دارند. و محدود به انسان نیست: میمون‌ها، زنبورها، ماهی‌ها، کلاغ‌ها و سایر حیوانات نیز آن را دارند.

یک میمون باید بتواند به سرعت تعداد سیب های موجود در یک درخت و همچنین با چند میمون دیگر را که برای آن سیب ها رقابت می کند، قضاوت کند. یک شیر وقتی با شیرهای دیگر روبرو می شود باید تصمیم بگیرد که بجنگد یا فرار کند. زنبورهای عسل باید بدانند که کدام منطقه بیشترین گل را برای جستجوی غذا دارد. یک گوپی در صورت پیوستن به یک دسته، شانس بیشتری برای فرار از شکارچی دارد. گفت: «هرچه دسته بزرگتر باشد، ماهی کوچک امن تر است برایان باترورث، یک عصب شناس شناختی در دانشگاه کالج لندن که در کار جدید دخالتی نداشت.

این حس اعداد ذاتی بنابراین برای بقا، افزایش شانس حیوان برای یافتن غذا، اجتناب از شکارچیان و در نهایت تولید مثل بسیار مهم است. گفت: "برای بقای یک حیوان به صرفه است که بتواند کمیت های عددی را متمایز کند." آندریاس نیدر، کرسی فیزیولوژی جانوری در دانشگاه توبینگن در آلمان، که این مطالعه جدید را رهبری کرد. این واقعیت که این توانایی در حیوانات مختلف، از حشرات گرفته تا انسان یافت می‌شود، نشان می‌دهد که این توانایی مدت‌ها پیش پدید آمده است، و اساس عصبی آن برای دهه‌ها دانشمندان علوم شناختی را مورد توجه قرار داده است.

در سال 2002، زمانی که نیدر با این عصب شناس کار می کرد ارل میلر در موسسه فناوری ماساچوست به عنوان یک دانشجوی فوق دکترا، آنها یکی از اولین شواهدی را منتشر کردند که نشان می دهد اعداد به نورون های خاص مرتبط است. در یک آزمایش رفتاری با استفاده از میمون‌ها، آن‌ها دریافتند که این نورون‌ها، که در قشر جلوی مغز، جایی که پردازش در سطح بالاتر انجام می‌شود، قرار دارند، اعداد ترجیحی دارند - اعداد مورد علاقه که وقتی درک می‌شوند، سلول‌ها را در اسکن مغز روشن می‌کنند.

به عنوان مثال، برخی از نورون‌ها روی عدد 3 تنظیم می‌شوند. وقتی سه جسم به آنها ارائه می‌شود، شلیک بیشتری می‌کنند. سایر نورون‌ها روی عدد 5 تنظیم می‌شوند و هنگامی که با پنج جسم ارائه می‌شوند، آتش می‌گیرند و غیره. این نورون‌ها منحصراً به موارد دلخواه خود متعهد نیستند: آنها همچنین به دنبال اعداد مجاور آن هستند. (بنابراین نورون تنظیم شده روی 5 نیز برای چهار و شش جسم شلیک می کند.) اما آنها این کار را اغلب انجام نمی دهند و با دورتر شدن عدد ارائه شده از عدد ترجیحی، سرعت شلیک نورون ها کاهش می یابد.

نیدر از سوالات عمیق تری که کار در مورد توسعه توانایی ریاضی ارائه شده بود هیجان زده بود. اعداد منجر به شمارش و سپس به نمایش اعداد نمادین می‌شوند، مانند اعداد عربی که به معنای مقادیر هستند. آن اعداد نمادین زیربنای محاسبات و ریاضیات هستند. نیدر گفت: «اینکه ما بدانیم اعداد چگونه [در مغز] نشان داده می شوند، پایه و اساس همه چیزهایی است که بعداً در راه است، ایجاد می کند.

او تا آنجا که می توانست در مورد نورون های عددی یاد گرفت. در سال 2012، تیم او متوجه شد که نورون‌ها زمانی که هستند به اعداد دلخواه خود پاسخ می‌دهند تخمین یک مجموعه صداها یا آیتم های بصری سپس در سال 2015 این را نشان دادند کلاغ ها نورون های عددی نیز دارند. نیدر گفت که در نمایشی از "رفتار شگفت انگیز کلاغ"، پرندگان می توانند به درستی تعداد نقاط یا اعداد عربی نمایش داده شده به آنها را نوک بزنند.

با این حال، هیچ کس تعداد سلول های عصبی را در انسان شناسایی نکرده بود. این به این دلیل است که مطالعه مغز انسان بسیار دشوار است: دانشمندان معمولاً تا زمانی که مردم زنده هستند، نمی توانند از نظر اخلاقی به فعالیت آن در آزمایشات دسترسی داشته باشند. ابزارهای تصویربرداری مغز وضوح لازم برای تشخیص تک تک نورون ها را ندارند و کنجکاوی علمی به تنهایی نمی تواند کاشت الکترودهای تهاجمی در مغز را توجیه کند.

نیدر برای بررسی یک مغز زنده نیاز داشت بیمارانی را بیابد که قبلاً کاشت الکترود داشتند و می‌توانستند بخشی از تحقیقات او باشند. در سال 2015 تماس گرفت فلوریان مورمان - رئیس گروه فیزیولوژی عصبی شناختی و بالینی در دانشگاه بن، که یکی از معدود پزشکانی در آلمان است که ضبط تک سلولی را در بیماران انسانی انجام می دهد - تا ببیند آیا او و بیمارانش به جستجوی نیدر برای سلول های عصبی شماره انسانی می پیوندند یا خیر. . مورمان گفت بله، و تیم‌های آنها مشغول بررسی فعالیت مغزی بیماران صرعی او شدند که قبلاً برای بهبود مراقبت‌های پزشکی‌شان الکترود کاشته شده بودند.

XNUMX بیمار محاسبات ساده ای را در سر خود انجام دادند در حالی که محققان فعالیت مغز آنها را ثبت کردند. به اندازه کافی، در داده ها، نیدر و مورمان نورون ها را دیدم که شلیک می کنند برای اعداد ترجیحی آنها - اولین باری بود که نورون های عددی در مغز انسان شناسایی شدند. آنها یافته های خود را در یاخته عصبی در 2018.

نیدر گفت که دانشمندان علوم اعصاب قطعاً به درک ذهن خود سوق داده می شوند و بنابراین "پیدا کردن چنین نورون هایی در مغز انسان بسیار ارزشمند است."

یک آستانه عددی

نیدر و مورمن برای ادامه جستجوی خود، مطالعه جدیدی را برای یافتن چگونگی نمایش نورون ها اعداد زوج و فرد آغاز کردند. محققان 17 بیمار مبتلا به صرع را انتخاب کردند و بر روی صفحه نمایش کامپیوتر به آنها نقطه هایی از یک تا نه را نشان دادند. شرکت‌کنندگان نشان دادند که آیا یک عدد فرد یا زوج را در زمانی که الکترودها فعالیت مغزشان را ثبت می‌کردند، می‌دیدند.

در طول چند ماه بعد، هنگامی که استر کاتر، یک دانشجوی فارغ التحصیل با نیدر، داده‌های به دست آمده را تجزیه و تحلیل می‌کرد، شاهد ظهور یک الگوی واضح بود - دقیقاً در اطراف عدد 4.

این داده‌ها که شامل 801 ضبط از تک‌نرون‌های منفرد بود، دو علامت عصبی متمایز را نشان داد: یکی برای اعداد کوچک و دیگری برای بزرگ. بالاتر از عدد 4، شلیک نورون‌ها برای تعداد ترجیحی‌شان به تدریج دقیق‌تر شد و آنها به اشتباه برای اعداد نزدیک به ترجیح شلیک کردند. اما برای 4 و پایین‌تر، نورون‌ها دقیقا شلیک می‌کنند - با همان مقدار کمی خطا، چه برای یک، دو، سه یا چهار جسم شلیک کنند. شلیک نادرست در پاسخ به اعداد دیگر تا حد زیادی وجود نداشت.

این باعث تعجب نیدر شد. او قبلاً این مرز را در مطالعات حیوانی‌اش ندیده بود: آن آزمایش‌ها فقط اعداد تا 5 را شامل می‌شدند. او قصد کاوش مشاهدات جوونز را نداشت، و همچنین انتظار نداشت که یک مرز عصبی آنچه را که مطالعات رفتاری نشان داده‌اند را تأیید کند. . تا آن زمان، او متقاعد شده بود که مغز فقط یک مکانیسم برای قضاوت اعداد دارد - پیوستاری که هر چه اعداد بالاتر می رفتند مبهم تر می شد.

داده های جدید آن را برای او تغییر داد. نیدر گفت: «این مرز به طرق مختلف ظاهر شد. الگوهای عصبی نشان می‌دهند که مکانیسم دیگری وجود دارد که نورون‌های کوچک‌تر را از شلیک برای اعداد اشتباه سرکوب می‌کند.

پیانتادوسی و سرژ دومولنمدیر مرکز تصویربرداری عصبی اسپینوزا در آمستردام، هر دو قبلاً مقالاتی منتشر کرده بودند که از این ایده حمایت می کردند که تنها یک مکانیسم تفسیر عصبی اعداد را مدیریت می کند. با این حال، آنها تحت تأثیر داده های جدید نیدر و مورمان قرار گرفتند که نشان می دهد در واقع دو مکانیسم جداگانه وجود دارد.

پیانتادوسی گفت: «تأیید واقعی این است که اعداد بزرگ و کوچک دارای علائم عصبی متفاوتی هستند. اما او هشدار داد که دو امضا می تواند از یک فرآیند واحد پدید آید. اینکه آیا باید به عنوان یک مکانیسم توصیف شود یا دو، هنوز مورد بحث است.

دومولن گفت: «این فقط زیباست. "این نوع داده ها در دسترس نبودند و مطمئناً در انسان ها وجود نداشت."

با این حال، یک ابهام عمده دیگر باقی مانده است. محققان قشر پیش پیشانی یا جداری را مورد مطالعه قرار ندادند، جایی که اکثر نورون های عددی در میمون ها قرار دارند. در عوض، به دلیل جایی که الکترودهای بیماران در آن قرار داده شد، مطالعه بر روی لوب تمپورال داخلی که در حافظه نقش دارد، متمرکز شد. نیدر گفت، این اولین جایی در مغز انسان نیست که شما برای درک اعداد بررسی می کنید. از سوی دیگر، لوب گیجگاهی داخلی نیز بدترین مکان برای جستجوی چنین نورون‌هایی نیست.

این به این دلیل است که لوب گیجگاهی داخلی با حس اعداد مرتبط است. نیدر گفت، زمانی که کودکان محاسبات و جداول ضرب را یاد می گیرند، فعال است و به مناطقی که تصور می شود نورون های عددی در آن قرار دارند، متصل است.

باترورث گفت، مشخص نیست که چرا نورون های عددی در این منطقه وجود دارند. به نظر می رسد چیزهایی که ما فکر می کردیم مختص لوب جداری است در قسمت هایی از لوب گیجگاهی داخلی نیز منعکس شود.

یک احتمال این است که اینها اصلاً نورون های عددی نیستند. پدرو پینیرو-چاگاساستادیار عصب‌شناسی در دانشگاه کالیفرنیا، سانفرانسیسکو، فکر می‌کند که اینها می‌توانند در عوض نورون‌های مفهومی باشند که در لوب گیجگاهی داخلی قرار دارند و هر کدام به مفاهیم خاصی مرتبط هستند. به عنوان مثال، یک مطالعه معروف یک نورون مفهومی را پیدا کرد که به طور مستقیم و به طور خاص به تصاویر بازیگر جنیفر آنیستون پاسخ می داد. "شاید آنها مکانیسم های حس عدد را پیدا نمی کنند. ... شاید آنها در حال یافتن سلول های مفهومی هستند که برای اعداد نیز به کار می روند. همانطور که شما مفهوم "جنیفر آنیستون" را دارید، می توانید مفهوم "سه" را داشته باشید."

سطح تجزیه و تحلیل "واقعاً فوق العاده است." مارینلا کاپلتی، یک عصب شناس شناختی در گلداسمیتز، دانشگاه لندن. محققان "شواهد قانع کننده" را برای مکانیسم های دوگانه در لوب گیجگاهی داخلی ارائه می دهند. با این حال، او فکر می‌کند که اگر فرصتی فراهم شود، دیدن اینکه آیا این مکانیسم‌ها در سایر مناطق مغز نیز عمل می‌کنند، ارزشمند است.

Cappelletti گفت: "من این یافته ها را مانند نگاه کردن به یک پنجره می بینم." "خوب است که آن را کمی بیشتر باز کنیم و در مورد بقیه مغز به ما بگوییم."

چیزی در مورد 4 وجود دارد

یافته های جدید مشابهت های واضحی با محدودیت های حافظه فعال دارند. افراد می توانند در یک زمان فقط تعداد معینی از اشیاء را در هوشیاری یا حافظه فعال خود نگه دارند. آزمایش ها نشان می دهد که این عدد نیز 4 است.

به گفته کپلتی، توافق بین مرز حس اعداد و حافظه فعال نادیده گرفتن آن سخت است.

این امکان وجود دارد که مکانیسم ها به هم مرتبط باشند. در مطالعات قبلی در مورد حس اعداد، وقتی شرکت‌کننده‌ای توجه خود را متوقف کرد، توانایی خود را برای قضاوت دقیق ارزش واقعی اعداد 4 و پایین‌تر از دست داد. این نشان می‌دهد که سیستم اعداد کوچک، که شلیک نادرست مجاور را با اعداد کم سرکوب می‌کند، ممکن است کاملاً با توجه مرتبط باشد.

نیدر اکنون این فرضیه را مطرح می‌کند که سیستم اعداد کوچک تنها زمانی روشن می‌شود که شما به آنچه در مقابل شماست توجه کنید. او امیدوار است که این ایده را روی میمون‌ها آزمایش کند، علاوه بر این که به دنبال مرز عصبی در 4 می‌گردد که آزمایش‌های آنها هنوز به آن نرسیده‌اند.

Pinheiro-Chagas گفت که تحقیقات جدید "به نظر می رسد آغاز یک جهش جدید" در درک ما از ادراک اعداد باشد، که می تواند کاربردهای مفیدی داشته باشد. او امیدوار است که خوراکی برای بحث در آموزش ریاضی و حتی هوش مصنوعی باشد که با ادراک تعداد زیادی دست و پنجه نرم می کند. مدل‌های زبان بزرگ «در شمارش بسیار بد هستند. آنها در درک مقادیر بسیار بد هستند.

مشخص کردن بهتر نورون های عددی نیز می تواند به ما کمک کند تا بفهمیم چه کسی هستیم. در کنار سیستم زبان، نمایش اعداد دومین سیستم نمادی بزرگ انسان است. مردم به طور مکرر و به روش های مختلف از اعداد استفاده می کنند و ما و اجدادمان هزاران سال است که از ریاضیات برای توصیف جهان استفاده کرده ایم. از این نظر، ریاضی بخش اساسی انسان بودن است.

و همانطور که این مطالعه شروع به نشان دادن می کند، این قدرت محاسباتی ممکن است همگی از شبکه ای دقیق از نورون ها در مغز ناشی شود.

کوانتوم در حال انجام یک سری نظرسنجی برای ارائه خدمات بهتر به مخاطبانمان است. ما را بگیر نظرسنجی خواننده زیست شناسی و شما برای برنده شدن رایگان وارد خواهید شد کوانتوم کالا