为什么人脑能更好地感知小数字

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，”未参与这项新研究的伦敦大学学院认知神经科学家布莱恩·巴特沃斯 (Brian Butterworth)说道。

因此，这种与生俱来的数字感对于生存至关重要，它增加了动物寻找食物、躲避捕食者并最终繁殖的机会。德国蒂宾根大学动物生理学系主任、这项新研究的共同领导者安德烈亚斯·尼德尔 (Andreas Nieder)表示：“能够区分数字数量对于动物的生存来说是有好处的。”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，当尼德与麻省理工学院的神经科学家厄尔·米勒一起担任博士后研究员时，他们发表了第一个证明数字与特定神经元相关的证据。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与首选数字的距离越来越远，神经元的放电率会降低。

德国特宾根大学动物生理学系主任安德烈亚斯·尼德尔（Andreas Nieder）带头进行了一系列研究，定位大脑中的数感。

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。

Piantadosi 和阿姆斯特丹斯宾诺莎神经影像中心主任Serge Dumoulin此前都发表过论文，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。旧金山加利福尼亚大学神经学助理教授佩德罗·皮涅罗-查加斯 (Pedro Pinheiro-Chagas)认为，这些神经元可能是概念神经元，它们位于内侧颞叶，每个神经元都与特定概念相关。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。”

伦敦大学金史密斯学院的认知神经科学家马里内拉·卡佩莱蒂 (Marinella Cappelletti)表示，分析水平“非常出色”。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，小数字系统才会启动。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。

广达正在进行一系列调查，以更好地服务我们的受众。参加我们的生物学读者调查，您将有机会赢得免费的广达商品。