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如果在你面前擺上兩隻，相信大家根本不需要數數，一眼就能看出蘋果的數量；但如果蘋果變成了7只，大腦辨別出正確數字的用時就要更長了，很可能內心裡還需要默數。或者換個說法，如果只看一眼7只蘋果的影象就消失，最終回答數量出錯的讀者可能不在少數。
問題出現了：如果蘋果數量是3、4、5……我們的大腦還能準確無誤地在一瞬間識別出來嗎？大腦“一眼識數”的極限是多少？在這兩種情況下，大腦的執行機制有著怎樣的不同呢？
早在1871年的《自然》雜誌上，一篇名為《數字辨別能力》（The Power of Numerical Discrimination）的短文就討論了這個問題。作者透過簡單的實驗發現，人們在面對數量3和4時能做到準確無誤；但令人意外的是，當數量增加到5時，錯誤就開始出現了——在107次測試中，有5次志願者將5認成了6或者7。接下來，數量越多，錯誤率自然也越高。
當然，這樣簡單的實驗說明的東西有限，也遠沒有觸及大腦內部的機制。到了近80年後，有研究將大腦快速、識別物體數量不超過4的能力稱作“數字感知”（subitizing）；相反，超過4時大腦處理的方式變成了“估計”（estimation），速度也準確率也都下降了——在這個觀點中，大腦在兩種情況下的工作方式出現了分歧。
▲神經元啟用示意圖（圖片來源：Christian Burkert/Volkswagen-Stiftung/University of Bonn）
我們的大腦在處理不同的數量時，究竟發生了什麼？大腦是採用了兩種不同的機制；還是工作機制其實一樣，只是對小數字的不準確比例低到可以忽略不計？這個百年爭論直到今天也沒有得到解決。
近期，一項發表於《自然-人類行為》的研究透過對顳葉區域單個神經元活動的記錄與分析得出了結論：大腦在處理≤4個與＞4個物體時，真的有兩種截然不同的神經元啟用機制！這個延續了超過150年的爭議，有了迄今最為清晰的答案。
這項研究由德國圖賓根大學的Andreas Nieder教授與波恩大學醫學中心Florian Mormann教授領導。
在透過手術切除病變的神經組織來治療癲癇時，為了確認病灶的位置，醫生有時會先將電極插入患者的大腦。正是這個過程給了研究團隊開展細胞層面研究的機遇。在這項由17位患者參與的研究中，研究團隊在準備手術時會將極細的微電極插入顳葉，用來測定單個神經元對視覺刺激的響應。這些志願者會看到電腦螢幕上一閃而過的點，畫面持續時間只有半秒，而他們需要答出看到的點的數量——是奇數還是偶數。
與此前的發現一樣，在不超過4個點時，他們總是能非常迅速地作出反應，幾乎不會犯錯。但隨著點的數量增加，他們出錯的頻率開始增加，執行任務時的思考時間也變得更長。
此前的研究已經發現，我們的大腦擁有分別負責不同數量的神經元。例如在面前出現3個或7個物體時，啟用的神經元是不一樣的。那麼，這些不同情況下，微電極記錄下了怎樣的神經元活動呢？
▲影象短暫出現後，志願者需要回答看見的點是奇數還是偶數（圖片來源：AG Mormann/University of Bonn）
首先是“大量”數字的情形。以看到7個物體為例，研究注意到，神經元啟用與數字並不是一一對應的，數量略微改變時，這些神經元同樣被啟用，只是啟用的程度略低。舉例來說，負責7個物體的神經元，在大腦處理6或8個物體時也會被在一定程度上被啟用；而到了5或9個物體時，啟用程度就更微弱了。
然而，在處理3個物體時，情況完全不同。這時的神經元活動有著優異的選擇性，並且還伴隨著抑制效應——當負責3個物體的神經元被啟用，它們會同時抑制負責相鄰數字（也就是2和4）的神經元活動，從而降低了被數量3錯誤啟用的風險。但在超過4個數字時，如前文所述，神經元活動的選擇性下降，這也解釋了大腦在辨識數字時的錯誤率突然上升的原因。
由此，這項研究不僅給出了這道百年難題的答案，還為理解人類大腦處理數字的方式提供了新的線索，並且可能有助於更好地理解計算障礙症狀。
封面圖來源：123RF
參考資料：
[1] Kutter, E.F., Dehnen, G., Borger, V. et al. Distinct neuronal representation of small and large numbers in the human medial temporal lobe. Nat Hum Behav 7, 1998–2007 (2023). https://doi.org/10.1038/s41562-023-01709-3
[2] Nerve cells can detect small numbers of things better than large numbers of things. Retrieved Oct 2nd, 2023 from https://www.eurekalert.org/news-releases/1003294
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