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沒想到,從4數到5竟然把大腦難壞了!新研究破解百年難題

2024-01-27 09:36:34

▎藥明康德內容團隊編輯

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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